Im Zeichen des Klimawandels und noch zusätzlich verstärkt durch die aktuelle Versorgungskrise mit fossilen Brennstoffen, gewinnt die Bahn zunehmend an Bedeutung. Wenn in Zukunft immer mehr Personen und Güter über die Schiene transportiert werden sollen, steigt folglich die Nachfrage nach neuen Schienenfahrzeugen. In ihnen steckt deutlich mehr Elektronik als früher, womit auch der Bedarf an Stromversorgungen zunimmt. Auch an Gleichstromwandler werden dabei von Seiten der Bahntechnik spezifische Anforderungen gestellt, niedergelegt in einer Vielzahl von Normen und Vorschriften. Dieser Beitrag erklärt die wichtigsten Vorgaben, die es bei der Entwicklung von elektronischen Geräten zum Einsatz in europäischen Schienenfahrzeugen zu beachten gilt.

Die Basis

Grundlage für jede Entwicklung ist die EN 50155 (VDE 0115-200) „Bahnanwendungen – Elektronische Einrichtungen auf Schienenfahrzeugen”. Sie beschreibt die grundlegenden Anforderungen an Hard- und Software, die zuverlässige, bahnkonforme Betriebsmittel erfüllen müssen, wenn sie in Schienenfahrzeugen installiert sind. Als elektronische Betriebsmittel werden dabei Systeme verstanden, die aus elektronischen Bauelementen, wie etwa Widerständen, Kondensatoren, Transistoren, aber auch gewickelten Komponenten und Relais sowie Steckverbindern und mechanischen Teilen aufgebaut sind. Sensoren, etwa für Spannung, Strom, Geschwindigkeit werden davon ebenso erfasst, wie Ansteuereinheiten für Leistungshalbleiter von leistungselektronischen Einrichtungen. 

Diese Norm kümmert sich um das Design und Betriebsbedingungen ebenso, wie um die Dokumentation und Prüfung dieser elektronischen Betriebsmittel. Beispielsweise muss die Nennspannung einer zulässigen Spannungsversorgung aus Werten zwischen 24 Volt und 110 Volt gewählt werden. Diese dürfen maximalen Schwankungen von 0,6UN und 1,4UN unterliegen. Sofern sie nicht länger als 0,1 Sekunden andauern und keine Abweichung der Funktion bewirken. Auch der Gleichspannungs-Welligkeitsfaktor und das Verhalten bei Unterbrechung der Spannungsversorgung werden hier berücksichtigt. Zwar will die Norm kein ausführlicher Leitfaden zur Konzeption dieser Systeme sein, im Anhang geben ihre Verfasser trotzdem Empfehlungen ab, soweit sie den spezifischen Ein- oder Anbauort in Bahnfahrzeugen betreffen. Die Anforderungen an die Software sind in EN 50657 festgelegt.

Prüfungen für Schwingen und Schocken 

Die installierten Geräte sind in der Bahn noch immer Vibrationen und Stößen ausgesetzt. Die EN 61373 (VDE 0115-106) „Betriebsmittel von Bahnfahrzeugen – Prüfungen für Schwingen und Schocken” kümmert sich daher um die Kontrolle aller Betriebsmittel und Komponenten, die an oder in Schienenfahrzeugen eingebaut sind. Seien sie nun pneumatischer, elektrischer oder elektronischer Art. Vom Gerät selbst erzeugte Schwingungen sind dabei nicht Gegenstand der Untersuchung.

Auch wenn die Festigkeit der Betriebsmittel während der Entwicklung mit sinusförmiger Anregung getestet werden kann, zur Zertifizierung ist nur „rauschförmiges Schwingen” zulässig. Die Prüfpegel richten sich dabei ausschließlich nach der Position des betreffenden Geräts im Schienenfahrzeug. Ob es beispielsweise im Drehgestell oder Fahrzeugkasten montiert ist. Um möglichst realistische Ergebnisse zu erzielen, wurden die Prüfpegel anhand von realen Messungen verschiedener Bahngesellschaften weltweit erarbeitet. Ausdrücklich weisen die Verfasser dieser Norm darauf hin, dass bei Anwendung und Auslegung dieser Prüfungen technisches Urteilsvermögen und Erfahrung erforderlich ist.

Elektromagnetische Verträglichkeit

Auch in Schienenfahrzeugen müssen elektronische Geräte einerseits gegen elektromagnetische Einflüsse von außen geschützt sein und dürfen andererseits keine Störstrahlung emittieren. Die dafür zuständigen Vorgaben finden sich in der DIN EN 50121 (VDE 0115-121-1:2017) „Bahnanwendungen – Elektromagnetische Verträglichkeit”, die aus insgesamt vier Teilen besteht. 
Der erste Teil zählt allgemein die Kriterien für die Bewertung des Betriebsverhaltens während sowie nach der Prüfung der Störfestigkeit auf. Es finden sich darin Hinweise zur Durchführung eines EMV-Planverfahrens ebenso, wie generelle Betrachtungen über die Besonderheiten elektromagnetischer Verträglichkeit in Bahnfahrzeugen.

Teil 3-2 beschäftigt sich dann explizit mit Bahnfahrzeugen und Geräten.  Er erläutert die Messverfahren, um deren Störaussendung sowie Störfestigkeit zu ermitteln. Die damit einhergehenden Grenzwerte erstrecken sich über einen Frequenzbereich von 0 Hz bis 400 GHz. In den Anhängen listet die Norm typische Beispiele der von ihr erfassten Geräte auf. Unter anderem ist dort auch der Messaufbau für leitungsgeführte Störgrößen im Frequenzbereich von 9 kHz bis 30 MHz, wie sie von Leistungsstromrichtern ausgehen, beschrieben. 

Äußere Einflüsse

Die EN 50125 (VDE 0115-108) „Umweltbedingungen für Betriebsmittel” kümmert sich schließlich um die äußeren Einflüsse, denen Geräte in und an Schienenfahrzeugen ausgesetzt sind. Sie berücksichtigt Umweltbedingungen mit denen elektronische Betriebsmittel in Europa üblicherweise in Berührung kommen. Das beginnt bei Höhenlage, Temperatur und Sonnenstrahlung, setzt sich fort über Luftfeuchte, Wind, Regen, Blitz und Hagel sowie Schnee und Eis. Auch Verschmutzungen, Schwingungen und Stöße sowie elektromagnetische Störungen werden behandelt. Mit noch härteren Bedingungen befasst sich die EN 16251.

Autor
Torsten Keinath, Entwicklungsleiter