Alimentação auxiliar em material circulante ferroviário: pequenos transformadores com isolação reforçada sob EN 50155

Este artigo é dirigido aos engenheiros de fontes de alimentação, de componentes magnéticos e de compras que trabalham com equipamentos eletrônicos embarcados em material circulante ferroviário (rolling stock). Dentro do seu equipamento embarcado há normalmente um pequeno transformador de alimentação auxiliar (auxiliary power), que retira energia do barramento da bateria e alimenta cargas de baixa tensão de controle e comunicação — e que precisa isolar através da barreira de alta tensão no ambiente severo definido pela EN 50155. Partindo da aplicação final, este artigo explica que a isolação reforçada (reinforced insulation) desse pequeno transformador segue a via do IEC 62368-1 Annex J, que a rota de certificação de fato existe, e esclarece a divisão de papéis entre o "documento de aprovação do fio" e a "qualificação do equipamento". Todos os valores dos produtos DAH JIN TECHNOLOGY são indicados "conforme o documento de aprovação".

1. EN 50155: o limiar ambiental dos equipamentos eletrônicos embarcados

A EN 50155 é a norma central para equipamentos eletrônicos utilizados em material circulante ferroviário (equivalente à IEC 60571). Ela fixa as condições no nível do equipamento: temperatura, umidade, choque, vibração, tensão de alimentação e compatibilidade eletromagnética (EMC). Não é uma norma de componente isolado, mas a qualificação do equipamento completo — "se o equipamento sobrevive e funciona corretamente a bordo". Pontos principais:

• Temperatura: a EN 50155 define várias classes de temperatura de operação; conforme a classe e a edição, cobrem aproximadamente a faixa de −40°C a +70/+85°C, enquanto a temperatura real dentro do gabinete, junto ao estágio de potência, costuma ser mais alta.
• Choque e vibração: os ensaios mecânicos são executados conforme a EN 61373.
• EMC: emissão e imunidade dos equipamentos embarcados seguem a EN 50121 (-3-2).
• Interrupções de alimentação: a classe S2, por exemplo, exige suportar uma interrupção de pelo menos 10 ms.

Atenção à divisão de escopo: os conversores de potência completos (conversores de tração/de potência) são regidos separadamente pela EN 61287-1, o software pela EN 50657 e a segurança funcional pela EN 50129. O "pequeno transformador de alimentação auxiliar" tratado aqui é o estágio de isolação de baixa tensão dentro do equipamento embarcado, não o conversor de tração principal. Os itens das normas são apenas mencionados, sem desdobramento item por item.

2. Onde fica a alimentação auxiliar a bordo: do barramento da bateria às cargas de baixa tensão

A tarefa da alimentação auxiliar embarcada é isolar a tensão da bateria/barramento, reduzi-la à faixa utilizável pelas cargas de baixa tensão — controle, comunicação, sensoriamento — e prover isolação galvânica entre o lado de alta tensão e o de baixa tensão. Três realidades de projeto:

• Tensão da bateria: no setor ferroviário são comuns cinco tensões nominais de bateria embarcada — 24 V, 48 V, 72 V, 96 V e 110 V —, sendo 72 V e 110 V as mais frequentes (quanto maior a tensão, menor a corrente para a mesma potência, economizando peso de cabos e espaço). Alguns sistemas usam aterramento flutuante (IT), sem que nenhum dos dois trilhos de corrente seja aterrado diretamente, por isso também é comum a notação de polaridade −72 V/−110 V.
• A tensão de isolação sobe com a tensão (prática do setor baseada na EN 50155; veja a tabela abaixo).
• Faixa de entrada ampla e suportabilidade a surtos: o equipamento precisa tolerar afundamentos de tensão (p. ex. 0.6×VN por 100 ms) e surtos (p. ex. 1.4×VN por 1 s); casos mais rigorosos devem atender ainda às condições de surto da RIA 12 de 1.5× (1 s) e 3.5× (20 ms).

• < 72 VDC — Isolação recomendada (prática do setor)：500 VAC
• 72–125 VDC — Isolação recomendada (prática do setor)：1000 VAC/1500 VDC
• 110 V (em flutuação pode ultrapassar 125 V) — Isolação recomendada (prática do setor)：recomenda-se normalmente 1500 VAC
• Tensão suportável/valores de ensaio dos fios DAH JIN — Isolação recomendada (prática do setor)：conforme o documento de aprovação

Essa é a realidade do pequeno transformador de alimentação auxiliar: um transformador de tamanho reduzido que precisa entregar isolação à altura sob faixa de entrada ampla, surtos severos e através de uma barreira de alta tensão.

3. Como atravessar a barreira de isolação: a via Reinforced do IEC 62368-1 Annex J

Para obter isolação reforçada (reinforced) em um transformador pequeno, o método tradicional recorre à fita de margem (margin tape) e à fita entre camadas para construir, nas duas extremidades do carretel, a linha de fuga (creepage) e a distância de isolamento (clearance) que separam o enrolamento primário do secundário. Mas o transformador de alimentação auxiliar tem volume limitado e janela de enrolamento apertada: quanto mais largas as margens de fita, mais difícil é acomodar o fio.

A solução predominante é migrar para um fio com isolamento triplo (TIW) qualificado. Pelo IEC 62368-1 Annex J, um fio para enrolamento isolado que tenha sido avaliado isoladamente segundo esse anexo pode, por sua estrutura de três camadas, atuar como isolação reforçada do enrolamento (reinforced = básica + suplementar, aproximadamente três camadas): como a isolação é fornecida pelo próprio fio, primário e secundário podem ser enrolados intercalados, dispensando as linhas de fuga/distâncias de isolamento e as barreiras de isolação que a fita teria de construir. É exatamente aqui que o pequeno transformador de alimentação auxiliar mais ganha — "concluir a isolação reforçada com um único fio e reduzir o volume" — e a via de certificação existe com clareza.

• Origem da isolação reforçada — Método tradicional com margens de fita：Fita de margem nas duas extremidades do carretel + fita entre camadas constroem linha de fuga/distância de isolamento；Fio com isolamento triplo qualificado (Annex J Reinforced)：O isolamento triplo do próprio fio para enrolamento fornece o reinforced
• Janela de enrolamento — Método tradicional com margens de fita：As margens ocupam muito espaço; carretéis pequenos ficam apertados；Fio com isolamento triplo qualificado (Annex J Reinforced)：Sem margens de fita; janela de enrolamento liberada
• Disposição primário/secundário — Método tradicional com margens de fita：Precisam ser separados em zonas；Fio com isolamento triplo qualificado (Annex J Reinforced)：Podem ser intercalados; sem barreira de isolação
• Norma de avaliação — Método tradicional com margens de fita：Avaliação pela combinação de fita e construção；Fio com isolamento triplo qualificado (Annex J Reinforced)：IEC 62368-1 Annex J (TLW-F também com UL 2353)
• Diâmetro/tensão suportável dos fios DAH JIN — Método tradicional com margens de fita：—；Fio com isolamento triplo qualificado (Annex J Reinforced)：conforme o documento de aprovação

O fio com isolamento triplo da série DAH JIN TLW é avaliado como Reinforced segundo o VDE 40008834 (Annex J/IEC 62368-1); o TLW-F conta ainda com UL 2353 Reinforced. A correspondência entre Annex J e 61558 Annex K está em IEC 62368-1 Annex J e 61558 Annex K; o cotejo dos ensaios de tipo de Annex J/K/L, em Ensaios de tipo: cotejo Annex J/K/L.

4. Ambiente térmico e divisão da certificação: o documento de aprovação do fio não é a qualificação do equipamento

O pequeno transformador de alimentação auxiliar costuma ficar colado ao estágio de potência, com refrigeração ruim, e sua temperatura interna pode ser bem mais alta que a ambiente externa ao veículo. É aqui que a classe térmica (thermal class) do fio ganha sentido:

• A resistência à temperatura dos fios DAH JIN TLW depende do modelo — o TLW-F é classe F (Class F), 155°C; TLW-B/TLW-BB/TLW-B7S são 130(B). Na seleção, faz-se corresponder a classe térmica do modelo ao ambiente térmico; os valores concretos são indicados conforme o documento de aprovação.
• Mas é preciso distinguir dois tipos de "qualificação": o documento de aprovação do fio define o material (modelo e faixa de diâmetros, avaliação da isolação reforçada, classe térmica); EN 50155/EN 61373 (vibração)/EN 50121 (EMC) são a qualificação do componente magnético acabado e do equipamento completo no ambiente ferroviário. A classe térmica do fio não equivale nem substitui a certificação do produto acabado sob condições combinadas de vibração, EMC e temperatura. A classe térmica do fio e a do sistema/produto acabado pertencem a registros distintos; veja Classe térmica do fio e classe térmica do sistema de isolamento.

Em uma frase: o fio com isolamento triplo ajuda a obter, numa janela de enrolamento pequena, a isolação reforçada através da barreira de alta tensão, e a cobrir o ambiente térmico a bordo pela classe térmica do modelo; mas a responsabilidade por "se este transformador, este equipamento passa na EN 50155" continua do lado do projeto e da verificação do componente magnético acabado e do equipamento completo. Como primeiro passo da seleção, consulte o guia de seleção de TIW e a cadeia de certificação do TIW.

A DAH JIN TECHNOLOGY é fabricante de fio (não uma empresa comercial) e produz em fábrica própria em Guiren, Tainan, Taiwan; o local de fabricação registrado no arquivo UL é esta fábrica — fabricado em Taiwan.