Alimentación auxiliar en material rodante ferroviario: pequeños transformadores con aislamiento reforzado bajo EN 50155

Este artículo está escrito para los ingenieros de alimentación, de componentes magnéticos y de compras que trabajan con equipos electrónicos embarcados en material rodante ferroviario (rolling stock). Dentro de su equipo embarcado suele haber un pequeño transformador de alimentación auxiliar (auxiliary power) que toma energía del bus de batería y alimenta cargas de baja tensión de control y comunicaciones, y que debe aislar a través de la barrera de alta tensión en el entorno severo que define EN 50155. Partiendo de la aplicación final, este artículo explica que el aislamiento reforzado (reinforced insulation) de ese pequeño transformador sigue la vía de IEC 62368-1 Annex J, que la ruta de certificación existe realmente, y aclara el reparto de funciones entre el «documento de aprobación del hilo» y la «cualificación del equipo». Todos los valores de los productos DAH JIN TECHNOLOGY se indican «según el documento de aprobación».

1. EN 50155: el umbral ambiental de los equipos electrónicos embarcados

EN 50155 es la norma de referencia para los equipos electrónicos utilizados sobre material rodante ferroviario (idéntica a IEC 60571). Fija las condiciones a nivel de equipo: temperatura, humedad, choque, vibración, tensión de alimentación y compatibilidad electromagnética (EMC). No es una norma de componente individual, sino la cualificación del equipo completo: «si el equipo sobrevive y funciona correctamente a bordo». Puntos clave:

• Temperatura: EN 50155 define varias clases de temperatura de funcionamiento; según la clase y la edición, cubren aproximadamente el intervalo de −40°C a +70/+85°C, mientras que la temperatura real dentro de la envolvente, junto a la etapa de potencia, suele ser mayor.
• Choque y vibración: los ensayos mecánicos se realizan conforme a EN 61373.
• EMC: la emisión y la inmunidad de los equipos embarcados se rigen por EN 50121 (-3-2).
• Interrupciones de alimentación: la clase S2, por ejemplo, exige mantener el funcionamiento durante al menos 10 ms ante un corte.

Conviene distinguir los ámbitos: los convertidores de potencia completos (convertidores de tracción/de potencia) se rigen aparte por EN 61287-1, el software por EN 50657 y la seguridad funcional por EN 50129. El «pequeño transformador de alimentación auxiliar» que aquí se trata es la etapa de aislamiento de baja tensión dentro del equipo embarcado, no el convertidor de tracción principal. Los apartados de las normas solo se mencionan, sin desarrollarlos uno por uno.

2. Dónde se sitúa la alimentación auxiliar a bordo: del bus de batería a las cargas de baja tensión

La función de la alimentación auxiliar embarcada es aislar la tensión de batería/bus, reducirla al rango utilizable por las cargas de baja tensión (control, comunicaciones, sensores) y proporcionar aislamiento galvánico entre el lado de alta tensión y el de baja tensión. Tres realidades de diseño:

• Tensión de batería: en el ferrocarril son habituales cinco tensiones nominales de batería embarcada —24 V, 48 V, 72 V, 96 V y 110 V—, siendo 72 V y 110 V las más comunes (a mayor tensión, menor corriente para la misma potencia, con ahorro de peso de cableado y espacio). Algunos sistemas funcionan con puesta a tierra flotante (IT), sin que ninguno de los dos carriles de corriente esté conectado directamente a tierra, por lo que también es habitual la notación de polaridad −72 V/−110 V.
• La tensión de aislamiento aumenta con la tensión (práctica del sector basada en EN 50155; véase la tabla siguiente).
• Rango de entrada amplio y resistencia a sobretensiones: el equipo debe tolerar huecos de tensión (p. ej. 0.6×VN durante 100 ms) y sobretensiones (p. ej. 1.4×VN durante 1 s); los casos más exigentes deben cumplir además las condiciones de sobretensión de RIA 12 de 1.5× (1 s) y 3.5× (20 ms).

• < 72 VDC — Aislamiento recomendado (práctica del sector)：500 VAC
• 72–125 VDC — Aislamiento recomendado (práctica del sector)：1000 VAC/1500 VDC
• 110 V (en carga de flotación puede superar 125 V) — Aislamiento recomendado (práctica del sector)：se recomienda habitualmente 1500 VAC
• Tensión soportada/valores de ensayo de los hilos DAH JIN — Aislamiento recomendado (práctica del sector)：según el documento de aprobación

Esta es la realidad del pequeño transformador de alimentación auxiliar: un transformador de tamaño reducido que debe lograr un aislamiento a la altura con rango de entrada amplio, sobretensiones severas y a través de una barrera de alta tensión.

3. Cómo cruzar la barrera de aislamiento: la vía Reinforced de IEC 62368-1 Annex J

Para conseguir aislamiento reforzado (reinforced) en un transformador pequeño, el método tradicional recurre a la cinta de margen (margin tape) y a la cinta entre capas para construir, en ambos extremos del carrete, la línea de fuga (creepage) y la distancia de aislamiento (clearance) que separan el devanado primario del secundario. Pero el transformador de alimentación auxiliar tiene un volumen limitado y una ventana de bobinado ajustada: cuanto más anchos los márgenes de cinta, más difícil es que quepa el hilo.

La solución predominante es pasar a un hilo de triple aislamiento (TIW) cualificado. Según IEC 62368-1 Annex J, un hilo de bobinado aislado que haya superado por sí solo la evaluación de ese anexo puede, por su estructura de tres capas, actuar como aislamiento reforzado del devanado (reinforced = básico + suplementario, aproximadamente tres capas): como el aislamiento lo proporciona el propio hilo, primario y secundario pueden bobinarse entrelazados, eliminando las líneas de fuga/distancias de aislamiento y las barreras de aislamiento que de otro modo habría que construir con cinta. Aquí está precisamente la fortaleza del pequeño transformador de alimentación auxiliar —«lograr el aislamiento reforzado con un solo hilo y reducir el volumen»—, y la vía de certificación existe con claridad.

• Origen del aislamiento reforzado — Método tradicional con márgenes de cinta：Cinta de margen en ambos extremos del carrete + cinta entre capas construyen la línea de fuga/distancia de aislamiento；Hilo de triple aislamiento cualificado (Annex J Reinforced)：El triple aislamiento del propio hilo de bobinado proporciona el reinforced
• Ventana de bobinado — Método tradicional con márgenes de cinta：Los márgenes ocupan mucho espacio; los carretes pequeños quedan justos；Hilo de triple aislamiento cualificado (Annex J Reinforced)：Sin márgenes de cinta; ventana de bobinado liberada
• Disposición primario/secundario — Método tradicional con márgenes de cinta：Deben separarse en zonas；Hilo de triple aislamiento cualificado (Annex J Reinforced)：Pueden entrelazarse; sin barrera de aislamiento
• Norma de evaluación — Método tradicional con márgenes de cinta：Evaluación según la combinación de cinta y estructura；Hilo de triple aislamiento cualificado (Annex J Reinforced)：IEC 62368-1 Annex J (TLW-F además con UL 2353)
• Diámetro/tensión soportada de los hilos DAH JIN — Método tradicional con márgenes de cinta：—；Hilo de triple aislamiento cualificado (Annex J Reinforced)：según el documento de aprobación

El hilo de triple aislamiento de la serie DAH JIN TLW está evaluado como Reinforced según VDE 40008834 (Annex J/IEC 62368-1); TLW-F cuenta además con UL 2353 Reinforced. La correspondencia entre Annex J y 61558 Annex K se detalla en IEC 62368-1 Annex J y 61558 Annex K; el cotejo de los ensayos de tipo de Annex J/K/L, en Ensayos de tipo: cotejo Annex J/K/L.

4. Entorno térmico y reparto de la certificación: el documento de aprobación del hilo no es la cualificación del equipo

El pequeño transformador de alimentación auxiliar suele estar pegado a la etapa de potencia, con mala refrigeración, y su temperatura interna puede ser claramente superior a la ambiente exterior del vehículo. Aquí es donde cobra sentido la clase térmica (thermal class) del hilo:

• La resistencia a la temperatura de los hilos DAH JIN TLW depende del modelo: TLW-F es clase F (Class F), 155°C; TLW-B/TLW-BB/TLW-B7S son 130(B). En la selección se hace corresponder la clase térmica del modelo con el entorno térmico; los valores concretos se indican según el documento de aprobación.
• Pero hay que distinguir dos tipos de «cualificación»: el documento de aprobación del hilo define el material (modelo y rango de diámetros, evaluación del aislamiento reforzado, clase térmica); EN 50155/EN 61373 (vibración)/EN 50121 (EMC) son la cualificación del componente magnético acabado y del equipo completo en el entorno ferroviario. La clase térmica del hilo no equivale ni sustituye a la certificación del producto acabado bajo condiciones combinadas de vibración, EMC y temperatura. La clase térmica del hilo y la del sistema/producto acabado pertenecen a registros distintos; véase Clase térmica del hilo y clase térmica del sistema de aislamiento.

En una frase: el hilo de triple aislamiento le ayuda a lograr, en una ventana de bobinado pequeña, el aislamiento reforzado a través de la barrera de alta tensión, y a cubrir el entorno térmico a bordo mediante la clase térmica del modelo; pero la responsabilidad de «si este transformador, este equipo supera EN 50155» sigue recayendo en el diseño y la verificación del componente magnético acabado y del equipo completo. Como primer paso de la selección, consulte la guía de selección de TIW y la cadena de certificación del TIW.

DAH JIN TECHNOLOGY es fabricante de hilo (no una empresa comercializadora) y produce en su propia planta de Guiren, Tainan, Taiwán; el centro de fabricación que consta en el registro UL es esta planta: fabricado en Taiwán.