列車を動かし続け、新技術の要求に応える

低速の都市交通から高速の都市間列車までの推進システムの重要な要素は、カテナリーであれディーゼルエンジンであれ、動力源からの電力を変換して電気モーターを駆動するトラクション・コンバーターである。

トラクション・コンバータは、AC電源に接続する場合は整流器、DCグリッドに直接接続する場合はフィルタ、およびモータを駆動するインバータで構成される。DCリンクは整流器またはDCグリッドとインバータ間の接続です。持続可能な性能を保証するためには、負荷に関係なく一定のDCリンク電圧が必要です。レギュレーションを実行するには、電圧レベルの信頼できる測定が不可欠です。このタスクを実行するための重要なコンポーネントが電圧変換器です。

図1：トラクション・ドライブ・システム 

列車は、極端な温度、乾燥、湿度などの厳しい環境条件の地域を走行する必要があり、トラクション・コンバーターとそのコンポーネントには大きなストレスがかかります。さらに、パワーエレクトロニクスの技術の進化は、大きな利点をもたらす一方で、新たな制約がコンポーネントの挙動に影響を与えることを意味します。この進化がトラクション・コンバーターにもたらす主な利点は、半導体産業からもたらされるもので、スイッチング周波数の向上により、損失を大幅に削減し、よりコンパクトな設計を可能にします。欠点は、高い磁界と高いコモンモード摂動であり、電圧変換器はこれらの摂動から大きな影響を受けます。

LEMの実績ある特許技術を使用したDVMトランスデューサーが適切なソリューションである理由です。外部磁界に対して極めて高い耐性を持ち、DCリンク電圧の最大値よりも高い部分放電レベルを持っています。コンパクトな設計、優れた精度、温度によるドリフトが極めて小さく、高いコモンモードdv/dt摂動に耐える能力を備えたDVMは、DCリンク電圧測定に最適です。

LEMはDVL技術（2012年に発売）に基づく電圧変換器の新シリーズを設計しました。その結果、DVMシリーズ電圧トランスデューサーは、600～4200 VRMS（6つのリファレンスでカバー-図2）の公称電圧測定に対応し、DVLシリーズで測定される最高公称電圧である2000 VRMS以上の電圧測定を拡張する方法となりました。動作には、一次側に抵抗を追加することなく、測定電圧に接続するだけでよく、標準DC電源範囲は±13.5 V～±26.4 Vです。

図2：DVM電圧変換器シリーズ（600～4200 VRMS 

一次電圧がゼロより高い場合、電流出力に設定した場合、変換器は最大30mA（最大内部消費電流）と出力電流（通常、公称値で50mA）を消費します。

DVMは、従来のLEM製品の長所をすべて兼ね備え、新しいEMC要求事項をすべて満たしています。この製品シリーズはIRISおよびISO 9001規格に従って設計されており、以下の4つの性能で旧世代製品とは一線を画しています： 

• 約30mAの低消費電力
• 周波数帯域幅 12kHz
• 安全絶縁 12 kV
• 温度精度が非常に高い

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図3の左側、入力電圧が通常±4.2kVとなる一次側からスタートし、初段は電源を数ボルトまで下げる分圧器で、熱ドリフトを抑えながら高いdv/dtに耐えることができる。その後、シグマ・デルタ変調器が信号をアナログから16ビット出力としてデジタルに変換する。 

続いてデジタル・エンコーダが1つのシリアル信号を生成し、1つの絶縁されたチャンネルでデータを伝送します。その後、アンプが信号を一次側トランスに送り、目的のガルバニック絶縁を実現します。 

最後に、製品の絶縁試験電圧は最大12kVである。 

したがって、変圧器はこのような高い試験電圧に耐える必要があり、同時に絶縁の寿命も保証される。 

この保証は、一次側と二次側の間に5kVの電圧を印加したときに、10ピコ・クーロン以下の部分放電が確保された場合にのみ可能です。DVMはこの性能を達成するために特別に設計されています。 

二次側では、ビット・ストリームがデコードされ、デジタル・フィルターによってフィルターされる。一次信号の矩形波はトランスによって歪んでいるため、トランスの二次側ではシュミット・トリガーを使って矩形波に戻す。このデコーダとデジタル・フィルタの機能は、データ・ビット・ストリームを、マイクロコントローラ内のデジタル・アナログ変換器で使用できる標準デジタル値にデコードすることである。回復された出力信号は、一次側（高電圧）に対して完全に絶縁されており、一次側電圧を正確に表現しています。 

トランスデューサーは、マイクロコントローラーによってプログラムされたゲインを変更することによって、異なるレンジに簡単に適合させることができる。このため、トランスの設計や、筐体内の回路基板の組み立て設計を変更する必要はありません。マイクロコントローラーは、ソフトウェアでオフセットをキャンセルしてゲインを調整し、信号をデジタルからアナログ出力に変換します。マイクロコントローラーは、デジタル・フィルターから12ビットD/Aコンバーターへ約6μsの転送時間でデータを転送する。アナログ出力電圧はフィルターにかけられ、短絡から保護された電流発生器を使用して電流（フルスケール±75 mA）に変換されます。 

マイクロコントローラーは、内部の二次側安定化電源電圧を生成するDC/DCコンバーターも制御します。DVMユーザーは通常±24Vまたは±15VのDC電圧を供給し、DC/DCコンバーターは一次側で±5Vと±3.3Vのシグマ・デルタ・コンバーターとデジタル・エンコーダーへの供給を可能にします。追加回路は回路図の上部にグループとして示されており、DC/DCコンバーターの周波数はマイクロコントローラーによって与えられます。 

マイクロコントローラーの右側にある最後のブロックは、電磁両立性（EMC）規制に準拠するため、公称電圧で通常50 mAの電流出力を希望する顧客向けの電圧-電流コンバーターである。低インピーダンスの電流出力は、外部電磁界からの干渉を受けにくい。公称電圧で10 Vの電圧出力バージョンもあり、ユニポーラ測定用の4～20 mA出力もあります。 

図3：DVM技術：絶縁デジタル技術の動作原理 

常温でVPNの±0.5%の標準精度を持つDVMは、温度ドリフトが極めて小さく、-40℃～85℃の動作温度範囲でVPNの±1%の標準精度を示します。25℃での初期オフセットは最大50μAで、動作温度範囲での可能な最大ドリフトは±100μA（代表値）です。直線性はわずか±0.1%。  

VPNでの電圧ステップに対するDVMトランスデューサの典型的な応答時間（VPNの90％で定義）は48μs（最大60μs）です。高速応答時間の結果、-3 dBで12 kHzの広い帯域幅が確認されています。

LEMは、旧世代のLEM電圧変換器（LV 100ファミリー）と互換性があり、その性能を上回るよう新製品を設計しました。重要な特徴と機能には、機能と性能の面で100％互換性があり、精度と温度安定性のレベルが向上しているため、レトロフィットが大幅に簡素化されています。 

DVMシリーズは、ベースマウントのフットプリントに100％の互換性がありますが、一次および二次接続位置などの外形寸法に若干の違いがあります。新しい設計により、DVMは高さが30%小さくなり、全体の容積が25%減少し、56%軽量化されています！(図4 )

図4：アウトラインDVM vs LV 100-VOLTAGE

DVMの小型化は、プリント回路と機構設計に適用された高度に集中した内部電子設計のおかげで、外部環境の摂動や高電圧変動に対するDVMの高い耐性を損なうことはありません（図5）。 

図5：6 kV/usのdv/dt（4200 V印加）に対するDVM 4000の典型的なコモンモード動作：VPNの0.5%のみがエラーとして発生し、回復時間は50μs未満。 

6 kV/us および 4200 V を印加した場合の共通モード条件で生じる誤差は、DVM 4000 では VPN の 0.5% に制限され、回復時間は 50μs 未満と短くなりますが、同じテスト条件で同等の LV 100-VOLTAGE を使用すると、不正確さが最大 ​​18% にまで増加し、回復時間は 500μs になる可能性があります。

DVMの寄生容量が低いため、ダイナミック・コモン・モードの影響はほぼ打ち消される（精度に含まれる）（図5）。これは、IGBTやMOSFET SICのような新技術が、一次側と 二次側の間でより高いdv/dtを提供するため、重要な特性である。二次側は、安全上の理由から一般的にアースに接続される。一次側では差動電圧を測定しますが、電圧は浮動する可能性があります。一次側の電位変化は二次側に摂動を引き起こす可能性があり、これをフィルタリングしないと応答時間が短くなるため、一次側と二次側の間の寄生容量をトランスデューサの設計内で可能な限り小さくする必要があります。 

前世代の電圧変換器LV 100-VOLTAGEモデルは、クローズド・ループ・モードのホール効果技術に基づいており、磁気回路を使用しているため、DVMが磁気回路を使用していない外部磁界の影響を受けやすくなっています。 

DVMは、入力電圧に応じた入力アイソレータのサイズや、コネクタ、シールドケーブル、端子（ねじスタッド、M4、M5、インサート、UNCなど）など、お客様の仕様に応じた二次側の接続に簡単に対応できます。 

DVMモデルは、トラクションおよびインダストリー・アプリケーションのための最新の世界標準に従って設計およびテストされています。鉄道アプリケーションにおけるEN 50155規格「鉄道車両に使用される電子機器」は、電気的、環境的、機械的パラメータに関する参照規格です。これは、鉄道環境における製品の総合的な性能を保証するものです。産業用には、ドライブアプリケーション用のIEC 61800、ソーラーアプリケーション用のIEC 62109、安全用のIEC 61010があります。 

前述したように、DVMの機械的設計には、高電圧レートで低レベルの部分放電を保証するために特別な注意が払われている。消滅部分放電電圧（> 5kV）が高ければ高いほど、通常定義された機能中に放電が起こらないため、より優れている。部分放電レベルは10pCに定義されている。 

電圧が上昇するにつれて、どのような製品においても通常は逆電位の2点間で部分的な破壊放電が始まる。放電レベルを維持すると、時間の経過とともに製品の絶縁性が低下し、やがて故障に至るまで製品の品質に支障をきたすようになります。これらの放電は発火電圧と呼ばれるレベルで起こり、通常、印加電圧（消滅電圧）を減少させたときに10ピコクーロムのレベルに達すると消滅すると定義されています。通常、消滅電圧は発火電圧より常に低い。 

長寿命の製品を確保するためには、もちろん、消滅電圧を通常の使用電圧率よりも高いレベルにすることが目標である。 

600～4200VRMSの公称電圧を測定するように定義された製品の場合、5kVの消滅電圧により、DVMの使用はこれを保証します。 

温度サイクルや規格に準拠した製品の完全な特性評価を含む、故障率を推定するための加速試験が実施されています。デジタル技術にリンクした絶縁トランスを使用した革新的な設計により、DVMモデルはピーク5kVまでの高電圧アプリケーションの絶縁および部分放電レベルを保証します。