Demiryolu uygulamaları için Güç Kaynakları Uygulaması

Berlin’deki uluslararası demiryolu fuarı Innotrans 2016’da sunulan çalışmada, Avrupa Demiryolu Endüstrisi, 2020 yılına kadar 185 milyar Avro’ya ulaşacağı tahmin edilen bir pazar büyüklüğünü temsil eden ticari durumu özetledi. Elbette, bu miktarın güç kaynağı payı, ağır tren dizisine ya da altyapısına kıyasla marjinaldir. Güç kaynakları olmasa da, hiçbir şey mümkün olmazdı ve bu nedenle, tasarımcılar demiryolu modernizasyonuna aktif olarak katıldılar. Innotrans’ın yeni edisyonuna yaklaşırken, güç kaynağı üreticilerinin, demiryollarını daha güvenli hale getirme arayışlarında karşılaştıkları birçok zorluğu göz önünde bulundurarak, yolcuların en yüksek servis seviyesiyle birleştiklerini bir an için değerlendirmek hem ilgili hem de ilginçtir.
 

Muhafazakardan ilericiliğe

Onlarca yıldır, demiryolu sektörü bu karışık pazarın gerekliliklerini karşılamak adına çok özel güç çözümlerini geliştirmek için güç kaynağı endüstrisi için önemli bir alan olmuştur. Sektör, üç ana kategori içerir: yeni ekipman, modernizasyon ve 10 yıl ya da daha öncesinde servise girmiş ekipmanın bakımı ve iyileştirilmesi. Bu kategorilerin her biri, geliştiricinin belirli taleplerini temsil eder ve her vaka için özel yetenekler gerektirir.
Demiryolu sektörünün fazlaca muhafazakar olmasına ve güvenilirlik ve sağlamlığa öncelik verilmesine rağmen, yeni demiryolu sistemlerinin gelişimine dahil olan yeni jenerasyon “dijital teknoloji eğitimli” mühendisler artan bir şekilde dijital kontrolü entegre etmekteler ve Galyum Nitrür transistörleri gibi enerji verimli topolojilerin uygulanmasını teşvik etmektedirler. Demiryolu sektöründe bu yaklaşım oldukça yenidir, ürün geliştirmesi sırasında daha kapsamlı kalifikasyon çalışması gerektirmekte ve gelecek yirmi yıl için kalıcı çözümlerin garanti edilmesinden sorumlu mühendisler için yeni kısıtlamalar getirmektedir. Bu, tasarım mühendisleri için çok ilginç bir yöndür ve büyük demiryolu müşterilerinin tasarım ofisleriyle direkt olarak işbirliği yapmak için mükemmel bir fırsattır.

Yükleme noktasından kilovatlara - uyumlulukla
Demiryolu uygulamalarının kapsamı çok geniştir ve vagon çekme lokomotifleri ve diğer çekme araçlarının motorlarına güç sağlayan birkaç yüz kilovatlık konvertisör ya da redresörlere basit yakınlık voltajı düzenleyici yükleme noktası (POL) gerektiren çok sayıda uygulamadan oluşur (Şekil 01). Toplam demiryolu pazarı açısından, eğer segmentin hizmet bölümünü hariç tutarsak, tren dizisi, uygulamaların büyük bir kısmını temsil eder, bunu, altyapı ve son olarak takip tarafı ve sinyaller takip eder. Bu alt segmentlerin her biri, kendi çevrelerine özel gereksinimlere sahiptir. Örneğin, Düşük Batarya Voltaj Başlatıcısı (LBVS) olarak anılan araç (örneğin lokomotif) başlama kontrolü konvertisörleri, yüksek yalıtım ve yüksek derecede güvenlik sınırlamaları gerektiren düşük batarya voltajı sağlamak için yüksek voltaj katenerine bağlıdır (Şekil 02). Ek olarak, tüm yerleşik ekipmanlar, tren dizisinde kullanılan elektronik ekipmanı kapsayan EN50155 gibi genel standartlara uygunluk göstermek zorundadır (elektromanyetik uyumluluk için EN 50121-3-2 gibi diğer birçok standardı içeren bir standart). Demiryolu alanı oldukça standardize edilmiştir ve her gelişme ilgili standartlar ve uygulama vakalarının bir analiziyle başlar.
İşletim kalitesi, operasyonel parametreler ve güvenlik konularını yöneten geleneksel standartlara ek olarak, 20 yıldan fazladır yapılan değerlendirmelerden sonra ve 2013’te yayınlanmasından sonra, bu yıl EN45545 standardı (direnç ve yangın davranışı) tüm tren dizileri için zorunlu hale gelmiştir. Bu standart, teknik bir olay sırasında yangın riskinin ve ürünün patlamasından kaynaklanan tüm zehirli dumanların ortadan kaldırılmasını amaçlar. Güç kaynağı üreticileri için bu, bu standardı karşılayan ve EN45545'in çeşitli bölümlerine tam uyum sağlamak için ek testler yapan bileşenlerin seçilmesi anlamına gelir.
Birçok standarttan ayrı olarak, demiryolu sektörünün özgüllüklerinden biri de birçok uygulamanın konutlar ve konektörler açısından çok özel gereksinimlere sahip olması, çoğu zaman belirli bir müşteriye adanmış ürünlerin ortaya çıkmasıdır. Eğilim, DC / DC dönüştürücüler (Şekil 03) gibi kart modüllerinin standartlaştırılmasına yönelikken, lokomotif başlatıcı konvertisörler veya merkezi olmayan batarya şarj cihazları gibi daha karmaşık ürünler için, talep üzerine üretilen ürün numune olarak kalır. Bu, bu ürünlere yönelik bir geliştirme kapasitesi ve üretimde yüksek derecede esneklik gerektirir. Aslında, büyüyen pazara (yılda +%6) rağmen, demiryolu sektöründe kullanılan güç kaynakları hacmi, Powerbox gibi üretim araçlarını özel taleplere uyarlayan üreticileri gerektiren telekomünikasyon sektöründe tüketilen milyonlarca üniteye kıyasla mütevazi kalmaktadır. 

Uzun ömür için güç tasarlama
Demiryolu sektöründeki müşterilerin çoğunluğu bazı kritik ekipmanlar için 30 ya da daha fazla yıl kullanılabilirlik gerektirir. Bu, geliştirme sırasında, yaşam süresince yaşlanmadan etkilenen elektrolitik kapasitörler gibi bazı bileşenlerin değiştirilmesinin yanı sıra, bu hizmet ömrünün göz önünde bulundurulması gerektiği ve tasarım sırasında dikkate alınması gerektiği anlamına gelir. Demiryolu güç kaynaklarının, ömrü boyunca sıcaklık değişimleri ya da sarsıntı ya da titreşim gibi ciddi çevresel etkilere maruz kalabileceğini bilen ekipman üreticileri özelliklerine “bileşen yenileme ve yeniden kalibrasyonu” da eklerler. 15 ya da daha fazla yıl önce teslim edilen ürünlerin gözden geçirilmesi ve güncellenmesi için atölyeye gönderilmesi yaygındır. Bu uygulama demiryolu sektörüne özgüdür ve beslemelerin tasarlanma şekli üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir.
Aslında, 30 yıllık bir yaşam süresi geliştiricilerin bileşenleri eskime olasılığı düşük olanlardan seçmesini zorunlu kılmanın yanı sıra, ürünün kullanım ömrü boyunca olası yükseltmeler için tasarlanmasını da zorunda kılmaktadır. Bu, karmaşıklık düzeyini arttırmanın yanı sıra, yeni teknolojilerin tanıtımını da sınırlar. Yukarıda bahsedildiği üzere, yarının demiryolu sistemlerinin gelişiminden sorumlu mühendisler, yeni teknolojileri entegre etmeyi istemektedirler, fakat hayat döngüleri ve sürdürülebilirliği hakkındaki sınırlı bilgileri, bunların tanıtımıyla ilişkili risk seviyesi hakkında sorular doğurur. Bu, demiryolu topluluğu içerisinde tartışılan güncel bir konudur ki bir taraftan daha iyi iletişimle güç kaynak sistemlerini daha enerji verimli yapmak için modernize etmek ister ve diğer taraftan risksiz sürdürülebilirliği garanti eder.

Pazar zorlukları zamanı
Temel olarak, demiryolu güç kaynakları geliştirmesi için kullanılan teknolojiler, diğer segmentlerde kullanılanlara oldukça benzerdir ve yılların tecrübesiyle, öncekinin geliştiricileri, geliştirme sürelerini azaltmalarını sağlayan uzmanlık oluşturmuştur. Ancak, yeni standartlar ve yeni teknolojilerin tanıtımı geliştirme süresini arttırır. Demiryollarında kullanılan güç kaynaklarının geniş kapsamı değerlendirildiğinde, eğer “standart” kabul edilen ürünleri hariç tutarsak, yaklaşık 14 aylık bir geliştirme döngüsüne sahip olan paneller için modüller gibi, müşterilerin karmaşık projeleri onay olmaksızın 24 ay ya da daha uzun bir süreye kolayca ulaşabilir. Bu, bu gecikmelerin farkında olan ve Asya'dan artan rekabetle karşı karşıya kalan, çoklu projelerde yeniden kullanılabilen fonksiyon bloklarının geliştirilmesi için zorlayan OEM'lerle yakın çalışmak anlamına geliyor.
Demiryolu sistemlerinin modernizasyonu için büyük ve artan talep nedeniyle, tasarım sağlama süreleri kısa olmalıdır ki bu da farklı bir yaklaşım anlamına gelir. Tren dizisi söz konusu olduğunda, bu, sertifikalar gibi birçok spesifik yönü içerir ve daha ziyade karmaşıktır. Trafik kontrolü ve sinyalleme sistemleri söz konusu olduğunda, kısıtlamalar daha az sıkıdır ve hali hazırda var olan DIN ray montajı için olanlar gibi güç kaynaklarının kullanımı mümkündür. Powerbox’ın Batarya Yedek Ünitesi (BBU) gibi bir enerji alt sistemi, radyo iletim telemetri sistemlerinin eklenmesi de dahil olarak, spesifik talepleri karşılamak için üç aydan daha kısa bir sürede özelleştirilebilir (Şekil 04). Bu, OEM'lerin tren dizisinde uygulamaya başladığı modülerlik türüdür, ancak zaman alacaktır.
Demiryolu ağlarının modernizasyonun güç kaynakları üzerindeki etkisi birçok yöne sahiptir çünkü, hatların çalışmasını durdurmak ya da mevcut altyapıyı değiştirmek düşünülemez. Tren dizisi için, bu genellikle, yolcu konforu için Wi-Fi veya güvenliği arttırmak için yerleşik telemetri gibi tamamlayıcı teknolojilerin eklenmesini içerir. Bu durumda, güç kaynakları güç kaynakları oldukça standart bir tiptedir ve genellikle tren dizisinde majör bir değişiklik olmaksızın kurulu sistemin bir parçasıdır.
Ekipman üreticileri, uzun bir ömre sahip olan bir yenilenmeyi içeren tamamlanmış terinin majör modernizasyonu durumunda (genellikle atıf yapılan “yenileştirme”dir), güç kaynağı üreticilerinin Uydurma, Form verme ve Fonksiyon sağlama (3F) alternatiflerini geliştirmelerini ister. Bu, revize edilmiş, güncellenmiş güç kaynaklarıdır fakat, birimlerin uydurma, form verme ve fonksiyon sağlamaları aynı kalır, böylece, uygulama gecikmelerini azaltır ve uzun yıllar boyunca ana ekipmanın dayanıklılığını garanti eder. 3F güç kaynağının geliştirilmesi spesifik geliştirmeye çok yakındır fakat, mühendislerin tecrübeleriyle kombine edilerek, demiryolu alanında uzmanlaşmış üreticilerden temin edilebilen platformlar ve orijinal kasanın ya da şasinin yeniden kullanılması gelişme zamanını azaltmayı mükemmel bir şekilde mümkün kılmaktadır. 
Avrupa demiryolu ağlarının çoğu modernizasyonu, yollar ve sinyalleme sistemleri seviyesinde gerçekleştirilmektedir. Buna göre, ekipman kabinleri çok sıklıkla yerlerinde kalır ve montajcılar, eski sistemleri yerine kuran güç kaynağı üreticilerinden 3F çözümlerini talep eder; nispeten basit bir “eski ekipman dışarı, yeni ekipman içeri” süreci. Çok eski sistemler söz konusu olduğunda, teknik, standardize rafların kurulumunu kolaylaştırmak için kabine endüstriyel bir şasiyi kurmak için kullanılmıştır ki bu da, ilave radyo telemetri sistemlerinin eklenmesi veya kabinin fiber optik sistemleri gibi güncelleme gerektiren süreyi akabinde azaltır.
Demiryolu güç kaynaklarındaki genel trend, standartlaştırılmış veya yarı standartlaştırılmış alt montaj gruplarını edinerek geliştirme sürelerini azaltmaktır. Bu, ekipman üreticilerinin iradesidir ve kart konvertisörleri ya da kasetlerin kullanıldığı parçalara veya gömülü uygulamalara yakın sistemler için gittikçe artarak uygulanan bir çözümdür. Bununla birlikte, her zaman çok spesifik beceriler üzerine çalışmaya devam edecek, talep üzerine çözümler gerektiren çok spesifik güç kaynakları kalacaktır.