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Lösungen
13/09/2018

Elektrisch stecken – optisch übertragen

Neue Wege in der Antriebssteuerung
Rainer Bussmann
Rainer Bussmann
Produktmanager, HARTING Electronics

Seit 2015 sind ICE-4-Züge auf den Strecken im DB Netz anzutreffen. Mit Geschwindigkeiten bis zu 275 Kilometern pro Stunde (km/h) sind sie überwiegend auf den Schnellfahrstrecken (SFS) unterwegs. In diesen Zügen steuern IGBT-Halbleiterelemente die leistungsstarken elektrischen Antriebe, deren Ansteuerung zur notwenigen galvanischen Trennung über Kunststofflichtwellenleiter (POF) realisiert wird. Leider waren die bisherigen Lösungen platzintensiv und empfindlich. Ein neuer miniaturisierter Lösungsweg erleichtert nun das Handling enorm.

IGBT

Eine neue Innovation der ICE-Züge sind sogenannte Powercars. Diese angetriebenen Wagen beinhalten jeweils komplette, von anderen Wagen unabhängige Traktionsanlagen mit Transformator, Stromrichter, Fahrmotoren und Treibradsätzen.Dadurch ergeben sich bei der Zugbildung weniger Zwangspunkte als bei Triebzügen, bei denen die Traktionskomponenten über mehrere Wagen verteilt sind. Jedes dieser Powercars erbringt eine Traktionsleistung von 1,65 MW und liefert eine Anfahrzugkraft von 75 kN. In den Traktionsstromrichter sind IGBT-Halbleitermodule verbaut. HARTING bietet nun einen neuen, miniaturisierten Lösungsweg in der IGBT-Ansteuerung, der das Handling enorm erleichtert. Durch eine elektrische Steckverbindung und optische Übertragung kombiniert HARTING die Vorteile aus zwei Übertragungstechniken.

Verdopplung der optischen Fasern

Um die hohen Spannungsunterschiede von Antrieb und Antriebssteuerung von Lokomotiven galvanisch zu trennen, kommen zur Signalübertragung optische Fasern zum Einsatz. Aus Sicherheits-gründen werden diese Übertragungsstrecken in Lokomotiven häufig redundant ausgeführt. Dies führt zu einer Verdopplung der notwendigen optischen Fasern. So benötigt ein dreiphasiger Motor alleine 6 Controller-Boards (2 IGBTs je Phase).

Bisher verfügte jede optische Faser über einen eigenen Transceiver-Anschluss auf dem Controller- und Driver-Board. Im Servicefall ist dies jedoch ungünstig, da optische Schnittstellen empfindlich sind und es viele einzelne Schnittstellen sorgfältig zu verbinden gilt. Zudem muss im Schadensfall das gesamte Controller-Board getauscht werden. Ein nicht unerheblicher zeitlicher und finanzieller Aufwand.

Gemeinsam mit etablierten Schienenfahrzeug-Herstellern hat HARTING die Lösung eines Übertragungsprinzips entwickelt, das die Verlagerung der Transceiver des Controller-Boards in ein steckbares Modul beinhaltet und auf diese Art und Weise die optische Schnittstelle nach dem Prinzip „elektrisch Stecken und optisch übertragen“ integriert. Für das elektrische Stecken und als Systemgehäuse verwendet HARTING Lösungen aus der DIN 41612-Baureihe, die die hohen Anforderungen des Bahnmarktes hinsichtlich Robustheit, EMV und Schock- und Vibrationen (IEC 61373) erfüllen.

Dem Kunden wird durch das Multifibre-Module das gleichzeitige Kontaktieren von bis zu 16 optischen Kanälen auf kleinstem Bauraum ermöglicht. Installation und Service können in der Folge vereinfacht und verkürzt werden. Die Integration der optischen Schnittstellen in einen schnell wechselbaren Steckverbinder macht den Service der verwendeten Controllerboards schneller, einfacher und kostengünstiger.

Robust und gutes Durchlassverhalten

IGBTs sind eine Weiterentwicklung des vertikalen Leistungs-MOSFETs. Ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBT) ist ein Halbleiterbauelement, dass in der Leistungselektronik verwendet wird, da es Vorteile des Bipolartransistors (gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung, Robustheit) und Vorteile eines Feldeffekttransistors (nahezu leistungslose Ansteuerung) vereinigt.

Es gibt vier verschiedene Grundtypen von IGBTs. Je nach Dotierung des Grundmaterials lassen sich n- und p-Kanal-IGBTs herstellen. Diese unterteilen sich jeweils in einen selbstleitenden und einen selbstsperrenden Typ. Diese Eigenschaft ist im Rahmen des Herstellungsprozesses wählbar. In den Schaltsymbolen ist bei selbstleitenden IGBTs, auch als Verarmungs-Typ bezeichnet, eine durchgezogene Linie zwischen den Anschlüssen Kollektor (C) und Emitter (E) gezeichnet. Diese Linie ist bei den selbstsperrenden Typen, auch Anreicherungs-Typ bezeichnet, unterbrochen dargestellt. Der Gate-Anschluss (G) dient bei allen Typen als Steueranschluss.

DIN-Norm DIN 41612

Die DIN-Norm DIN 41612, umgangssprachlich als VG-Leiste bezeichnet, definierte Bauformen von Steckverbindern, welche primär zur mehrpoligen elektrischen Verbindung von Leiterplatten im Bereich der Niederspannung dienen. Die Norm bestand aus mehreren Teilen und wurde im Februar 1999 durch die Europäische Norm EN 60603-2, auch bekannt als IEC 60603-2, ersetzt.

Die Klasse dieser Steckverbinder besteht aus insgesamt 13 verschiedenen Grundbauformen und vielen, meist herstellerspezifischen, abgeleiteten Versionen. Alle diese Steckverbinder werden im Bereich von 19" Racks nach der Norm DIN 41494 zur Verbindung zwischen den Einschubkarten, welche üblicherweise im Format von Europakarten gestaltet sind, und der dahinter im Gestell untergebrachten Busleiterplatte eingesetzt. Die Polanzahl der Stecker reicht von 20 bis 160 Pins.

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