Con lo sviluppo dell’industria ferroviaria, la componentistica elettronica gioca ruoli sempre più importanti per assicurare affidabilità del servizio e confort per i passeggeri. Tutti i dispositivi elettronici a bordo del materiale rotabile sono generalmente alimentati da un sistema di alimentazione ausiliaria che, assieme al sistema di batterie, fa riferimento al circuito di trazione elettrica. In genere, questi dispositivi ricevono energia da un bus a bassa tensione: in condizioni normali, un gruppo di batterie alimenta il Tcms (Train Control and Management System), i sistemi di illuminazione e di radio-comunicazione, con funzione di buffer in caso di temporaneo fuori servizio del carica batterie. La componente elettronica dei rotabili ferroviari consiste in Tcms, Pis, sistemi PA e Atc. Questi sistemi sono alimentati in modo isolato per assicurare una sicura operatività di ogni sottosistema, con la possibilità di isolare la zona relativa a un determinato dispositivo in caso di guasto. Grazie alle tecnologie di derivazione automotive, tutte le apparecchiature sono connesse tra loro tramite il bus di comunicazione del treno con funzione di controllo remoto, in modo da permettere al personale di manovra di controllare dalla cabina ogni sistema elettronico.
Requisiti delle apparecchiature elettroniche di bordo
Le apparecchiature elettroniche a bordo dei veicoli ferroviari sono estremamente varie e differenti tra loro: denominatore comune per tutte, al fine di soddisfare i requisiti in termini di differenza di potenziale, compatibilità elettromagnetica e sicurezza per le persone anche in caso di guasto, è comunque la conformità alle norme EN50155. In questo ambito i principali requisiti sono:
- ambientali: altitudine, temperatura, umidità, urti e vibrazioni, grado IP;
- elettrici: alimentazione, isolamento elettrico;
- sovratensioni e scariche elettrostatiche: (nel primo caso i test riguardano principalmente gli innalzamenti di tensione. Ogni apparecchiatura deve sopportare una tensione d’ingresso 1,4 volte la nominale;
- compatibilità elettromagnatica: rientrano in questo ambito i parametri riguardanti CE, RE, CS, RS, Surge, Eft, Esd e così via;
- affidabilità, manutenibilità e vita operativa stimata: verifica di affidabilità: ≥ 10W km e ≥ 1 anno; manutenibilità: segnalazione, localizzazione del guasto, facilità di intervento.
- altri: interruzione e calo di alimentazione. I convertitori comuni, soprattutto quelli a bassa tensione d’ingresso, spesso non tollerano interruzioni di 10 ms e impongono l’aggiunta di un condensatore esterno. Inoltre, per evitare guasti delle batterie, vengono spesso impiegati diodi contro le inversioni di tensione o accorgimenti meccanici.
Guida alla scelta dei dispositivi elettronici a bordo dei veicoli
Un buon isolamento è un metodo efficace per prevenire la propagazione di guasto e gioca un ruolo fondamentale nei dispositivi di bordo. Va comunque considerato che le apparecchiature, in seguito a sollecitazioni meccaniche o termiche cui sono sottoposte durante il funzionamento, cambiano di molto le loro caratteristiche, tanto che diventa difficile per i comuni alimentatori industrial-grade soddisfare i requisiti imposti dalle normative.
- Urti e vibrazioni - Proprio per la natura del loro servizio, i mezzi ferroviari sono continuamente sottoposti a vibrazioni e altre sollecitazioni meccaniche e fisiche. Per questa ragione, è necessario che le installazioni di apparecchiature elettroniche siano sottoposte a test random di shock e vibrazioni. L’utilizzo di un collante per fissare i componenti sui Pcb degli alimentatori, ad esempio, è un approccio molto comune per aumentarne la resistenza a questo tipo di sollecitazioni. Il convertitore per mezzi ferroviari della serie R3 di Mornsun, disponibile in Italia da eMergy Tech, non solo soddisfa perfettamente i requisiti in termini di vibrazioni (10-55 Hz, 10g per 30 minuti sui tre assi X Y Z), ma anche quelli di Class B, Category 1 Body mounted per il range esteso della tensione d’ingresso.
- Range della tensione d’ingresso - 24, 48, 72, 96 e 110 V sono i cinque valori nominali di tensione di batteria per veicoli ferroviari. Le batterie devono essere in grado di sopportare abbassamenti della tensione d’ingresso di 0,6 (Vn) per 100 ms e picchi di 1,4 (Vn) per un secondo, che possono verificarsi durante lo start-up delle apparecchiature ausiliarie o durante la commutazione di carichi induttivi. Alimentatori compatibili con molteplici tensioni di batteria sono una soluzione alternativa adottata da diversi costruttori. Il convertitore Dc/Dc URB1D24YMD-6WR3 di Mornsun per veicoli ferroviari è caratterizzato da un range di tensione in ingresso di 40-160 Vdc ed è compatibile con batterie da 72, 96 e 110 Vdc.
- Isolamento - La rigidità dielettrica dei dispositivi è strettamente correlata alla tensione di batteria (i principali requisiti sono mostrati nella Tab. 1). L’incertezza della tensione di batteria può causare una carica fluttuante. Una batteria di 110 V può balzare a 125 V o un trasformatore a bassa tensione addirittura a oltre 125 V. In tale situazione, un isolamento di 1500 Vac è raccomandato per soddisfare i requisiti in termini di sovratensioni transitorie. Il convertitore Mornsun già citato, con il suo isolamento di 1500 Vac/2250 Vdc rappresenta un’ottima scelta.
- Temperatura e umidità - Per potersi adattare alle temperature e ai valori di umidità che caratterizzano le motrici ferroviarie su lunghe distanze, la batteria deve poter operare con temperature tra -40 e + 85 °C, cosa che impone una verifica con prove di affidabilità High-Low Temperature Test e Damp-Heat Test. Il convertitore Mornsun, scrupolosamente controllato durante tutte le fasi della produzione, supera i più stringenti test di affidabilità.
- Surge - In merito a questo parametro gli standard differiscono da Paese a Paese. Ad esempio, la normativa europea RIA 12 (General Specification for Protection of Traction & Rolling Stock Electronic Equipment from Transients & Surges in Dc Control Systems) stabilisce che le apparecchiature connesse alla batteria del veicolo devono sopportare per un secondo sovratensioni di una volta e mezzo la nominale e per 20 mS sovratensioni di 3,5 volte la nominale, con impedenza di 0,2 Ω. Stante una tensione nominale di batteria di 110 Vdc, è difficile che un singolo limitatore con un clamp di 160 Vdc possa assorbire una energia massima di 2475 Joule; pertanto si raccomanda di utilizzare circuiti o alimentatori adeguati. I filtri ausiliari di Mornsun sono dotati di scaricatori di potenza in grado di realizzare una efficace funzione di clamp consentendo così di limitare la sovratensione entro la fascia di tolleranza del convertitore. Ad esempio, il filtro Emc FC-CX3D mostra un range di tensione d’ingresso da 66 a 160 Vdc, una potenza massima in uscita di 100 W, una massima tensione di clamp di 165 Vdc e una efficienza al 98% con circuito attivo di clamp e protezioni brevettate.
