Импульсные источники питания Inpotron для локомотивов
Решения ОАО «Электромеханика», Пенза
Введение
Безопасность движения на железнодорожном транспорте — это комплекс организационно-технических мер, направленных на снижение вероятности возникновения ситуаций, угрожающих жизни и здоровью пассажиров, сохранности перевозимых грузов, исправности подвижного состава железнодорожного транспорта, экологической безопасности окружающей среды. Одним из способов повышения надежности и безопасности движения при возрастающей его интенсивности является установка в кабине локомотива специальных приборов безопасности. Они помогают машинисту контролировать состояние и управлять функциями локомотива, а также осуществляют запись множества параметров работы локомотива в энергонезависимую память.
Тяжелые условия эксплуатации (перепады температур, вибрация) определяют жесткие требования к конструкции приборов и применяемой в них элементной базе.
Немаловажным фактором обеспечения надежного и длительного функционирования таких приборов является применение в них качественных источников питания.
Необходимость модернизации источников питания
ОАО «Электромеханика» — российское предприятие, с 1961 года производящее высокотехнологичные системы измерения, автоматизации и обеспечения безопасности для железных дорог, — разработало и производит комплексы средств сбора и регистрации данных поездной информации движения локомотивов и мотор-вагонного подвижного состава серии КПД–3. Приемка изделий производится представителями ОАО «РЖД», Ростехрегулирования и Ростехнадзора. Основа всех производимых ОАО «Электромеханика» систем — надежный источник питания, обеспечивающий продолжительное, стабильное и безотказное функционирование изделий.
Для достижения поставленных задач специалисты ОАО «Электромеханика» разработали вторичный источник питания, представляющий собой четырехканальный частотный DC/DC-преобразователь с независимыми (изолированными) выходами. Типовая блок-схема представлена на рис. 1.
На момент разработки и производства источника питания государственная экономическая и производственная инфраструктура уже была разрушена, система кооперации предприятий перестала существовать и перед заводом встала проблема поставки комплектующих, которая была частично решена собственными силами, за счет организации на предприятии моточного производства.
С учетом требований к механическому исполнению (М25 по ГОСТ 17516.1–90) произведенный источник выглядит так, как показано на рисунке 2.
Несмотря на достигнутый результат, инженеры и конструкторы ОАО «Электромеханика» столкнулись с производственными трудностями:
- необходимость большого количества моточных изделий, изготавливаемых вручную (дроссели, трансформаторы), — как следствие, возможные ошибки, связанные с человеческим фактором;
- использование разных типов корпусов элементов, требующих трех видов монтажа и пайки: ручная, полуавтомат, автоматическая;
- сложность регулировки и отладки готового изделия — человеческий фактор;
- периодическое снятие с производства отдельных комплектующих, трудности с подбором их аналогов, трудности с закупками.
Вместе с этим стала накапливаться эксплуатационная статистика применения данных источников на локомотивах, которая выявила нередкое, порой недопустимо грубое обращение с аппаратурой малоквалифицированными специалистами железной дороги, довольно частые жесткие механические воздействия, недопустимые воздействия пыли, грязи и химических веществ.
Вместе с этим встречались нарушения требований электромонтажа и эксплуатации. Ошибочные коммутации входа и выхода, подача завышенного напряжения, продолжительное КЗ, подача пробойного напряжения выше допустимого при проверках — все это крайне негативно отражалось на состоянии источников питания и приводило к выходу их из строя.
Со временем накопившиеся трудности привели специалистов ОАО «Электромеханика» к необходимости глубокой модернизации (улучшения) источников питания, устранения производственных проблем и минимизации последствий неправильной эксплуатации.
Целью модернизации стали:
- улучшение технических и эксплуатационных характеристик изделия;
- переход на современную элементную базу;
- применение новых схемотехнических решений;
- снижение затрат на производство и обслуживание;
- освоение инновационных технологий производства, оптимизация производственного процесса;
- снижение себестоимости и повышение конкурентоспособности производимой продукции.
Технические требования на «Узел питания серии УПБУ»
Новый подход определил более жесткие технические требования, предъявляемые к источнику питания:
1. Питание осуществляется от источника напряжения постоянного тока в диапазоне входного напряжения от 35 до 160 В постоянного тока с пульсациями до 20% от действующего значения на частоте от 100 до 150 Гц. Источник должен работать без переналадки и переключения.
2. Входные цепи должны выдерживать воздействие выбросов напряжения амплитудой 600 ±60 В при длительности до 100 мкс и повторяемости не чаще одного раза в минуту.
3. Электрическая прочность изоляции между входными и выходными контактами должна выдерживать (при температуре окружающего воздуха +25 °С и относительной влажности до 80% в течение 1 минуты без пробоя и поверхностного перекрытия) воздействие испытательного напряжения переменного тока величиной 1500 В и частотой 50 Гц.
4. Электрическое сопротивление изоляции между входными и выходными контактами должно быть не менее:
- 20 МОм при температуре +25 °С и относительной влажности до 80%;
- 2 МОм при температуре +35 °С и относительной влажности до 98%.
5. Узел питания должен иметь самовосстанавливающуюся защиту от перегрузки и короткого замыкания (к.з.) на всех выходных каналах. Ток срабатывания защиты — (1,8…2)Iном. Время к.з. не ограничено.
6. При перегрузке или коротком замыкании узел питания должен работать в режиме периодического пуска. Ток потребления в режиме к.з. не должен превышать 0,4•Iном.
7. Минимальный ток нагрузки соответствует 0,2•Iном. В диапазоне нагрузок от 0,2•Iном до холостого хода выходное напряжение не должно превышать значений п. 2 табл.1.
8. Узел питания должен иметь 4 независимых выходных канала:
- ±5 В при номинальном токе 0,3 А;
- ±5 В при номинальном токе 1,2 А;
- ±24 В при номинальном токе 0,2 А;
- ±24 В при номинальном токе 0,2 А.
Нормы параметров входных и выходных каналов указаны в таблице 1.
9. Входные и выходные цепи узла питания должны быть гальванически развязаны.
10. Узел питания должен быть устойчив к воздействию климатических факторов:
- диапазон рабочих температур: –40 °С…+50 °С;
- относительная влажность до (98±2)% при температуре окружающего воздуха до +40 °С.
11. Средняя наработка на отказ не менее 300 000 часов.
12. Узел питания должен иметь плавкий предохранитель — внутренний, установленный на плату.
13. Узел питания должен иметь индикатор работы на канале «5 В/1,2 А».
14. Параметры электромагнитной совместимости (ЭМС) — класс А по ГОСТ Р 51318.22–99:
Вместе с улучшенными техническими характеристиками были предъявлены повышенные требования к механическому исполнению, перекрывающие требования нормативных документов для группы М25 по ГОСТ17516.1–90:
- узел питания в рабочем состоянии должен соответствовать требованиям таблицы 1 при воздействии синусоидальных вибраций в диапазоне частот от 5 Гц до 150 Гц с ускорением 10 м/с2 (1g);
- узел питания в рабочем состоянии должен соответствовать требованиям таблицы 1 при воздействии одиночных ударов с ускорением 60 м/с2 (6g) при длительности импульсов от 10 до 60 мс;
- узел питания должен соответствовать требованиям таблицы 1 после воздействия многократных ударов с ускорением 30 м/с2 (3g), частоте ударов от 80 до 120 в минуту в течение 2 часов.
В кооперации с немецкой компанией–разработчиком источников питания — Inpotron Schaltneteile GmbH (Inpotron) и российским дистрибьютором электронных компонентов — PT Electronics было создано совершенно новое изделие (рис. 3).
Сочетание российской изобретательности с немецким качеством и педантичностью обеспечило рождение уникального продукта, прошедшего полный комплекс электрических, механических и климатических испытаний. Полученный источник питания полностью совместим с модулями предыдущего поколения, не требует предварительной переналадки всего изделия и несет в себе дополнительные преимущества:
- Сохранены монтажные размеры. Реализована возможность модернизации систем предыдущих поколений путем прямой замены старых модулей питания на современные.
- Заложенный конструктивный потенциал позволяет в будущем (по необходимости) уменьшить габариты источника более чем в 2 раза или расширить его функциональные возможности за счет реализации на плате дополнительных схем.
- Более чем в 5 раз снижен вес, как следствие увеличена устойчивость к механическим нагрузкам всей системы.
- Качество монтажа крупных элементов на плату (пайка) позволяет обеспечить требования ГОСТ 17516.1–90 группы М25 без дополнительной фиксации навесных элементов.
- За счет применения современных комплектующих на 25% повышена безотказность работы.
- Новые схемотехнические решения снизили электромагнитную эмиссию более чем в 10 раз.
- Упрощена система технического обслуживания всей системы. Реализован принцип «поставил и забыл».
Кроме того, учитывая возможное неудовлетворительное состояние железнодорожного полотна на отдельных участках, инженерами ОАО «Электромеханика» было принято решение о дополнительной фиксации навесных элементов на плате высококачественным двухкомпонентным клеем (рис. 4)
В итоге источник питания стал отвечать требованиям группы 27 по ГОСТ 17516.1–90 и группе ММ3 по ОСТ 32.146–2000 для железнодорожного транспорта (рис. 5).
Заключение
Результат сотрудничества ОАО «Электромеханика» с немецкой компанией Inpotron подтвердил технико-экономические преимущества нового подхода к разработке и производству изделий по сравнению со стандартным подходом «своими силами». Как результат, себестоимость продукции снизилась почти вдвое, максимально упрощен закупочно-логистический процесс, значительно снижены временные, материальные и интеллектуальные затраты.
Применение новейших технологий, отвечающих всем требованиям мировых стандартов, позволяет получить конкурентные преимущества производимого продукта, всегда быть в выигрышной ситуации перед производителями аналогичной продукции.
А потребитель, в свою очередь, получает не только изделия, отвечающие мировым стандартам, но и высокопроизводительную современную технику, обеспечивающую надежное и долговременное функционирование всех электротехнических систем.
На сегодня положительный опыт взаимодействия разработчика, производителя и поставщика выводит производственную сферу на совершенно новый этап экономического развития, позволяет достигать максимально высоких результатов, обеспечивает рост технического прогресса и благосостояния нашей страны.
Inpotron Schaltnetzteile GmbH
Inpotron Schaltnetzteile — немецкий производитель ориентированных на пользователя импульсных источников питания и решений в области электропитания (конвертеры переменного/постоянного тока, блоки питания, источники бесперебойного питания, зарядные устройства).
Сферы применения продукции: промышленность, медицинское оборудование, световые решения с использованием светодиодов.
Являясь специалистом в области проектирования, разработки и производства индивидуальных, сбалансированных по стоимости решений, inpotron не предлагает стандартных продуктов. Каждый источник питания спроектирован и собран по индивидуальным требованиям заказчика. Достигаемый в каждом индивидуальном проекте результат представляет собой инновационный, доступный по цене продукт исключительного качества. Разработки inpotron имеют отличную репутацию, а сама компания прошла сертификацию в соответствии со стандартом DIN ISO 9001:2000.
Составляющей качества компании является применение первоклассного оборудования: современные станции CAD-проектирования, максимальный уровень автоматизации, использование штрих-маркировки при конфигурации продукта, собственные методы тестирования, собственное помещение для тестов на электромагнитную совместимость, климат-камера, самостоятельно разработанное программное обеспечение для симулирования различных условий и т. п.
Управляющий директор inpotron Герман Пюте:
«Предприятие основано в 1997 г. совместно с одним из партнеров, работающим в области спутниковых усилителей. Этот соучредитель был и нашим первым клиентом, и с самого начала обеспечил основную загрузку молодого предприятия. За счет высокого качества, разработок, удовлетворяющих практическим требованиям, и, естественно, цен, отражающих конъюнктуру рынка, нам удалось довольно скоро приобрести известность в отрасли. В настоящее время у нас занято в общей сложности 85 сотрудников, включая дочернее предприятие, а оборот 2011 года составил 10,5 млн».
«Заказчики обращаются к нам за индивидуальными разработками, которые отвечают их особым требованиям и помогают решать проблемы, которые невозможно решить с помощью стандартных блоков питания. Этим в основном объясняются особые свойства наших продуктов: максимальные надежность и КПД, компактная конструкция, оптимальные технологические свойства и возможность реализовать дополнительные и контрольные функции, а также интеграция в блок питания соответствующей пожеланиям заказчика электроники. И все это по оптимальным ценам».