【導讀】隨著人們生活水平的提升，出行機動性的增加，以及在旅游業和資產升級的推動下，全球的鐵路網絡正朝著可持續發展又兼具環保的方向不斷擴大。特別是中國和印度，正在大力投資這一市場，預計到2020年，市場規模將達到1800億歐元，總里程138萬公里[1]。但是，新設備的供應卻跟不上需求，因此，還有一項計劃是升級現有的基礎設施和鐵路車輛，以提高運輸效率。
有效利用現有資源至關重要
借助“智能”系統，可以更有效的使用新的和現有的鐵路車輛，跟蹤掌握處于閑置和使用中的車輛能夠提高車流密度，還可以通過遠程狀態監測（RCM）和基于狀態的維修（CBM）技術來監測運行狀態。這些技術能識別需要的維修和保養，從而節省成本并提高車輛的可靠性和使用性。狀態監測還可以收集其他數據例如車輛占有率和行駛距離，對這些數據進行分析可進一步提升效率。預計未來12年，鐵路部門將在這項 “IoT” 技術上花費約270億歐元 [2]。
車輛狀態的遠程感應
列車狀態可以通過傳感器測量軸數、軸承溫度、電源電壓波動、噪聲、沖擊/振動、車門運轉循環、占用情況、空氣質量以及照明水平等數據來確定。傳感器可以像熱敏電阻一樣簡單地測量溫度，還可以借助數字信號處理器（DSP）、數據記錄器和有線或無線接口、遠程（LoRa）或WLAN無線電的方式來增加“智能”性，如GPS可以用來定位車輛。獨立的傳感器和無線通信功能使得現有車輛的升級變的更加容易，能夠減少新車輛的投入，遠程更新和自定義功能可以提高使用的靈活性。
傳感器供電
傳感器由主系統電源軌的DC/DC轉換器供電，通常只需要幾瓦的電壓即可運行。系統標稱電壓通常為110VDC，但有時可低至24V。多通道傳感器或驅動執行器的功率要求可能更高，達到40W。每個傳感器通常都需要單獨使用隔離式DC/DC，以保持較低的輸出電壓，并避免可能導致EMC問題的接地環路（例如傳感器交叉干擾）。但是系統電源軌并非 “干凈的” 。EN 50155-2017鐵路標準規定，列車正常運行時，輸入電壓可以有+25%/-30%的變化，在100ms內下降至標稱電壓的60%或上升至140%，但不可以有 “功能偏差”， 或是在一秒內，輸入電壓從標稱電壓的125%升至140%而導致性能下降的情況。為了應對這些變化，110V系統的DC/DC轉換器通常必須在43VDC至160VDC之間工作。
系統電源軌上也會出現EN 61000-4-x標準中定義的快速瞬態過電壓，簡單的抑制器和LC濾波器就可以減弱這些過電壓，但也有可能造成徹底斷電。EN 50155定義了S1和S2兩種斷電等級，最嚴重的是標稱輸入電壓中斷10ms，但不會對電源性能造成影響。對于某些設備來說，電源轉換（Class C2）造成的中斷可長達30ms。為了解決這個問題，常見的方法是在隔離串聯二極管之后斷電維持電容，該二極管還可以提供反極性保護，這也是標準中的另一項要求。
應用范例如圖1所示，其中，風扇由車廂溫度傳感器激活，并通過WLAN發出溫度和狀態信號。圖示中RECOM 8W DC/DC轉換器的輸入范圍為43V至160V，可為傳感器電路提供5V隔離的穩壓電源軌。轉換器尺寸緊湊，僅32 x 20 x 10mm。RECOM DC/DC轉換器符合EN50121-3-2對鐵路車輛EMC標準的要求，除此之外，延長的保持時間、反極性保護以及EMI濾波器的可選性，讓轉換器對瞬態和低頻傳導干擾具有較高的抵抗力。
圖1：鐵路應用中的溫度傳感器
符合RIA 12標準要求
鐵路用DC/DC轉換器有時需要符合UK RIA 12標準，該標準定義了110V系統在20ms內最高浪涌電壓可達385V。但是在電源輸入阻抗僅為0.2歐姆的情況下，用瞬態電壓抑制器抑制輸入電壓會消耗過多電能。RECOM的解決方案是使用RSPxx-168前端瞬態電壓抑制器（圖2），將浪涌電壓降至DC/DC轉換器輸入電壓范圍內的最大值，為DC/DC轉換器提供浪涌保護。RECOM提供20W、150W和300W三種瞬態保護模塊可供選擇。
圖2： RECOM瞬態保護器在RIA 12中的應用
大功率轉換器
集中式鐵路車輛系統和軌道裝置也需要更高功率的轉換器。RECOM的RPxxx-RW和RPxxxRUW系列“磚”型DC/DC轉換器很受市場歡迎，模塊具有12:1輸入電壓范圍，涵蓋了從24VDC至110VDC的所有鐵路標準輸入電壓，并且涵蓋了輸入浪涌和欠壓。DIN導軌型也是常見應用，例如RECOM的姊妹公司Power Control Systems（PCS）提供堅固耐用的120W SQ120模塊，輸入為110VDC，符合EN50155標準。Power Control Systems產品還包括鐵路車輛和軌道應用的機架式AC/DC和 DC/DC轉換器，具有單相或三相交流輸入，功率范圍從8W至高達10kW。另外還有符合EN 50155標準的300W AC/AC逆變器，和可調輸出頻率在30到600Hz之間滿足軌道標準的專用轉換器。
高應力鐵路電源應用環境
EN 61373標準針對應用在列車不同位置的設備分別定義了鐵路環境中的沖擊、振動、溫度和濕度等級，分布從最嚴重的轉向架到良好的區域，例如直接裝在車身上下的設備機柜中為1類 B級。雖然傳感器的DC/DC轉換器可能是安裝在應力較小的環境中，但通常還是需要良好的封裝和加固。鐵路電源的使用壽命通常預計為20年，因此RECOM和PCS的產品均通過了包括完整的性能表征、高加速壽命測試（HALT）、高溫浸泡和熱循環在內的測試。
現成的解決方案
RECOM[3]及其子公司Power Control Systems [4]擁有一系列堅固的符合EN 50155標準的DC/DC轉換器模塊，以及從低功率（8W-240W）模塊到10kW可定制的一站式鐵路應用電源。
兩家公司在鐵路應用方面均具有豐富的經驗，能夠提供全面的技術支持，詳細的環境測試以及EMC評估報告。我們也提供具有符合EN 50121-3-2要求的EMI濾波參考設計，適用于24-48V或72-110V DC額定輸入的電壓轉換器（ 分別為R-REF04-RIA12-1和R-REF04-RIA12-2）。
RECOM和Power Control Systems公司現有的DC/DC轉換器和電源不但符合鐵路標準，還提供了一條經濟高效又方便的途徑，能夠為傳感器和集中式系統提供幾瓦到千瓦的電力。RECOM的產品可由合作經銷商Arrow Electronics [5] 提供。
文獻
[1] Statista www.statista.com/topics/1088/rail-industry
[2] Cisco - The internet of Everything: Statista: PDF What is the internet of everything/
[3] RECOM www.recom-power.com
[4] Power Control Systems www.powercontrolsystems.com
[5] Arrow https://www.arrow.com/en/products/search?
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