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Bahntechnik Züge in Bewegung halten

31.08.2016

Wesentlicher Bestandteil eines Antriebssystems für den innerstädtischen Nahverkehr mit niedriger Geschwindigkeit bis hin zu Intercity-Zügen mit hoher Geschwindigkeit ist der Antriebs- umrichter. Er wandelt die Energie von der Energiequelle um und treibt damit die Elektromotoren im Fahrzeuginneren an. Als Herzstück kommt hier ein Spannungswandler zum Einsatz.

Der Antriebsumrichter besteht aus einem Gleichrichter, sofern er an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist oder aus einem Filter, falls eine direkte Verbindung mit einem Gleichstromnetz besteht. Hinzu kommt ein Wechselrichter zur Ansteuerung des Motors. Der Zwischenkreis ist die Verbindung zwischen dem Gleichrichter oder dem DC-Netz und dem Wechselrichter. Um eine stabile Leistung zu garantieren ist, unabhängig von der Last, eine konstante Zwischenkreisspannung erforderlich. Um diese Regelung durchzuführen, muss eine zuverlässige Messung der Spannung erfolgen. Die Schlüsselkomponente für diese Aufgabe ist der Spannungswandler.

Züge müssen in Gebieten mit unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen betrieben werden, sei es bei extremen Temperaturen, Trockenheit oder hoher Luftfeuchtigkeit. Die Antriebsumrichter und dessen Komponenten sind daher hohen Belastungen ausgesetzt. Hinzu kommt, dass die Weiterentwicklung der Leistungselektronik neben ihren Vorteilen aber auch negative Auswirkungen auf das Verhalten deren Komponenten mit sich bringt. Der Hauptvorteil dieser neuen Entwicklungen für Antriebsumrichter ergibt sich durch die Halbleitertechnik, die höhere Schaltfrequenzen und geringere Verluste, sowie ein kompakteres Design ermöglicht. Die Nachteile sind stärkere Magnetfelder und höhere Gleichtaktstörungen, die sich negativ auf die Funktion des Spannungswandlers auswirken können.

Spannungswandler DVM

LEM bietet nun neue Spannungswandler auf Basis der DVL-Technik. Die Spannungswandler der DVM-Serie eignen sich für Spannungsmessungen von nominal 600 bis 4.200 Veff und ermöglichen nun auch eine Spannungsmessung größer 2.000 Veff in einer kompakten Bauform. Gegenüber der DVL-Serie konnte somit die Nennspannung, bei nahezu gleichen Abmessungen erweitert werden. Für den Betrieb müssen sie nur an die zu messende Spannung angeschlossen und mit einer Standard-DC-Hilfsspannung von ±13,5 bis ±26,4 V versorgt werden. Zusätzliche Vor-Widerstände auf der Primärseite sind nicht mehr notwendig. Der maximale Eigenverbrauch der Wandler-Elektronik bei 0 V Primärspannung liegt bei 30 mA. Hinzu kommen 50 mA bei Nennspannung, sofern eine Version mit Stromausgang ausgewählt wurde.

Funktionsweise des Wandlers

Auf der linken Seite im Blockschaltbild beträgt die Eingangsspannung bis zu ±4,2 kV. Die erste Stufe ist ein Spannungsteiler, der diese Spannung auf einige wenige Volt reduziert. Dieser widersteht hohen du/dt-Werten und weist eine geringe thermische Drift auf. Ein Sigma-Delta-Modulator wandelt dann das analoge Signal in ein Digitalsignal mit 16-Bit-Ausgang um. Anschließend erzeugt ein Digital-Encoder ein serielles Signal, mit dem die Daten über einen einzigen isolierten Kanal übertragen werden. Danach speist ein Verstärker das Signal in den primärseitigen Transformator, der für die gewünschte galvanische Trennung erforderlich ist. Hierdurch wird eine Isolationsprüfspannung maximal 12 kV erreicht. Der Transformator muss einer so hohen Testspannung widerstehen, damit die Lebensdauer der Isolierung gewährleistet werden kann. Der Nachweis wird durch eine Teilentladung von weniger als 10 pC (Pico-Coulomb) bei 5 kV Spannung zwischen Primär- und Sekundärkreis gewährleistet.

Auf der Sekundärseite wird der Datenstrom dekodiert und über einen Digitalfilter gefiltert. Da das primärseitige Rechtecksignal durch den Transformator verzerrt wird, kommt auf der Sekundärseite des Transformators ein Schmitt-Trigger zum Einsatz um die Rechteckform wiederherzustellen. Anschließend erfolgt die Einspeisung in einen Decoder und Digitalfilter. Der Datenbitstrom wird dabei in einen Standard-Digitalwert dekodiert, der im D/A-Wandler des Mikrocontrollers verarbeitet wird. Das wiedergewonnene Ausgangssignal ist gegenüber dem Primärkreis (hohe Spannung) vollständig galvanisch isoliert und bietet ein exaktes Abbild der Primärspannung.

Der Wandler lässt sich an verschiedene Spannungs-Bereiche anpassen, indem die Verstärkung über den Mikrocontroller eingestellt wird. Änderungen am Aufbau des Transformators oder auf der Leiterplatte sind damit nicht erforderlich. Der Mikrocontroller löscht Offsets und stellt die Verstärkung mittels Software ein. Anschließend wird das digitale Signal auf einen analogen Ausgang gewandelt. Der Mikrocontroller überträgt innerhalb von etwa 6 μs die Daten vom Digitalfilter an einen 12-Bit-D/A-Wandler. Die analoge Ausgangsspannung wird dann gefiltert und in einen Strom gewandelt (±75 mA bei Messbereichsendwert).

Der Mikrocontroller steuert auch einen DC/DC-Wandler, der intern eine geregelte Versorgungsspannungen für den Sekundärkreis erzeugt. Die DVM-Versorgung beträgt ±24 oder ±15 VDC. Der DC/DC-Wandler versorgt, über einen weiteren galvanisch getrennten Transformator, den Sigma-Delta-Wandler und den Digital-Encoder auf der Primärseite mit ±5 und ±3,3 V. Der zusätzliche Schaltkreis ist im oberen Teil des Blockschaltbilds dargestellt. Die Übertragungsfrequenz der Spannungsversorgung wird ebenfalls durch den Mikrocontroller vorgegeben.

Der letzte Block rechts neben dem Mikrocontroller ist ein Spannungs- zu Strom-Umsetzer für DVM-Varianten mit Stromausgang. Damit wird den Richtlinien hinsichtlich der EMV entsprochen, da der Stromausgang eine geringere Impedanz aufweist und daher weniger anfällig für elektromagnetische Störungen von außen ist. Eine Version mit Spannungsausgang ist ebenfalls erhältlich, ebenso wie Versionen mit 4- bis 20-mA-Ausgang für unipolare Messungen.

Leistungsmerkmale

Mit einer typischen Genauigkeit von ±0,5 Prozent von VPN bei Umgebungstemperatur und einer geringen Temperaturdrift, bietet der DVM eine typische Genauigkeit von nur ±1 Prozent von VPN über den gesamten Betriebstemperaturbereich von -40 bis 85 °C. Der anfängliche Offset bei 25 °C beträgt maximal 50 µA, mit einer maximal möglichen Drift von ±100 µA über dem Betriebstemperaturbereich. Die Linearität beträgt nur ±0,1 Prozent. Die Reaktionszeit des DVM-Spannungswandlers bei einem Spannungssprung von VPN beträgt 48 µs (maximal 60 µs; bei 90 Prozent von VPN). Durch die schnellere Reaktionszeit ergibt sich eine große Bandbreite von 12 kHz (bei -3 dB).

Aufbau und Standards

Die DVM-Spannungswandler des Herstellers sind kompatibel zu vorherigen Generationen wie der LV-100-Serie. Wichtige elektrische Parameter sind vollständig kompatibel, die Genauigkeit und Temperaturstabilität wurden erhöht, was das Nachrüsten vereinfacht. Die DVM-Serie ist auch bezüglich ihrer Befestigungspunkte 100 Prozent kompatibel. Geringe Unterschiede bestehen bei den Primär- und Sekundär-Anschlüssen. Durch den neuen Aufbau der DVM-Spannungswandler ist er nun 30 Prozent flacher, besitzt 25 Prozent weniger Bauvolumen und das Gewicht ist um 56 Prozent geringer. Die geringere Größe des DVM beeinträchtigt nicht dessen hohe Immunität gegen externe Störungen oder Spannungsschwankungen. Aufgrund der geringen parasitären Kapazität des DVM sind die Auswirkungen eines dynamischen Gleichtaktbetriebs nahezu vernachlässigbar. Da die Wandler keinen Magnetkreis enthalten, sind sie wesentlich unempfindlicher gegenüber externen Magnetfeldern.

Die DVM-Spannungswandler wurden entsprechend neuester weltweiter Standards für Eisenbahn- und Industrieanwendungen entwickelt und getestet. Der Standard EN 50155 im Bahnwesen ist der Referenzstandard für elektrische, umgebungsbezogene und mechanische Parameter. Er garantiert die Gesamtleistungsfähigkeit von Produkten im Bahnwesen. Im Industriebereich regelt der Standard IEC 61800 die Antriebstechnik; IEC 62109 die Solartechnik und IEC 61010 die Betriebssicherheit.

Bildergalerie

  • DVM-Spannungswandler: Funktionsprinzip der isolierenden Digitaltechnik

    Bild: LEM

  • DVM-Spannungswandler für 600 bis 4.200 Veff

    Bild: LEM

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