Bahntechnik Wie zuverlässig sind Bahnstromversorgungen wirklich?

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Stromversorgungen müssen zuverlässig sein – das gilt vor allem auch für Anwendungen in der Bahntechnik. Wir verraten Ihnen, was hinter dem Begriff Zuverlässigkeit steckt und wie sie sich beurteilen lässt.

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Bahnanwendungen: Von dort eingesetzten Spannungsversorgungen wird höchste Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit erwartet.
Bahnanwendungen: Von dort eingesetzten Spannungsversorgungen wird höchste Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit erwartet.
(Bild: Deutsche Bahn AG)

Ohne eine zuverlässige Spannungsversorgung gibt es keine stabilen Prozesse bei elektrischen und elektronischen Systemen – und das gilt selbstverständlich auch für Schienenfahrzeuge und Trolleybusse. Spannungswandler sind für die unterbrechungsfreie Versorgung von Antriebsgeräten, Sensorik und Prozessrechnern verantwortlich. Batterieladegeräte sorgen für eine stabile Bordnetzversorgung. Notstarteinrichtungen ermöglichen den Fahrzeugstart bei Fahrzeugen ohne zusätzliche Notstartbatterien, die sehr pflegeintensiv sind.

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Je nach Einsatz oder Anwendungsbereich sind einige Betrachtungen zur Zuverlässigkeit eines Systems von Bedeutung: Über welchen Zeitraum muss ein System funktionieren? Wie hoch ist der Wartungsaufwand dabei? Was sind die Auswirkungen bei einem eventuellen Ausfall? Ist der MTBF-Wert überhaupt ein zuverlässiger Qualitätsidentikator? Im Begriff MTBF (Mean Time Between Failure) steckt das Wort „Fehler“ – wie aber ist dieser Fehler definiert? Gesamtausfall, Teilausfall einer Komponente des Geräts, …? Auf all diese Fragen soll dieser Beitrag eingehen und verlässliche Anhaltspunkte zur Auswahl von Spannungswandlern liefern.

Zunächst müssen die Randbedingungen definiert werden

Zur Beurteilung einer Spannungsversorgung müssen zunächst einmal die Randbedingungen des geplanten Einsatzes definiert sein. Konkret heißt das, die elektrischen (incl. EMV-Störfestigkeit), thermischen, mechanischen und Umweltanforderungen in einer Spezifikation sind eindeutig festzulegen. Dies geschieht beispielsweise in den bekannten Standards EN 50155 und EN 50121-3-2 für Bahnanwendungen.

Liegen die Einsatzbedingungen fest, können Vergleiche via Datenblatt, besser aber über den konkreten Messvergleich vorgenommen werden. Wirkungsgrad, Leerlauf- und Kurzschlussfestigkeit, Genauigkeit der Spannung, Drift als Funktion der Umgebungstemperatur, Strom und Alterung, Art der Strombegrenzung, Leerlaufstrom, Schaltfrequenz, Ripple&Spikes sowie Angaben zur EMV sind typische Vergleichsgrößen. Was aber, wenn dazu keine Ressourcen vorhanden sind?

Glücklich ist, wer dabei dann auf vertraute Quellen zurückgreifen kann. Um jedoch das immer häufiger geforderte Benchmarking bei Auftragsvergabe umzusetzen, um leistungsfähige neue Anbieter qualifizieren zu können, muss letztendlich aber doch irgendwie zwischen verschiedenen Angeboten verglichen werden. Hier setzen die Spezialisten bei Grau Elektronik auf völlig transparente und nachvollziehbare Prozesse. „Nicht verschleiern, sondern lüften“ lautet das Credo – und davon können dann alle profitieren.

Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit nicht verwechseln

Zurück zur Angabe der MTBF, die Aussagen sowohl zur Zuverlässigkeit als auch zur Verfügbarkeit macht. Die beiden Begriffe dürfen nicht verwechselt werden und führen dennoch manchmal zur Verwirrung. Ein Beispiel: Eine Person, z.B. eine Reinigungskraft, bezeichnet man als sehr zuverlässig, wenn sie etwa pünktlich zweimal pro Woche immer zur gleichen Zeit zum Putzen kommt und jedes Mal sehr sauber reinigt. Deshalb muss sie aber keineswegs kontinuierlich verfügbar sein!

Bei langlebigen Produkten und Systemen wie Schienenfahrzeugen mit 25 bis 30 Jahren Nutzungsdauer ist sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Verfügbarkeit der Systeme entscheidend. Bezogen auf Fahrzeuge bedeutet das: Sobald ein Fahrzeug startet, soll es zuverlässig, das heißt ohne Einschränkung oder gar Ausfall, mindestens bis zum Erreichen des Fahrziels funktionieren. Die Verfügbarkeit bedeutet dabei, dass das System zu einem bestimmten Zeitpunkt zuverlässig funktioniert. Dabei gelten die folgenden Zusammenhänge:

R = e–t/MTBF (1)

A = MTBF/(MTBF + MTTR) (2)

Dabei gilt: R (Reliability) = Zuverlässigkeit, A (Availability) = Verfügbarkeit, MTTR (Mean Time To Repair) = Zeitdauer, bis ein ausgefallenes System wieder voll funktioniert.

Für einen Spannungswandler ist es kaum sinnvoll einen MTTR-Wert zu spezifizieren, da dieser im Normalfall nicht auf dem Fahrzeug repariert wird, um die Fahrzeugfunktion wieder herzustellen. Mit einer guten Ersatzeil- und Wartungsplanung lassen sich bezogen auf ein Fahrzeug diese Werte optimieren.

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