DC/DC Wandler für Filteranlagen

Um die Luft in großen Räumen effektiv vor Mikropartikeln in der Größe von 0,01 µm reinigen zu können, sind herkömmliche Filteranlagen mit Papier- oder Stofffilter ungeeignet.

Neue Ansätze sind gefragt, wie z. B. elektro-mechanische Filtersysteme, um gezielt die Luftqualität zu verbessern und somit den Fahrgästen eine saubere Umgebung in den Waggons zu garantieren. Dazu wird die zu filternde und kühlende Luft an Metallplatten vorbeigeführt, die unter sehr hoher Spannung von 8.000 V stehen. Über 92 % der positiv und negativ geladene Aerosole werden von den Platten angezogen oder abgestoßen, setzen sich an den Platten nieder. Sobald der Abstand der Platten zueinander, durch die Verschmutzung, immer geringer wird, entsteht ein schneller Funkenüberschlag (Kurzschluss) zwischen den Platten und verbrennt damit die Partikel. Dieser Vorgang wiederholt sich binnen Sekunden des Öfteren, je nach Verschmutzungsgrad der Luft.

Die Anforderung an AUTRONIC bestand darin, einen DC/DC Wandler für den Einsatz in der Bahntechnik komplett neu zu entwickeln, für den weltweiten Einsatz in Neuanlagen, sowie für bereits bestehende Klimaanlagen als Retrofit-Komponente. Die komplette Elektronik wird dachnah eingebaut, hier herrschen im Alltag sehr hohe Temperaturen. Ebenso verlaufen im Dach sehr viele Kabeln und es werden empfindliche elektronische Bauteile, wie Switche, Repeater und FIS, verbaut, die durch die neue PSU nicht gestört werden dürfen, im Umkehrschluss muss der neue DC/DC-Wandler störunempfindlich gegen externe Störgrößen sein.
 
Als Basisnormen diente die EN 50155 und die EN 50121-3-2, Schock/Vibration nach EN 61373, Brandschutz nach EN 45545-2, Sicherheit nach EN 62368-1, MTBF nach MIL-HDBK-217F (Ground Mobile)

Thermische Belastung, Useful Life und Sicherheit
Der hohe Wirkungsgrad über den gesamten Eingangsbereich sorgt dafür, dass der Kunde den DC/DC-Wandler in thermisch kritischer Umgebung einsetzen kann. Das optimierte Leiterkarten- und Gehäuse-Design sorgt dafür, dass die Wärme perfekt abgeleitet wird. Die geringe Wärmeabgabe an die Umgebungsluft vereinfacht den Einbau, da alle Hotspots im Gerät am Montageboden montiert sind und die Wärme über kurze Wege abgeben, vorausgesetzt die PSU ist thermisch gut ans Chassis angebunden. Somit wird ein Wärmestau im hermetisch abgedichteten Gerät weitgehend verhindert.
8000 V können eine große Gefahr darstellen, deshalb musste der Fokus auf das Erdungskonzept gelegt werden. Um Boden, Deckel und Grundgehäuse sicher zu erden, werden im eloxierten Gehäuse Kontaktbereiche von Schrauben und Kabeln mechanisch aufwendig freigestellt.

Züge sollen zusätzlich so wartungsarm wie möglich ausgestattet werden. Der Nachweis der Zuverlässigkeit ist ein wichtiger Punkt während der Entwicklung, der nachzuweisen gilt. Fälschlicherweise wird oftmals eine MTBF (Meantime Between To Failure) Berechnung herangezogen, um die Zuverlässigkeit von elektrischen Geräten zu bestimmen. AUTRONIC geht aber den besseren Weg zu bestimmen, welche Lebensdauer die ausfallkritischen Komponenten (z. B. Elektrolyt-Kondensatoren) haben, betrachtet diese unter einer realistischen Umgebungsbedingungen mit tatsächlicher Hitzebelastung, und berechnet deren Lebensdauer. Hier konnte dem Kunden eine Useful-Life (Nutzungsdauer) von mindestens 20 Jahren zugesagt werden.
Um sicher zu sein, dass der DC/DC-Wandler stabil genug gegen dauerhaft auftretenden Funkenüberschläge ist, wurde ein der Realität entsprechendem Testumfeld nachgebildet, um die im Feld aufkommenden Funkendauer und -länge der Kurzschlüsse genau nachzubilden. Das Resultat der umfangreichen Tests floss in ein extrem stabiles Design des Gerätes ein.

EMV-Anforderung
Die EMV-heikle Einbaubedingung erfordert viel Knowhow in der Entwicklung von Stromversorgungen, um den sicheren Einsatz zu gewährleisten. Die EMV06, eine strikte EMV-Vorgabe der Bahnfunkdiensten der DB, SBB und ÖBB, werden eingehalten. Es ist damit sichergestellt, dass wichtige Funkfrequenzen störungsfrei bleiben und stellt damit ein wichtiges Sicherheitsfeature dar.

Die Reinigung der Luft in den Passagierräumen ist enorm wichtig. Um dem gerecht zu werden, darf eine Filteranlage nicht ausfallen, auch wenn die Bahnnorm EN 50155 Zustände zulässt, die ein Ausschalten und automatisiertes Hochfahren der Anwendung zulässt. Surge, Burst und ESD vom neuen Gerät sind deshalb mit Kriterium A geprüft und freigegeben worden, d. h. EMV-Störgrößen werden keinen Einfluss auf die PSU haben.

Umweltbedingungen
Trotz eines IP54 Gehäuses muss verhindert werden, dass eine Betauung im Gerät keine Störung verursachen kann. Aus diesem Grund wird die Baugruppe mit einem Schutzlack im Tauchverfahren versehen. Die doppelte Isolation, mit entsprechend längeren Luft- und Kriechstrecken, verhindert zusätzlich, dass etwaig eintretende Staubpartikel Schäden verursachen können.
Einhaltung der bahnüblichen Schock-/Vibrationstests (1b), zyklische feuchte Wärme und sind eine Selbstverständlichkeit, ebenso die Einhaltung des Brandschutzes nach höchster Einstufung.

    
Die Kenndaten des neuen Geräts sind:

• Ultraweiter Eingangsbereich von 14,4 V bis 154 Vdc (ein Gerät) mit hohem Wirkungsgrad von mindestens 85 % über den ganzen Versorgungsbereich
• geregelte Ausgangsspannung: 8000 V
• dauerhafte Ausgangsleistung: 80 W
• starke thermische Belastung durch kritischen Einbauort (Class OT1 +ST1, ST2)
• Lange Zu- und Ableitungen
• IP54 Gehäuse
• Hohe EMV-Anforderung
• Sehr hohe elektrische Belastung durch rasche und wiederholende Kurzschlussfrequenzen (Funkenentladung)
• Funkendetektion
• Auswertungsfunktion der Funkendetektion, die zur sicheren Abschaltung des Filters führt, bei abnormalen Verhalten