Pomocné napájení v drážních vozidlech: malé transformátory se zesílenou izolací podle EN 50155

Tento článek je určen vývojářům napájecích zdrojů a magnetických součástek a nákupním inženýrům, kteří pracují s elektronickými zařízeními drážních vozidel (rolling stock). Uvnitř vašeho palubního zařízení bývá malý transformátor pomocného napájení (auxiliary power), který odebírá energii ze sběrnice baterie a napájí nízkonapěťové zátěže řízení a komunikace – a který musí v náročném prostředí definovaném normou EN 50155 zajistit izolaci přes vysokonapěťovou bariéru. Článek vychází z koncové aplikace a ukazuje, že zesílená izolace (reinforced insulation) tohoto malého transformátoru jde cestou IEC 62368-1 Annex J, že certifikační cesta skutečně existuje, a vyjasňuje dělbu rolí mezi „schvalovacím listem vodiče“ a „kvalifikací zařízení“. Všechny hodnoty výrobků DAH JIN TECHNOLOGY se uvádějí „podle schvalovacího listu“.

1. EN 50155: prahové podmínky prostředí pro elektronická zařízení drážních vozidel

EN 50155 je základní norma pro elektronická zařízení drážních vozidel (shodná s IEC 60571). Stanovuje podmínky na úrovni zařízení: teplotu, vlhkost, rázy, vibrace, napájecí napětí a elektromagnetickou kompatibilitu (EMC). Není to norma pro jednotlivou součástku, ale kvalifikace celého zařízení – „zda zařízení ve vozidle přežije a správně funguje“. Hlavní body:

• Teplota: EN 50155 definuje několik tříd provozních teplot; podle třídy a vydání pokrývají zhruba rozsah −40°C až +70/+85°C, zatímco skutečná teplota uvnitř skříně, v blízkosti výkonového stupně, bývá vyšší.
• Rázy a vibrace: mechanické zkoušky se provádějí podle EN 61373.
• EMC: vyzařování a odolnost palubních zařízení upravuje EN 50121 (-3-2).
• Přerušení napájení: například třída S2 vyžaduje překlenout výpadek napájení po dobu nejméně 10 ms.

Pozor na dělbu rozsahů: kompletní výkonové měniče (trakční/výkonové měniče) upravuje samostatně EN 61287-1, software EN 50657 a funkční bezpečnost EN 50129. „Malý transformátor pomocného napájení“, o kterém je zde řeč, je nízkonapěťový izolační stupeň uvnitř palubního zařízení, nikoli hlavní trakční měnič. Čísla článků norem jen naznačujeme, nerozvádíme je bod po bodu.

2. Kde je pomocné napájení ve vozidle: od sběrnice baterie k nízkonapěťové zátěži

Úkolem palubního pomocného napájení je izolovat napětí baterie/sběrnice, snížit je do rozsahu použitelného pro nízkonapěťové zátěže – řízení, komunikaci, snímání – a zajistit galvanické oddělení mezi vysokonapěťovou a nízkonapěťovou stranou. Tři konstrukční skutečnosti:

• Napětí baterie: v železniční praxi je běžných pět jmenovitých napětí palubní baterie – 24 V, 48 V, 72 V, 96 V a 110 V –, nejčastější jsou 72 V a 110 V (čím vyšší napětí, tím menší proud při stejném výkonu, což šetří hmotnost kabeláže i prostor). Některé systémy používají plovoucí (izolovanou, IT) soustavu, kdy ani jeden ze dvou proudových vodičů není přímo uzemněn; proto se běžně setkáte i se zápisem polarity −72 V/−110 V.
• Izolační napětí roste s napětím (praxe oboru vycházející z EN 50155, viz tabulka níže).
• Široký vstupní rozsah a odolnost proti rázům: zařízení musí snést poklesy napětí (např. 0.6×VN po dobu 100 ms) i přepěťové rázy (např. 1.4×VN po dobu 1 s); přísnější případy musí navíc splnit podmínky rázů podle RIA 12: 1.5× (1 s) a 3.5× (20 ms).

• < 72 VDC — Doporučená izolace (praxe oboru)：500 VAC
• 72–125 VDC — Doporučená izolace (praxe oboru)：1000 VAC/1500 VDC
• 110 V (při udržovacím nabíjení i přes 125 V) — Doporučená izolace (praxe oboru)：běžně se doporučuje 1500 VAC
• Elektrická pevnost/zkušební hodnoty vodičů DAH JIN — Doporučená izolace (praxe oboru)：podle schvalovacího listu

To je realita malého transformátoru pomocného napájení: transformátor malých rozměrů, který musí při širokém vstupu, tvrdých rázech a přes vysokonapěťovou bariéru zajistit plnohodnotnou izolaci.

3. Jak překlenout izolační bariéru: cesta Reinforced podle IEC 62368-1 Annex J

Pro dosažení zesílené (reinforced) izolace v malém transformátoru se tradiční postup opírá o okrajovou pásku (margin tape) a mezivrstvovou pásku, kterými se na obou koncích kostry cívky vytvoří povrchová cesta (creepage) a vzdušná vzdálenost (clearance) oddělující primární a sekundární vinutí. Transformátor pomocného napájení má však omezený objem a těsné okno vinutí – čím širší okraje z pásky, tím hůře se vodič vejde.

Hlavním řešením je přechod na kvalifikovaný vodič s trojitou izolací (TIW). Podle IEC 62368-1 Annex J může izolovaný vodič pro vinutí, který byl samostatně vyhodnocen podle této přílohy, svou třívrstvou konstrukcí sloužit jako zesílená izolace vinutí (reinforced = základní + přídavná, přibližně tři vrstvy) – izolaci zajišťuje sám vodič, takže primární a sekundární vinutí lze navíjet prokládaně a odpadají povrchové cesty/vzdušné vzdálenosti i izolační bariéry, které by jinak musela vytvořit páska. Právě to je silná stránka malého transformátoru pomocného napájení – „jedním vodičem dokončit zesílenou izolaci a zmenšit objem“ – a certifikační cesta jednoznačně existuje.

• Zdroj zesílené izolace — Tradiční postup s okraji z pásky：Okrajová páska na obou koncích kostry + mezivrstvová páska vytvářejí povrchovou cestu/vzdušnou vzdálenost；Kvalifikovaný vodič s trojitou izolací (Annex J Reinforced)：Reinforced zajišťuje trojitá izolace samotného vodiče pro vinutí
• Okno vinutí — Tradiční postup s okraji z pásky：Okraje zabírají mnoho místa, u malých koster je těsno；Kvalifikovaný vodič s trojitou izolací (Annex J Reinforced)：Bez okrajů z pásky, okno vinutí se uvolní
• Uspořádání primár/sekundár — Tradiční postup s okraji z pásky：Musí být odděleny do zón；Kvalifikovaný vodič s trojitou izolací (Annex J Reinforced)：Lze navíjet prokládaně, bez izolační bariéry
• Norma pro hodnocení — Tradiční postup s okraji z pásky：Hodnotí se kombinace pásky a konstrukce；Kvalifikovaný vodič s trojitou izolací (Annex J Reinforced)：IEC 62368-1 Annex J (TLW-F navíc UL 2353)
• Průměr/elektrická pevnost vodičů DAH JIN — Tradiční postup s okraji z pásky：—；Kvalifikovaný vodič s trojitou izolací (Annex J Reinforced)：podle schvalovacího listu

Vodič s trojitou izolací řady DAH JIN TLW je podle VDE 40008834 (Annex J/IEC 62368-1) vyhodnocen jako Reinforced; TLW-F má navíc UL 2353 Reinforced. Vztah Annex J a 61558 Annex K najdete v článku IEC 62368-1 Annex J a 61558 Annex K; srovnání typových zkoušek podle Annex J/K/L v článku Typové zkoušky: srovnání Annex J/K/L.

4. Tepelné prostředí a dělba certifikace: schvalovací list vodiče není kvalifikace zařízení

Malý transformátor pomocného napájení často sedí těsně u výkonového stupně se špatným chlazením a jeho vnitřní teplota může být výrazně vyšší než okolní teplota vně vozidla. Zde nabývá na významu tepelná třída (thermal class) vodiče:

• Teplotní odolnost vodičů DAH JIN TLW závisí na typu – TLW-F je třída F (Class F), 155°C; TLW-B/TLW-BB/TLW-B7S jsou 130(B). Při výběru se tepelná třída typu přiřadí tepelnému prostředí; konkrétní hodnoty podle schvalovacího listu.
• Je však třeba rozlišovat dva druhy „kvalifikace“: schvalovací list vodiče vymezuje materiál (typ a rozsah průměrů, hodnocení zesílené izolace, tepelnou třídu); EN 50155/EN 61373 (vibrace)/EN 50121 (EMC) jsou kvalifikací hotové magnetické součástky a celého zařízení v podmínkách drážních vozidel. Tepelná třída vodiče se nerovná certifikaci hotového výrobku v kombinovaných podmínkách vibrací, EMC a teploty a nenahrazuje ji. Tepelná třída vodiče a tepelná třída systému/hotového výrobku patří do oddělených registrací, viz Tepelná třída vodiče vs. tepelná třída izolačního systému.

Jednou větou: vodič s trojitou izolací vám pomůže v malém okně vinutí dosáhnout zesílené izolace přes vysokonapěťovou bariéru a tepelnou třídou typu pokrýt tepelné prostředí ve vozidle; odpovědnost za to, „zda tento transformátor, toto zařízení projde EN 50155“, však zůstává na návrhu a ověření hotové magnetické součástky a celého zařízení. Jako první krok výběru poslouží průvodce výběrem TIW a certifikační řetězec TIW.

DAH JIN TECHNOLOGY je výrobce vodičů (nikoli obchodní společnost) a vyrábí ve vlastním závodě v Guirenu (Tchaj-nan, Tchaj-wan); výrobní místo uvedené v registraci UL je právě tento závod – vyrobeno na Tchaj-wanu.