Bahntechnik Von AC- zu DC-Netzen: Stromversorgungen für den Infrastrukturwandel

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Ob Bahntechnik oder Telekommunikationsanwendungen – für eine zukunftsfähige Infrastruktur werden anwendungsgerechte Stromversorgungen benötigt.

Um den Ausbau des europäischen Zugleitsystems ETCS sowie der digitalen Stellwerkstechnologie (DSTW) weiter voranzutreiben, haben unter anderem Dänemark, Norwegen und Deutschland eine Digitalisierung der Schiene vereinbart. Um das Bahnsystem zukunftsfähig zu gestalten und vor allem die Leistungsfähigkeit zu erhöhen, stellt die Digitalisierung neben dem weiteren Netzausbau sowie der Nutzung innovativer Technologien einen wesentlichen Faktor dar.

Für eine digitale Zukunft müssen die deutschen Bahnen umstellen – von konventioneller Signaltechnik auf funkgesteuerten Bahnbetrieb und die Nutzung von Zukunftstechnologien, wie etwa künstliche Intelligenz. Damit lassen sich zukünftig Züge voll automatisiert fahren, in Echtzeit steuern und exakt orten. Um dieses Ziel zu erreichen, gründeten die Deutsche Bahn (DB) und der Verband der Bahnindustrie in Deutschland e. V. die sektorweite Initiative „Digitale Schiene Deutschland“ (DSD).

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Eine neue dezentrale Struktur für die Bahntechnik

Damit die digitalen Technologien reibungslos miteinander arbeiten können, ist neben den Systemen selbst eine Modernisierung der Infrastruktur sowie der Leit- und Sicherungstechnik erforderlich. Diese grundlegende Erneuerung soll durch den Flächen-Rollout des European Train Control System (ETCS), Digitaler Stellwerke (DSTW) und des integrierten Leit- und Bediensystems (iLBS) bis 2035 erfolgen.

Die Modernisierung wird einen entscheidenden Beitrag zu höherer Kapazität, optimaler Auslastung des Schienennetzes und zur Verkehrswende leisten.

Neben den technologischen und strukturellen Herausforderungen ist zu beachten, dass die Komponenten für Bahntechnik extremen Belastungen ausgesetzt sind. Gerade bei Lösungen für die Weichen-, Signal- und Schrankensteuerung sowie der Kommunikationstechnik neben der Fahrstrecke ist ein robustes Design der Komponenten von besonderer Bedeutung.

Warum müssen Stromversorgungen in Schaltschränken neben der Bahnstrecke besonders robust sein? Widrige Umweltbedingungen wie hohe oder niedrige Temperaturen, Feuchtigkeit und Staub stellen hohe Anforderungen. In der Umgebung der Schaltschränke anliegende Hochspannung sowie Erschütterungen erfordern zudem eine hohe Stör- und Vibrationsfestigkeit. Ein kompaktes, wartungsarmes Design sowie eine lange Lebensdauer sind weitere Voraussetzungen für eine erfolgreiche Anwendung in der Bahntechnik. Die Einhaltung geltender Normen ist obligatorisch.

Die deutsche Bahntechnik hat sich bei der Auslegung der Systeme und Infrastruktur an der Telekommunikationstechnik orientiert. Von ehemals 24 V Betriebsspannung für Steuerungen, z. B. für Weichenschaltungen, und einer zusätzlichen 48-V-Spannungsebene sollen zukünftig einheitlich 48 V als Hauptspannung verwendet werden (Bild 2).

Speziell für die Bahn- Infrastruktur entwickelt

Die Stromversorgung Trio Power von Phoenix Contact wurde speziell für die Anwendung im Infrastrukturbereich entwickelt und hält den hohen Anforderungen stand. Mit einer Eingangsspannung von 230 V_AC bis 400 V_DC verfügt sie über einen weiten Eingangsspannungsbereich, Parallelmodus, eine hohe Leistungsdichte und ist elektrisch als auch mechanisch äußerst robust aufgebaut. Daher eignet sie sich optimal für den Infrastrukturwandel in der Bahntechnik.

Dank des robusten mechanischen und elektrischen Aufbaus ist die Stromversorgung auch hinsichtlich der Schock- und Vibrationsfestigkeit optimal für den Einsatz dort geeignet. Die Vibrationsfestigkeit der Geräte wird entsprechend der Norm IEC 60068-2-64 sowie der bahnspezifischen Norm DIN EN 50125-3 gemessen. Die Geräte arbeiten also auch bei extrem schnellen Bewegungen zuverlässig.

Auch der weite Temperatureinsatzbereich der Stromversorgungen ermöglicht eine hohe Flexibilität bezüglich möglicher Einsatz­bereiche. Bei Umgebungstemperaturen von –25 bis 70 °C arbeiten die Netzteile zuverlässig und liefern hohe Leistung.

Schnelle und werkzeuglose Installation

Die typische Push-in Anschlusstechnik der Trio-Produktfamilie stellt eine kosten- und zeitsparende Inbetriebnahme sicher. Die hohe Leistungsdichte ermöglicht zudem eine schmale Bauform von nur 42 mm Breite. Dadurch lassen sich auch mehrere Stromversorgungen auf engem Raum, zur Leistungserhöhung oder Redundanz parallel schalten – und das ohne Mindestabstände bei der Anreihung (Bild 4).

Robuste und verlässliche Elektronik

Neben der robusten Mechanik verfügt die Stromversorgung Trio Power auch über eine robuste und verlässliche Elektronik. So sind die Geräte eingangsseitig spannungsfest bis 300 V_AC und 420 V_DC. Ein weiteres Sicherheitsfeature ist die Over Voltage Protection (OVP), welche die Überspannung auf ≤58 V_DC begrenzt. Zudem können die Geräte dank einer schutzlackierten Leiterkarte auch für 48-V-Anwendungen eingesetzt werden, die widrigen Umweltbedingungen ausgesetzt sind.

Standardmäßig verfügen die Stromversorgungen Trio Power über einen AC- und DC-Weitbereichseingang und sind somit in unterschiedlichen Versorgungsnetzen weltweit einsetzbar.

Für ein zuverlässiges Starten großer Lasten bietet die Stromversorgung eine dynamische Leistungsreserve. So liefert sie für bis zu fünf Sekunden den 1,5-fachen Nennstrom.

Darüber hinaus sorgt der hohe Wirkungsgrad für eine hohe Energieeffizienz. Sollte eine höhere Leistung erforderlich sein, können mehrere Stromversorgungen parallelgeschaltet werden. Die optimierte Lastverteilung der Geräte ermöglicht einen Parallel­betrieb zur Redundanz und Leistungserhöhung. Ein niedriger Einschaltstrom erhöht zusätzlich die Verfügbarkeit und erleichtert die primärseitige Absicherung.

Künstliche Intelligenz (KI), autonomes Fahren (Car2x-Kommunikation) oder intelligente Produktion (Industrie 4.0) sind nur einige Anwendungsgebiete, die eine schnelle, effektive und sichere Infrastruktur benötigen.

Um diese bereitzustellen, schreitet auch der Ausbau der aktuellen 5G-Technik stetig voran und die Nachfolgetechnologie steht bereits in den Startlöchern (Bild 3).

Durch schnelleren und höheren mobilen Datenverkehr zwischen smarten Geräten, wachsen auch die Anforderungen an Technologien und Systeme. Die Folge: Netz- und Kommunikationstechnologien im Bereich der Infrastruktur müssen ebenfalls zukunftssicher gestaltet werden.

Das Beispiel des autonomen Fahrens verdeutlicht diese Zusammenhänge. Zur Reduzierung von Verkehrsunfällen werden enorme Datenmengen, die zwischen den Fahrzeugen untereinander und mit der Verkehrsinfrastruktur in Echtzeit ausgetauscht werden, benötigt. Da die Daten nicht nur versendet, sondern auch ausgewertet werden, sind zusätzlich zu einer hoher Rechenleistung auch entsprechend hohe Geschwindigkeiten der Kommunikationssysteme erforderlich.

Die besonders hohen Datenraten werden bei der zukünftigen 6G-Technologie jedoch auf Kosten der Sendereichweite erkauft. Zudem liegen die für 6G verwendeten Terahertz-Wellen mit ihrer Wellen-Charakteristik näher an Infrarotlicht als an Mikrowellen. Dies führt dazu, dass die Wellen auf ihrem Weg durch Objekte vor allem im städtischen Bereich abgelenkt und blockiert werden können. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, sind eine Vielzahl von Sende- und Empfangssystemen in der zukünftigen Infrastruktur erforderlich.

Eine zuverlässige Energieversorgung dieser dezentralen Systeme, z. B. Funkmasten sowie Sende- und Empfangssysteme, können kompakte, wartungsfreie und umweltfeste Stromversorgungen wie die Trio Power von Phoenix Contact mit einem weiten Eingangsspannungsbereich und einer 48-V_DC-Spannung sicherstellen.

Stromversorgung für eine hohe Anlagenverfügbarkeit

Speziell für Anwendungen im Infrastrukturbereich entwickelt, sorgt die Stromversorgung Trio Power für eine hohe Anlagenverfügbarkeit.

Durch den weiten Eingangsspannungsbereich sowie der Wahlmöglichkeit zwischen AC- und DC-Versorgung eignet sie sich ideal für Gleichstromnetze in der Bahntechnik und Telekommunikation. Der dynamische Boost fängt Anlaufströme und kurzzeitige Überlastsituationen im laufenden Betrieb sicher und ohne Einbruch der Ausgangsspannung ab. Zudem verfügt die Stromversorgung über eine hohe Schock-, Vibrations- und Spannungsfestigkeit.

Als Teil einer neuen dezentralen Architektur versorgt sie somit zuverlässig Feldelemente wie Weichen oder Signale.

* Sebastian Schöttler, Produktmarketing Power Supplies, Phoenix Contact Power Supplies, Paderborn.

* Nadine Schneider, Marketing Communications, Phoenix Contact Power Supplies, Paderborn.

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