Azionamenti elettrici per i mezzi di trazione

[Fabrizio]

Parliamo un po' di treni reali, in particolare del tipo di azionamento dei mezzi di trazione elettici. Ogni mezzo di trazione elettrico (locomotiva, elettrotreno o elettromotrice) è infatti dotato di motori e di un sistema per la regolazione degli stessi per permettere la marcia a velocità varibile del treno.

Esistono essenzialmente due sistemi per la regolazione della velocità di un treno:

- azionamenti di tipo reostatico, sono quelli più vecchi e adottati fino alla fine degli anni '80 su tutti i mezzi di trazione.

- azionamenti di tipo elettronico, sono quelli maggiormente in uso e si sono diffusi dalla metà degli anni '80 e sono oggi ampiamente usati.

Azionamenti di tipo reostatico

Hanno fatto la loro comparsa sin dai tempi in cui sono state elettrificate in corrente continua tutte le principali linee ferroviarie italiane, parliamo quindi degli anni '20 e '30 del secolo scorso. La prima locomotiva elettrica italiana a usare azionamenti di questo tipo è stata la E626. Il treno è alimentato dalla catenaria in corrente continua, i motori del mezzo di trazione sono dei motori in corrente continua. La regolazione di velocità è essenzialmente ottenuta variando la tensione di alimentazione dei motori. Ciascun mezzo di trazione è dotato di più motori e la regolazione di tensione si ottiene collegando in serie o in parallelo i motori presenti a bordo. Inizialmente i motori sono collegati tutti in serie, e vengono alimentati ciascuno da una tensione minore, viaggiano quindi a bassa velocità. Mano a mano che il treno accelera i motori vengono collegati in parallelo, fino a che ogni motore non è alimentato alla tensione massima e raggiunge la massima velocità. Il passaggio fra le configuarazioni in serie e parallelo avviene tramite il combinatore, inserendo, nelle fasi intermedie, dei reostati, da qui il nome reostatici. Ne risulta un certo numero di configuarazioni possibili, e quindi una velocità che varia essenzialmente "a gradini". I motori del tipo in corrente continua hanno il vantaggio di permettere una facile regolazione della velocità semplicemente variando la tensione di alimentazione, ma hanno lo svantaggio di essere pesanti e delicati, richiedendo una accurata manutenzione, dovuta soprattutto alla presenza del collettore e alla presenza delle spazzole. Le spazzole e il collettore sono elementi striscianti, sottoposti a una forte usura.

Azionamenti di tipo elettronico

Si sono diffusi dalla seconda metà degli anni '80. Esistono essenzialmente azionamenti in corrente continua e in corrente alternata.

Gli azionamenti per corrente continua, i più vecchi, sono installati su locomotive che hanno i motori in corrente continua. Sono si questo tipo gli azionamenti installati sulle locomotive E632, E633, E652, ETR 450 e ALe 724 e derivati. In questo tipo di azionamenti il motore è sempre in corrente continua e la regolazione di velocità si ottiene sempre variando la tensione di alimentazione dei motori. Tuttavia, rispetto agli azionamenti reostatici, la variazione della tensione non è ottenuta collegando in serie o in parallelo i motori ma bensì direttamente per via elettronica. Questo permette di ottenere una notevole semplificazione nei circuiti di comando e una variazione di tensione (e quindi di velocità) lineare, rimane però lo svantaggio di avere il motore in corrente continua, con gli svantaggi elencati precedentemente.

Gli azionamenti per corrente alternata sono gli utlimi arrivati e comandano motori asincroni trifase. La tensione continua captata dai pantografi viene trasformata in alternata attraverso gli inverter, dipositivi dotati di tiristori GTO o IGBT. Sono di questo tipo tutti gli azionamenti installati sui moderni mezzi di trazione, quali E402, E412, E405, E404, ETR 485, ETR 600 ed ETR 610 nonchè sui complessi TAF, TSR Minuetto e comunque su tutti i mezzi recenti. La variazione di velocità si ottiene non più variando la tensione ma variando la frequenza. Il grosso vantaggio risiede nel fatto che gli azionamenti di questo tipo hanno motori asincroni trifase anzichè motori in corrente continua. Questi motori sono più leggeri e soprattutto non sono dotati di elementi stricianti, necessitano quindi di pochissima manutenzione.
Su tutti i moderni mezzi di trazione i motori in corrente continua sono quindi stati abbandonati in favore dell'uso dei motori asincroni pilotati da azionamenti a inverter. I primi mezzi di trazione con azionamenti di questo tipo furono le E402, entrate in servizio nei prima anni '90 e dotate di inverter a SCR. Attualmente le ultime locomotive elettriche sono dotate di inverter a IGBT, più performanti. Esistono anche azionamenti dotati di motori sincroni in luogo degli asincroni, come ad esempio quelli installati sui convogli TGV e AGV (italo).

[marioscd]

Il vecchio motore trifase, colonna portante dell'elettrificazione pionieristica italiana, abbandonato nel tempo a favore del più versatile motore in corrente continua, all'alba degli anni '90 torna trionfalmente! In veste differente e con l'ausilio dell'elettronica... corsi e ricorsi ferroviari storici!!

ciao

[liftman]

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Su tutti i moderni mezzi di trazione i motori in corrente continua sono quindi stati abbandonati in favore dell'uso dei motori asincroni pilotati da azionamenti a inverter. I primi mezzi di trazione con azionamenti di questo tipo furono le E402, entrate in servizio nei prima anni '90 e dotate di inverter a SCR.
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scusa ma... le mie reminescenze elettroniche mi dicono che gli SCR si usavano per le correnti continue, mentre (sempre secondo le reminescenze...) per l'alternata si usavano i TRIAC.

Ovviamente io mi occupavo di elettronica per modo di dire, quindi è probabile che i miei 3 neuroni siano andati a "signorine allegre"e che abbia preso fischi per fiaschi....

[Fabrizio]

@Mario: si, il motore asincrono trifase torna dopo quasi 60anni, grazie allo svliuppo dell'elettronica. A quei tempi il motore in cc ha avuto la meglio, poi grazie all'elettronica in motore asincrono trifase è tornato in carreggiata.

@Rolando: anche io di elettronica non sono una cima, soprattutto non mi raccapezzo molto bene con i nomi, soprattutto quelli più datati. Questo anche perchè in elettronica molti nomi dipendono da cosa si intende e cosa si analizza, per certi si intende il complesso di più componenti e allora si da un nome al complesso e un altro ai componenti. Questo porta a equivoci durante i discorsi, perchè magari uno intende il componente, l'altro il complesso e allora non ci si capisce. Comunque da quanto mi sembra di aver capito un triac è composto di due scr in antiparallelo, questo in modo da rendere reversibile l'azionamento. Il scr è essenzialmente un "diodo" la cui chiusura è comandata. Dal lato anodo deve necessariamente essere presente una tensione continua, dal lato catodo si ottiene una tensione il cui valore può essere regolato tramite l'accensione e lo spegnimento dello stesso. Se gli intevalli di accensione nel tempo si mantengono costanti si ottiene in uscita una tensione di valore medio costante nel tempo, ottenendo così un chopper, se invece gli intervalli vengono variati nel tempo è possibile ottenere in uscita segnali variabili nel tempo ottenendo così un inverter. Del triac non mi sono mai occupato profondamente, ma mi pare che si usi per ottenere un azionamento reversibile in corrente alternata da entrambi i lati. Tuttavia nel caso degli azionamenti per la trazione elettrica, ai tempi in cui si usavano triac ed scr, da un lato si aveva sempre tensione continua. L'azionamento è però reversibile, quindi a mio parere di TRIAC doveva trattarsi. Oggi invece si usano anche azionamenti CA/CA, ma gli SCR e i TRIAC sono ormai un ricordo, in quanto si usano oggi tiristori di tipo IGBT o al più ancora qualche GTO. In riferimento all'azionamento a SCR delle locomotive E402 (che poi sono solo le E402A e E402P, ppichè le E402B sono dotate di tiristori GTO) ho dedotto questo da alcuni testi, ma non mi sono preso la briga di osservare lo schema dell'azionamento, quindi potrebbe benissimo essere che ci siano scritte cose "errate". Ma da come mi pare di aver capito, essendo il triac composto di due SCR in antiparallelo, allora se uno dice che l'azionamento è a SCR o TRIAC, sembrerebbe si tratti solo di mettersi d'accordo su cosa si intende come "cella elementare". Se hai il tempo e la voglia di approfondire, ovviamente, tanto di guadagnato soprattutto perchè io, essendo ancora giovane, non conosco a fondo ciò che è il passato dell'elettronica, mentre mi piacerebbe saperlo.

[giuseppe_risso]

si, il motore asincrono trifase torna dopo quasi 60anni, grazie allo svliuppo dell'elettronica. A quei tempi il motore in cc ha avuto la meglio, poi grazie all'elettronica in motore asincrono trifase è tornato in carreggiata.

Questa proprio non la sapevo.
Quando si parla di trifase si pensa solo al passato, e invece...

[Fabrizio]

Già Giuseppe, proprio così. E' tornato in grande forma il motore trifase. La linea aerea è sempre in corrente continua o monofase, ma all'interno della macchina viene generato un sitema trifase. Si sono risolti con l'elettronica i problemi dovuti alla complicazione del doppio filo di contatto e di regolazione che avevano i sistemi trifase dei tempi pionieristici. Il vantaggio nell'uso dei motori trifase a gabbia di scoiattolo è innegabile. Molto più leggero, senza elementi striscianti, di facile costruzione e con una caratteristica meccanica che, usando l'elettronica, si adatta molto bene alle caratteristiche della trazione.

[marioscd]

e, sempre grazie all'elettronica, possiamo permetterci non solo che i motori siano trifase ma anche che le macchine siano politensioni! oggi l'alimentazione da catenaria in corrente continua oppure in corrente alternata (sistema Italiano delle linee storiche il primo, sistema "italiano TAV e resto d'Europa" il secondo) non è più un problema. Con i trasformatori si adattano le tensioni alternate, con i diodi di potenza si raddrizzano le tensioni, con i GTO e IGBT si realizzano i circuiti di azionamento... poi ci pensano le amministrazioni ferroviarie nazionali a mettere i bastoni tra le ruote e impedire l'interoperabilità, ma questo è un'altro problema, burocratico e non tecnico...!

ciao

[Fabrizio]

Giustissimo Mario, con le locomotive ad azionamento elettronico la caratteristica della tensione di alimentazione non è più un grosso problema. Oltre a questi vantaggi, da non dimenticare il rendimento più elevato e la possibilità di ottenere in maniera più semplice sia la frenatura elettrica a recupero di energia che la marcia in modalità automatica o semiautomatica. In merito alla frenatura elettrica a recupero di energia, c'è da dire che oltre a considerazioni energetiche, si deve tenere presente il fattore riscaldamento all'interno delle sempre più numerose lunghe gallerie. La frenatura dissipativa infatti produce notevoli quantità di calore, che se emesse all'interno delle lunghe gallerie in fase di discesa, possono generare problemi termici. Un caso embelmatico è la metropolitana di Londra, che soffre proprio di questi problemi.

[Fabrizio]

Riprendo questo argomento perché vorrei saperne di più sulle tecniche di regolazione utilizzate per il controllo delle moderne locomotive dotate di azionamenti con motori asincroni trifase.

In particolare, osservando due diagrammi sforzo di trazione-velocità, noto che ci sono delle differenze:

Diagramma sforzo di trazione-velocità del TAF

63,26 KB

Diagramma sforzo di trazione-velocità del ETR 400

79,68 KB

Nel diagramma del TAF c'è un primo tratto lineare, ovvero dove, all'aumentare della velocità, lo sforzo di trazione rimane costante.
Partendo dal presupposto che lo sforzo di trazione sia direttamente proporzionale alla coppia erogata dai motori e che la potenza erogata dal mezzo sia P=coppia"velocità, ipotizzo dunque che, nel TAF, la potenza assorbita dal mezzo vada crescendo in una prima fase (fino a 60 km/h), poi ci sia una fase di lavoro a potenza costante.

Sapendo che un TAF è capace di erogare fino a 3640 kW, ipotizzo quindi che, in una prima fase, la potenza assorbita dal mezzo possa passare da un certo valore fino a 3640 kW, accelerando quindi costantemente fino ai 60 km/h, poi la potenza assorbita si stabilizzi sui 3640 kW, quindi la velocità tenda ad aumentare fino ai 140 km/h, ma con valori di accelerazione decrescenti.

Qualcuno di voi ne sa di più a riguardo di queste cose, ovvero può dirci qualcosa su come viene gestita la potenza sui moderni mezzi elettronici?

Ciao

Fabrizio