Systemstromversorgungen, die für Standard-UIC-Spannungen ausgelegt sind, gibt es seit geraumer Zeit. Allerdings wird der Refurbishment-Markt eher zögerlich bedient, wodurch ein Nischenmarkt bleibt. Die Wandler-Serie BLG.UIC ist ein Beispiel für Geräte, die gemäß den Anforderungen der UIC arbeiten.

Um komplexe Schaltungskonzepte zu realisieren, bedienten sich Entwickler von Stromversorgungen und Leistungskomponenten in der Vergangenheit vor allem analoger Leistungs-ICs, Feldeffekttransistoren und IGBTs. Inzwischen kommen in der rasant wachsenden Leistungs-Branche auch moderne Hochvolt-Leistungshalbleiter (SiC)und Prozessortechnik zum Einsatz. Dafür haben die Hersteller von ICs und Leistungshalbleitern dem breiten Markt auch die entsprechenden Applikationen für die Digitalisierung und Schaltungstopologien, die den Wirkungsgrad verbessern, vorgestellt.

In der Bahntechnik sind funktionsbedingt die eingesetzten System-Leistungsgeräte seit jeher digital. Das Angebot wird hier nur von wenigen Herstellern bestimmt. Diese haben den Leistungsbereich ihrer Geräte gemäß den Marktanforderungen erhöht. Es entstand eine Angebotslücke im Leistungsbereich bis ca. 10 kW.

Autronic entwickelte für Luftreinigungs- und Klimaanlagen in Zügen einen DC/DC-Wandler komplett neu. Die Anforderungen sind vielfältig. Die Neuentwicklung lässt sich weltweit in bestehenden und Neuanlagen einsetzen. Lesen sie hier, wie sich die Luft in Zügen mit dem Einsatz von DC-DC-Wandlern reinhalten von Mikropartikeln lässt!

Syko bietet Geräte im Leistungsbereich von < 100 W an und erfüllt Forderung nach System-Funktionalität bis 10 kW. Dabei arbeitet die Mehrzahl der standardisierten und kundenspezifischen Neuprodukte des Unternehmens digital auf der Basis von Prozessorsoftware in Verbindung mit analoger Istwerterfassung und hybrider Einzelschaltkreisen (z.B. house keeper). Nur die Messwerterfassung von Soll- und Istwert erfolgt weiterhin analog.

Systemstromversorgungen, die für Standard-UIC-Spannungen (franz. Union Internationale des Chemins de fer, Internationaler Eisenbahnverband) ausgelegt sind, gibt es seit geraumer Zeit. Allerdings sind viele davon, die aktuell auf dem Markt angeboten werden, deutlich in die Jahre gekommen. Altgediente Lieferanten bedienen den Refurbishment-Markt eher zögerlich. Grund dafür sind die hohen Modifikationsaufwendungen bei den geringen Stückzahlen. Es bleibt für Individualisten ein Nischenmarkt. Die zertifizierte Wandler-Serie BLG.UIC arbeitet mit Eingangsspannungen von 1000 VAC bei 16 Hz beziehungsweise bei 50 Hz, oder optional an 1500 VDC beziehungsweise 1500 VAC bei 50 Hz normgerecht gemäß den Anforderungen der UIC und Transienten bis 14 kVs.

Der Ausgang mit 28 V/120 A bedient ein Bordnetz und eine intelligente Batterieladung mit einem programmierbaren und geregelten Batterieladestrom (Splittingstrom). Dabei ist die Ausgangsspannung eine Funktion der Batterietemperatur. Für den störungsfreien Betrieb ist eine Notstarteinrichtung (NSE) bei tiefentladener Batterie integriert. Diese versorgt die Steuerung und die Einschaltschütze für 3 × 3 min aus der UIC-Spannung. Innerhalb dieser Zeit startet die Energieversorgungsanlage (EVU) und versorgt sich wieder aus der Batterie selbst.

Allgemein setzt Syko das Schaltungskonzept der im Inversbetrieb arbeitenden 1Ph-Wechselrichterbrücke als PFC-Stufe ein. Der eine Zweig choppt mit der Netzfrequenz (niedrigstfrequent) und der andere hochfrequent bei 100 kHz eine PWM-Modulation zur Bildung des Sinusformstromes. Diese Stufe wird heute „Diodenlose PFC-Eingangsstufe“ (totem pole) genannt. Zur Vereinfachung der mehrfach spannungskaskadierten Leistungsstufe greift Syko auf die Regeneratortopologie als ideale BUCK/BOOST-Topologie zu. Die Übertragungsfunktion auf die Zwischenkreisspannung UZK beträgt UZK=UE*D/1-D. Anders als bei der Boost-PFC-Stufe ist die Regeneratortopologie kurzschlussfest und ein Durchgriff auf die Zwischenkreis-Elkos beim Aufschalten der UE ist nicht gegeben. Nachgeschaltet zur UZK ist ein resonanter LLC- Wandler mit variabler Totzeit. Diese Funktionalität und Regelung beider Leistungsstufen ist in einen Frontend-Prozessor integriert, wobei die LLC- Stufe über eine Frequenzmodulation regelbar ist.

Die extremen Anforderungen an das Design eines Hochvolt-Wandlers, der an der Zugsammelschiene arbeitet und verschiedene UIC-Spannungen (1000 VAC/1500 VAC/1500 VDC/3000 VDC) verarbeiten muss, führen zu ungewöhnlichen Lösungen hinsichtlich der Digitalisierung von Regelung sowie Ein-/Ausgabefunktionen zu den angeschlossenen Zugsystemen. Die übergeordneten Zugsysteme beziehungsweise Überwachungssysteme haben den Zugriff auf elementare Werte des Batterieladers via CAN-Bus Protokoll. Diese Werte sind z. B. Ist-Werte wie Eingangsspannungs-RMS-Wert, Eingangs-Frequenz, Wandler-Temperaturen, Batterie-Temperaturen, Batterie-Spannung, Batterieladestrom und Störmeldungen. Über die eingebaute Echtzeituhr werden Störmeldungen zusätzlich mit einem Zeitstempel versehen. Dies ist bei einer Diagnose oder Fehlersuche sehr hilfreich. Zusätzlich können über potentialfreie Relais-Kontakte Störmeldungen und Temperaturprobleme signalisiert werden, um sich damit in vorhandene Überwachungssysteme zu integrieren.

Aufgrund der notwendigen hohen Luft- und Kriechstrecke (40 mm - 80 mm) zwischen Hochvolt-Seite und Niedervolt-Seite wurde ein Doppel-Prozessorsystem mit Kommunikation über Lichtwellenleiter etabliert. Die Prozessoren sind hier zwei 32-Bit-MCUs mit 60 MHz, 128 kB Flash und einer CLA (Control Law Accelerator) für die digitale Regelung. Dazu kommen die PWM-Ports für PFC-, Gegentakt/LLC-Stufe und Hilfsspannungs-Stufe sowie serielle Ports für die Kommunikation nach Außen und Innen.

Der erste Prozessor ist hier der Front-End-Prozessor (C) und übernimmt die Aufgaben auf der Hochvoltseite und der zweite Prozessor ist der Back-End-Prozessor (BE-Prozessor) und übernimmt die Aufgaben der Niedervoltseite.

Der FE-Prozessor detektiert Eingangsfrequenz und Eingangsspannung und entscheidet, ob der Wandler für den Betrieb mit der UIC-Eingangsspannung geeignet ist. Liegt die Spannung im gültigen Bereich, startet der FE-Prozessor eine Kommunikation mit dem BE-Prozessor. Meldet sich dieser nicht, geht der FE-Prozessor in den Stand-Alone-Betrieb (d.h. Regelung erfolgt auf eine sichere Zwischenkreis-Spannung). In diesem Falle wird der BE-Prozessor nicht durch eine angeschlossene Batterie versorgt und es erfolgt ein sogenannter Hochvoltstart ohne eine externe Hilfseinspeisung. Ist der Start des FE-Prozessors im Stand-Alone-Modus erfolgt, wird auch die Niedervoltseite mit Hilfsenergie versorgt und der BE-Prozessor meldet sich beim FE-Prozessor durch einen Heartbeat bereit. Mit diesem Heartbeat signalisiert der BE-Prozessor dem FE-Prozessor seine ständige Bereitschaft, ein Teil der Regelschleife zu sein. Im Falle des Ausbleibens dieses Heartbeat-Signals geht der FE-Prozessor in den Fail-Safe-Mode und verhindert eine ungeregelte und damit unkontrollierte Ausgangsspannung. Als nächsten Schritt zeitsynchronisieren sich die beiden Prozessoren. Der BE-Prozessor sendet die Sollwerte, die sich aus der Batteriekennlinie, der Temperatur und dem Stromsplitting ergeben, an den FE-Prozessor. Ab diesem Zeitpunkt beendet der FE-Prozessor den Stand-Alone-Modus und integriert den BE-Prozessor in seine Regelschleife.

Der BE-Prozessor übermittelt nun stetig den Regeldifferenzwert an den FE-Prozessor und kann seinerseits alle Aufgaben in Bezug auf Load Sharing, Stromsplitting und Batteriekennlinie erfüllen. Der FE-Prozessor überwacht die Eingangsspannung und regelt die PWM der Eingangs-Regenerator-Stufe so, dass der Leistungsfaktor nahezu 99 Prozent beträgt. Zusätzlich verbindet sich der BE-Prozessor per CAN-Bus mit 500 kB/s mit potentiellen zusätzlichen Teilnehmern (parallel geschaltete Hochvoltwandler beziehungsweise Batterielader) und handelt einen Load-Sharing-Betrieb aus. Zum Anwender hin erfolgt die Kommunikation über das CANopen Protokoll.

Als Master fungiert hier der Wandler, an dem der Batteriestromsensor und der Batterie-Temperatursensor angeschlossen sind. Auch ist es möglich, mehrere Temperatursensoren an den Batterieblöcken und diese wiederum auf die teilnehmenden Batterielader zu verteilen. Durch die CAN-Bus-Kommunikation werden die Temperaturen dem Master mitgeteilt, damit dieser die höchste gemessene Temperatur als Basis seiner einzustellenden Spannungskompensation verwendet. Durch die intelligente Kommunikation zwischen den Teilnehmern wird auch eine Ausfall-Redundanz (bei reduzierter Leistung) erreicht. Jeder Batterielader hat zwei CAN-Bus-Stecker. Somit können die teilnehmenden Batterielader untereinander verbunden und gleichzeitig nach außen an die vorhandene CAN-Bus Infrastruktur angeschlossen werden.

Aktuell modifiziert SYKO die Niedervolt-Transformator-Ausgangsstufe auf Hochvolt mit 400 bzw. 650 VDC und nachgeschaltet wird eine 1-Ph bzw. 3-Ph-Umrichterbrücke. (bs)

Ralph Klein, Entwicklungsleitung bei Syko   Reinhard Kalfhaus, Geschäftsleitung und Projektmanagement bei Syko

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