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電壓維持對於鐵道應用的重要性

12 月 17, 2021
EN 50155
湧浪
電壓維持
Surge
Voltage Hold Up

在鐵道應用中，列車設備的供電方式大致上可以分為三種，如從集電弓或第三軌透過靜態換流器供電，或透過發電機組供電，或者是由蓄電池模組供電。在列車的系統或設備上，常見的電壓準位為24V、72V或110V。當列車上供電模組轉換的過程中，列車上的電源容易有變異，例如電壓突降或者是短暫無電源的現象發生。針對這一點，列車用電設備測試標準 (EN50155)就有特別的定義。本文列出EN50155的法規要求與常見外接線路。

 

1. EN50155法規要求

EN50155針對輸入電壓變異的規範可以分為兩種，第一種是輸入電源中斷的規範，由於供電總線上的過載或故障狀況，以及保險絲或短路器動作後的復電操作，系統輸入電壓可能會在短時間內降至0V，或者是呈現低阻抗狀況，如圖1所示。

S1的要求是當輸入電壓變異時，不判定系統的運作正常與否，但是當變異結束後，系統必須回復正常。當輸入電壓降至0V，並在10mS後恢復正常，在這過程中系統維持穩定運作，則滿足S2的要求。同理，維持20mS則滿足S3的要求。

表1. 輸入電壓中斷要求規範
Class Requirements
S1 In Case of voltage interruption, no performance criterion is requested but the equipment shall continue to operate as specified after the voltage interruption.
S2 In case of voltage interruption up to 10 mS the equipment shall behave according to performance criterion A.
S3 In case of voltage interruption up to 20 mS the equipment shall behave according to pweformance criterion A.

第二種是供電轉換時輸入電壓變異規格，如表2所示。C1的要求是當輸入電壓降至穩態輸入的0.6倍，系統維持穩定運作至少100mS。C2則是當輸入電壓降至0V，並在30mS後恢復正常，在這個過程中系統維持穩定運作。

表2. 供電轉換要求規範
Class Requirements
C1 At 0.6*Vin duration 100 mS (without interruptions).                            Performance criterion A.
C2 During a supply break of  30 mS stating at Vin.                                                      Performance criterion B.

表3為測試的合格標準，主要分成四個等級，法規的合格標準為Criteria A或B，Criteria C或D代表不合格。各別描敘如下

表3. 測試合格標準
Criteria Requirements Result
A Normal performance within limits specified by the manufacturer. Pass
B Temporary loss of function or degradation of performance. Self-recovery after the test, without operator ontervention. Pass
C Temporary loss of function or degration of performance. Operator intervention needed for recovery after the test. Fail
D Loss of finction or degradation of performance which is not recoverable. Fail

 

2. 常見對策方式

列車設備內部都具備轉換器，轉換器的目的是將電源轉換成內部所需的電壓，為了滿足當輸入電源中斷時，系統還能維持正常運作的要求，最常見的就是在轉換器輸入電源外接電容，以儲存所需的能量。以下公式可以計算出所需要的外接電容值。

Po : 轉換器輸出瓦特數

T : 預計維持時間

Eff : 轉換效率

V1 : 輸入電壓或常態操作電壓

V2 : 截止電壓

舉個例子，系統的功率需求為30W，轉換器的效率為91%，系統常態操作電壓為24V，截止電壓為8V，希望能符合S2 (10mS)的規範的情況下，透過公式計算，至少需要外接為1288uF的電容。

 

如果直接將電容接到輸入電源，在輸入電源啟動瞬間要對電容充電，此時會有湧浪電流現象發生，可能會導致前端電源進入保護。此時，只要電容輸入端串接電阻與二極體，即可緩解湧浪電流的現象發生，如圖1所示。在充電時，電阻可以協助限制湧浪電流，然而當輸入電源需要電時，可以透過二極體將電容的電能反饋回輸入端。

從圖中可以得知，R1與湧浪電流成反比，因此可以透過下列公式計算R1。

I為湧浪電流.

Vin為輸入電壓

透過公式2即可算出湧浪電流與外接電阻的關係。

R1上的損耗為

t可以大略視為一倍的時間常數

帶回公式(4)即可得到電阻的損耗。

 

3. 實驗與測試

依照圖2的外接線路，實際測試電壓維持時間。圖3為實驗線路圖，此轉換器的截止電壓點為8V，轉換效率為91%，輸出功率為60W，預計符合S2(10mS)的規格。但是實際上，CHOLD的電能必須透過D2傳遞至轉換器，D2有導通壓降，計算時也必須考量進去，因此截止電壓要從8V提升至9.2V，透過公式1可以算出CHOLD必須外接2683uF。預設CHOLD為2700uF以及浪電流的鋒值為4.55A，帶入公式2即可算出R1為5ohm。

D1的目的是防止輸入反接的二極體。

下表為本實驗選用的直流-直流電源轉換器規格以及外接零件的選用

表4 轉換器與外接電路規格
DC/ DC Converter PC60WR42412
Vin 24 Vdc
Vo/Io 12 Vdc/5A
CHOLD 2700 uF
R1 5Ω
D1 & D2 V10P10

從測試波形可以看出，當輸入電壓從24V降至0V後，此時轉換器透過CHOLD持續供電，輸出電壓維持了約10.1 mS，可以滿足S2的規格。此時的輸入湧浪電流最高約在4.36A，也符合原本的預設值。

 

 

結論

在鐵道應用中，電壓維持的功能十分重要，而且大多需要仰賴外接電容。但是此時也需要注意湧浪電流不要過大。本文實際測試轉換器搭配外接電容以及湧浪電流抑制線路，以滿足鐵道應用的電壓維持需求。

 

 

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