DC/DC-teholähde kiskokalustokäyttöön
Puranen, Lauri (2010)
Puranen, Lauri
Turun ammattikorkeakoulu
2010
All rights reserved
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2010061612302
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2010061612302
Tiivistelmä
Kiskokalustokäyttöön tarkoitetut elektroniset laitteet altistuvat erittäin vaativille käyttöolosuhteille, sillä jatkuva tärinä sekä vaihtelevat ympäristöolosuhteet asettavat erittäin suuren haasteen laitteen luotettavuudelle sekä käytettävyydelle. Tässä työssä suunnitellaan DC/DC-teholähde noin 200 W lähtöteholle, jolla on tarkoitus korvata alkuperäinen epäluotettavaksi osoittautunut teholähde. Suunnitellulla teholähteellä muutetaan veturin akuston jännite (20,6 – 50,4 V) veturin moottorin-ohjauksen elektroniikalle sopiviksi ohjaus- ja käyttöjännitteiksi.
Luotettavuuden kannalta alkuperäisen laitteen suurimmat ongelmat johtuivat siitä, että yksittäiset komponentit altistuivat erittäin korkeille lämpötiloille, minkä seurauksena komponenttien ja koko teholähteen elinikä lyhenee. Tämän takia korvaavan DC/DC-teholähteen suunnittelussa kiinnitettiin erityisesti huomiota teholähteen hyötysuhteen parantamiseen ja häviöiden pienentämiseen, minkä seurauksena komponentteihin kohdistuvat rasitukset pienenevät.
DC/DC-teholähteen suunnittelun pohjana käytettiin korvattavan teholähteen, sekä vastaavan 82 – 185 V akustojännitteelle suunnitellun teholähteen tuoteselostetta. Teholähteessä syntyviä häviöitä pienennettiin kiinnittämällä huomiota komponettivalintoihin ja piirilevyn suunnitteluun, sekä tuottamalla vaaditut ohjaus- ja käyttöjännitteet erittäin hyvän hyötysuhteen omaavilla DC/DC moduuleilla. Käytettäväksi valitut DC/DC-moduulit perustuvat tahdistetulla tasasuuntauksella varustettuun forward–muuttajaan ja työssä tutkittiin tällä saavutettuja etuja perinteiseen dioditasasuuntaukseen verrattuna.
Teholähteen soveltuvuutta kiskokalustokäyttöön parannettiin suunnittelemalla tulopuoli EN 50155 standardissa rautatiekäyttöön tarkoitetuille elektronisille laitteille asetettujen vaatimusten mukaiseksi. Lisäksi teholähteen jokaiseen lähtöön suunniteltiin lähtöjännitteiden valvonta, jolla pyritään estämään herkän moottorinohjauksen elektroniikan vahingoittuminen.
Työssä keskityttiin suunniteltavan teholähteen luotettavuuden parantamiseen. Lisäksi työssä arvioitiin suunnitellun teholähteen elinikä laskemalla teholähteen MTBF MIL-217f standardin mukaisilla komponenttien vikaantumistaajuuksien arvoilla, mistä saatiin tulokseksi noin 49 000 h. Työssä esitettyjen tulosten ja esimerkkien perusteella voidaan suunnitella kiskokalustokäyttöön soveltuva DC/DC-moduuleihin perustuva teholähde.
Luotettavuuden kannalta alkuperäisen laitteen suurimmat ongelmat johtuivat siitä, että yksittäiset komponentit altistuivat erittäin korkeille lämpötiloille, minkä seurauksena komponenttien ja koko teholähteen elinikä lyhenee. Tämän takia korvaavan DC/DC-teholähteen suunnittelussa kiinnitettiin erityisesti huomiota teholähteen hyötysuhteen parantamiseen ja häviöiden pienentämiseen, minkä seurauksena komponentteihin kohdistuvat rasitukset pienenevät.
DC/DC-teholähteen suunnittelun pohjana käytettiin korvattavan teholähteen, sekä vastaavan 82 – 185 V akustojännitteelle suunnitellun teholähteen tuoteselostetta. Teholähteessä syntyviä häviöitä pienennettiin kiinnittämällä huomiota komponettivalintoihin ja piirilevyn suunnitteluun, sekä tuottamalla vaaditut ohjaus- ja käyttöjännitteet erittäin hyvän hyötysuhteen omaavilla DC/DC moduuleilla. Käytettäväksi valitut DC/DC-moduulit perustuvat tahdistetulla tasasuuntauksella varustettuun forward–muuttajaan ja työssä tutkittiin tällä saavutettuja etuja perinteiseen dioditasasuuntaukseen verrattuna.
Teholähteen soveltuvuutta kiskokalustokäyttöön parannettiin suunnittelemalla tulopuoli EN 50155 standardissa rautatiekäyttöön tarkoitetuille elektronisille laitteille asetettujen vaatimusten mukaiseksi. Lisäksi teholähteen jokaiseen lähtöön suunniteltiin lähtöjännitteiden valvonta, jolla pyritään estämään herkän moottorinohjauksen elektroniikan vahingoittuminen.
Työssä keskityttiin suunniteltavan teholähteen luotettavuuden parantamiseen. Lisäksi työssä arvioitiin suunnitellun teholähteen elinikä laskemalla teholähteen MTBF MIL-217f standardin mukaisilla komponenttien vikaantumistaajuuksien arvoilla, mistä saatiin tulokseksi noin 49 000 h. Työssä esitettyjen tulosten ja esimerkkien perusteella voidaan suunnitella kiskokalustokäyttöön soveltuva DC/DC-moduuleihin perustuva teholähde.