DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DEI TRASPORTI Corso di Tecnica e gestione dei trasporti Prof. Luigi Biggiero ITS Mobilità Sostenibile Trasporto Ferroviario.

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1 DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DEI TRASPORTI Corso di Tecnica e gestione dei trasporti Prof. Luigi Biggiero ITS Mobilità Sostenibile Trasporto Ferroviario Centro di Formazione Ferroviario Francesco Murolo “Generalità sui motori elettrici e sulle loro curve caratteristiche” Seminario del 24 maggio 2016

2 Il propulsore più utilizzato nel trasporto terrestre è la ruota motrice. L’azione di una coppia motrice M, applicata ad un asse di un veicolo, sulla cui estremità sia calettata una ruota, corrisponde a quella esercitate da una forza F, applicata tangenzialmente alla ruota nel punto di contatto con la strada. Le forze attive tangenziali F e il carico verticale P a si trasmettono fra ruota e strada attraverso l'area d'impronta (pochi cm 2 ). Trazione: il propulsore 22 Si dice che si verificano le condizioni di aderenza per una ruota soggetta al peso P a ed alla forza tangenziale F se essa rotola senza strisciare o slittare.

3 Aumentando il valore di F il rotolamento continua finché si raggiunge il limite di aderenza A oltre il quale l’aderenza cessa e la ruota comincia a slittare. Si definisce coefficiente di aderenza il rapporto: f a =A/P a Perché si abbia aderenza deve quindi essere soddisfatta la condizione: F ≤ A=f a ·P a Il limite di aderenza A=f a ·P a rappresenta, quindi, il massimo valore della forza di trazione F che può essere trasmesso da una ruota alla pavimentazione affinché il moto si svolga in condizioni di puro rotolamento. La condizione di aderenza deve essere verificata anche in frenatura ovvero la ruota rotola senza pattinare. 3 Trasporto terrestre: il fenomeno dell’aderenza

4 Trazione: l’equazione generale del moto 4 I motivi per i quali la relazione F≤f a ·P a potrebbe non essere soddisfatta sono molteplici, coinvolgono le tre grandezze in gioco (F, f a e P a ) e non sono sempre di facile individuazione quantitativa. Un parametro che nella letteratura sembra che abbia una certa influenza sul coefficiente di aderenza f a è la velocità del mezzo di trazione, nel senso che questo viene considerato decrescente con l'aumentare della velocità. Esistono anche espressioni analitiche, di tipo empirico che esprimono tale variabilità. In realtà, il coefficiente di aderenza dovrebbe ritenersi invariabile o quasi con la velocità, mentre ciò che varia con la velocità è il peso aderente di un asse, che non corrisponde sempre al peso reale gravante sull'asse, quando esso e fermo.

5 5 Valori massimi del coefficiente di aderenza nel campo ferroviario Coppia motrice uniforme, binario asciutto, getto di sabbia 1/2,5 = 0,40. Coppia motrice uniforme, binario asciutto o bagnato e pulito 1/3 = 0,33. Coppia motrice quasi costante e binario come sopra 1/4 = 0,25. Coppia motrice di macchine a vapore e binario come sopra 1/4,5 = 0,22. Binario bagnato e trazione a vapore 1/7 = 0,14. Binario con brina e trazione a vapore 1/8 =0,12. Binario umido sporco e trazione a vapore 1/9 = 0,11. Binario ingrassato e trazione a vapore 1/10 = 0,10. Binario ingombro di foglie secche e trazione a vapore 1/125= 0,08. I valori da 5 a 9 aumentano del 15-20% per trazione elettrica. Caso ferroviario – Coefficiente di aderenza

6 6 Valori medi del coefficiente di aderenza nell’esercizio ferroviario Trazione elettrica con assi accoppiati: 0,25. Trazione elettrica con assi liberi; trazione Diesel con assi accoppiati: 0,20. Trazione Diesel con assi liberi; trazione a vapore con assi accoppiati: 0,167. I valori suddetti valgono per rotaie asciutte, lavate o sabbiate, per rotaie umide per nebbia o pioggia fine si ha una diminuzione del 30%, per rotaie sporche di grasso o fanghiglia del 50%. Caso ferroviario – Coefficiente di aderenza

7 Trazione: l’equazione generale del moto 7 L’equazione generale del moto di un veicolo isolato si scrive: F-R=M s ∙a=M∙dv/dt Dove M s rappresenta la massa statica P/g. Per tenere anche conto delle masse rotanti, si maggiora il valore della massa M introducendo il concetto di massa equivalente: M e = (1+β)M>M. Il coefficiente β (0,1÷0,2) tiene conto di tutte le masse rotanti: ruote, pistoni, alberi, del cambio e volano oppure rotori. Quindi: F-R=M e ∙dv/dt F = somma di tutte le forze attive (motrici o frenanti) applicate al veicolo. R = somma di tutte le resistenze applicate al veicolo. M e = massa equivalente del veicolo. dv/dt = accelerazione (con v velocità nella direzione del moto).

8 8 Trazione: il fenomeno dell’aderenza Nello studio del moto dei veicoli devono sostanzialmente essere considerate le seguenti forze: le forze attive F aventi la stessa direzione del vettore velocità v con cui il mezzo si sposta, mentre il verso é lo stesso o l’opposto a seconda che si tratti di forze di trazione o di frenatura; le forze passive o resistenze R aventi la stessa direzione della velocità e verso opposto; le forze d’ inerzia M e a. Le forze attive possono a loro volta avere il verso del vettore v se sono motrici (forze di trazione), oppure verso opposto se sono resistenti (forze frenanti).

9 9 Trazione: le resistenze al moto La resistenza R all’avanzamento può essere considerata come somma di più addendi: R = R pr + R a [kg] Le resistenze in piano e rettilineo, o rettifilo, R pr dipendono esclusivamente dalle caratteristiche costruttive del veicolo, mentre quelle addizionali, o accidentali, R a dipendono solo dalle caratteristiche costruttive della strada ordinaria o ferrata.

10 10 Trazione: le resistenze al moto La resistenza R indica il valore assoluto delle resistenze. La resistenza r indica il valore unitario delle resistenze. Resistenze in piano e rettilineo o rettifilo r PR = b+c·v 2 [kg/tonn] b=18÷20 [kg/tonn] su strada ordinaria b=2,5 [kg/tonn] su strada ferrata c=0,001÷0,04 v [m/s]. Resistenze addizionali o accidentali r A = i + ρ [kg/tonn] i = resistenza dovuta alle pendenze [‰] ρ = C/R resistenza dovuta alle curve [kg/tonn] Resistenza complessiva R [kg] = (b+c·v 2 + i + ρ) M s

11 11 Caratteristica ideale per la trazione La forza (o sforzo) di trazione F è la forza che applicata alle ruote del veicolo, è in grado di farlo muovere e mantenerlo in movimento alle diverse velocità nelle diverse condizioni di marcia. Poiché la resistenza R si oppone al moto la forza di trazione per mantenere il veicolo alla velocità richiesta deve essere pari alla resistenza. F = R (a regime) La forza di trazione che deve inoltre consentire il raggiungimento della velocità massima partendo da fermo pertanto essa deve essere definita in tutto il campo di velocità da 0 a V max e in questo campo deve avere un valore sempre superiore alla resistenza al moto per fornire al veicolo la forza necessaria a vincere anche la resistenza dovuta all’inerzia (forza d’inerzia o resistenza d’inezia) F = M e ∙a(all’avviamento)

12 12 Equazione generale del moto Si definisce “caratteristica meccanica” di un mezzo di trazione quella curva che fornisce la variazione dello sforzo di trazione al cerchione in funzione della velocità di marcia. Affinché il mezzo di trazione possa svolgere le proprie funzioni in modo adeguato, è opportuno che tale caratteristica abbia un andamento particolare.

13 13 Trazione: i motori di trazione Ogni motore di trazione ha una sua caratteristica meccanica: è un diagramma che lega due grandezze meccaniche (coppia C - velocità angolare ω, o potenza P - velocità angolare ω). Le caratteristiche meccaniche dei motori di trazione si avvicinano a tre caratteristiche teoriche tipo a P costante, a C costante o a ω costante:

14 Caratteristiche meccaniche dei motori di trazione 14

15 15 Caratteristica meccanica Nella curva 1 lo sforzo sviluppato diminuisce gradualmente con la velocità e nella curva 2 esso aumenta gradualmente con la velocità; in ambedue i casi gli andamenti sono piuttosto morbidi, nel senso che ad una piccola variazione di una variabile corrisponde una altrettanto limitata variazione dell'altra. Nella curva 3, invece, a piccole variazioni della velocità, corrispondono consistenti variazioni nei valori dello sforzo di trazione: la caratteristica è detta del tipo rigido.

16 16 Caratteristica meccanica All'avanzamento, con v=0, lo sforzo non può essere comunque elevato e deve essere soddisfatta la condizione di aderenza; poiché è opportuno avere comunque un margine di sicurezza, il limite superiore degli sforzi è fissato in corrispondenza di una retta del tipo AB. Nel senso della ascisse, la caratteristica meccanica è limitata dalla intersezione con la curva corrispondente alle resistenze al moto R propria della motrice.

17 17 Caratteristica meccanica

18 18 Caratteristica meccanica Se le resistenze al moto cambiano, la curva R si sposta e, dopo un periodo di regime variabile, si perviene, ad un altro punto stabile di regime del tipo C’. II citato andamento della caratteristica meccanica può essere realizzato in modo completo e spontaneo da un unico motore elettrico, senza agire in pratica in modo sostanziale sulla sua regolazione (come avviene, ad esempio, nel motore in corrente continua serie tuttora impiegato nelle vecchie locomotive italiane), oppure agendo sul sistema di regolazione in modo che la caratteristica sia il risultato di una serie di diverse caratteristiche spontanee del motore.

19 19 Caratteristica ideale per la trazione Ciò si può ottenere ad esempio con una caratteristica meccanica F(v) di tipo iperbolico (P=F∙v=costante) che fornisca alla velocità massima v max una forza pari alla resistenza al moto F=R max. A velocità inferiori a quella massima v max la forza F è senz’altro superiore alla resistenza R per cui la differenza rispetto a quest’ultima è disponibile per variare la velocità con una determinata accelerazione a.

20 20 Caratteristica ideale per la trazione La caratteristica iperbolica tende a fornire valori molto elevati della forza a basse velocità: se fosse perfettamente iperbolica a velocità nulla darebbe un valore infinito. Tali valori non possono essere utilizzati se non sono compatibili con l’aderenza disponibile al contatto ruota rotaia. Quindi la forza di trazione non deve superare quella di aderenza, altrimenti la ruota slitta e non vi è avanzamento. Inoltre, la forza di trazione non deve superare neanche una certa velocità altrimenti ci sarebbe la rottura degli organi in moto del mezzo di trazione.

21 21 Caratteristica ideale per la trazione Poiché il tempo necessario per raggiungere la velocità v max dipende dall’accelerazione per ridurre al minimo tale tempo l’accelerazione dovrebbe essere la più elevata possibile. Ciò si può ottenere solo se si adottano caratteristiche che forniscano a pari velocità valori più elevati della forza di trazione.

22 22 Caratteristica ideale per la trazione Se si volesse ridurre al minimo il tempo necessario a raggiungere la velocità massima v max la forza di trazione F dovrebbe mantenersi costante e pari a quella massima trasmissibile F max con l’aderenza nel campo di velocità che va da 0 a v max e poi ridursi fino ad uguagliare la resistenza R max. La potenza utilizzata aumenterebbe proporzionalmente con la velocità da zero alla potenza massima, in corrispondenza della velocità massima e poi si ridurrebbe fino a quella necessaria per garantire la velocità massima.

23 23 Caratteristica ideale per la trazione Maggiore è la potenza di dimensionamento, maggiore può essere la zona a sforzo costante. Ovvero il valore di v 1 si sposta verso destra. Le massime prestazioni si ottengono quando lo sforzo di trazione è sempre costante fino alla velocità massima. Questo però, richiederebbe una potenza di dimensionamento elevatissima e sfruttabile solo per la fase di avviamento.

24 24 Caratteristica ideale per la trazione Una volta fissata la potenza massima del mezzo di trazione, si può definire il dominio (F, v) delimitato da due confini: Limite di aderenza: lo sforzo di trazione non deve superare quello di aderenza altrimenti la ruota (motrice) slitta. Cosa analoga succede in frenatura (pattinamento). Limite di velocità: lo sforzo di trazione non deve superare una certa velocità altrimenti ci sarebbe la rottura degli organi in moto del mezzo di trazione.

25 25 Caratteristica meccanica Ritorniamo alla definizione di caratteristica meccanica. La potenza meccanica ai cerchioni è data da: P c =F·v

26 26 Caratteristica meccanica Per 0<v<v a il valor medio Fa della forza di trazione è costante; il tratto A 4 -A 3 viene ottenuto con un’opportuna regolazione dell’azionamento elettrico e deve essere compatibile: Con il limite di aderenza, cioè F a ≤f a ·P a ; Con il valore massimo di coppia che i motori di trazione possono sviluppare.

27 27 Caratteristica meccanica Nel tratto A4-A3-A1 i motori lavorano in sovraccarico, cioè in servizio di durata limitata; la potenza, uguale al valore nominale nel punto A1, decresce all’aumentare della velocità da v1 a vM. I mezzi di trazione con azionamento elettronico e motori trifasi presentano una caratteristica meccanica differente: i punti A3 e A1 vengono in pratica a coincidere e nell’intera gamma di velocità v1-vM si sviluppa la potenza: Pc1=cost.

28 28 Passaggio alla caratteristica meccanica dei motori Nel passaggio tra la caratteristica meccanica del mezzo di trazione a quella del motore bisogna tener conto del rapporto di riduzione e dei vari rendimenti.

29 29 In questo caso si può passare dalla caratteristica meccanica mezzo di trazione (F, v) a quello del motore (C, ω). Passaggio alla caratteristica meccanica dei motori

30 30 Passaggio alla caratteristica meccanica dei motori

31 31 Trazione elettrica Quando il motore di trazione è quello elettrico si parla di trazione elettrica.

32 Trazione elettrica: l’azionamento elettrico La dizione “trazione elettrica” si riferisce perciò a quei veicoli il cui moto avviene per l’azione di uno o più motori elettrici o più correttamente per mezzo di azionamenti elettrici di trazione che consentono la regolazione dei motori. L'azionamento elettrico è un sistema che converte l'energia elettrica che riceve in ingresso, in energia meccanica in uscita. 32

33 Per quanto riguarda la funzione del motore elettrico si parla di azionamento elettrico in: corrente continua; corrente alternata. Invece sulla base delle prestazioni, gli azionamenti elettrici sono in grado di fornire una: regolazione discreta; regolazione fine. Senza l’elettronica di potenza la regolazione è sicuramente discreta: è possibile avere una numero finito di caratteristiche meccaniche. Con l’elettronica di potenza si ottiene un azionamento con regolazione fine: numero infinito di caratteristiche meccaniche (dominio). Trazione elettrica: l’azionamento elettrico 33

34 34 Trazione elettrica: il sistema di trazione

35 35 Trazione elettrica: il sistema di trazione

36 36 Trazione elettrica: il sistema di trazione

37 leggi sui circuiti elettrici e magnetici = Elettromagnetismo. leggi meccaniche = Meccanica. leggi elettro-meccaniche = Trasformazioni di energia elettrica in energia magnetica. leggi meccano elettriche = Trasformazioni di energia meccanica in energia elettrica. Trazione elettrica: trasformazione energetica 37

38 1.Legge fondamentale elettrica: E=∑ΔV dove E è la f.e.m o tensione applicata o al circuito e le ΔV rappresentano le cadute di tensione. 2.Legge fondamentale meccanica: F=∑F R (somma di tutte le forze resistenti). 3.Legge fondamentale elettromeccanica: F=B∙l∙i. L’ipotesi fondamentale è che la macchina contenga circuiti magnetici. Ci interessano le forze che sono esercitate su di un conduttore percorso da corrente e immerso in un campo magnetico. È la relazione che trasforma la potenza E∙I elettrica nella corrispondente F∙v del campo meccanico. 4.Legge fondamentale meccano-elettrica: E=B∙l∙v. Forza (elettromotrice f.e.m.) esercitata sulle cariche di un conduttore in moto in un campo magnetico. 38 Trazione elettrica: trasformazione energetica

39 Asse che trasla su due rotaie conduttrici, immerso in un campo di induzione B infinito ed uniforme. Se l’asse si muove con velocità v, ai suoi estremi nasce una f.e.m. E=Blv e, se chiudo il circuito su di una resistenza R, si avrà una corrente i=E/R. Tale corrente passando nel conduttore farà nascere una forza meccanica F=Bli, quindi se si vuole che il moto del conduttore continui è necessario una potenza meccanica pari a F ∙ v; quindi si ha: F∙v=Bli∙v ovvero F∙v=E∙i Trasformazione energetica: generatore elementare In questo modo si è riuscita ad ottenere la trasformazione di potenza meccanica in potenza elettrica. 39

40 Lo schema è analogo. In questo caso è pero presente una batteria che fa circolare una corrente i nel circuito. Sul conduttore si esercita quindi una forza F=Bli e il conduttore si muove; questo movimento da luogo ad una f.e.m. E=Blv che ha direzione opposta alla tensione applicata. La potenza elettrica che si deve fornire, perché il conduttore continui il suo moto con velocità v, è pari a Ei. Raccogliendo le formule si ha: Vi≈Ei=Blvi=Fv. In questo modo si è ottenuta la trasformazione di energia elettrica in energia meccanica. Nei due casi non si è tenuto conto delle perdite (Vi≈Ei). Trasformazione energetica: motore elementare Nella schematizzazione elementare di una macchina elettrica, avviene una trasformazione di energia meccanica in energia elettrica e viceversa. 40

41 41 Prestazione Elevata densità di potenza. Capacità di sovraccarico. Reversibilità che permette l’uso della frenatura elettrica. Accelerazioni/decelerazioni elevate. Trazione elettrica: i motori elettrici Economicità e compatibilità ambientale Emissioni fortemente ridotte (teoricamente nulle). Bassa rumorosità del motore elettrico. Manutenzione limitata sulla parte elettrica ed elettronica. Flessibilità Adattabilità alle diverse condizioni di marcia senza penalizzare il rendimento. Possibilità di sfruttare diverse fonti di energia. Varietà nella scelta dei motori (c.c., asincrono, sincrono). Vantaggi della trazione elettrica Applicazioni “ideali” Trasporti urbani di massa (metro, bus elettrici) Trasporti AV di massa su medie distanza Linee in galleria (treni navetta) Trasporto urbano privato (in futuro)

42 42 Trazione elettrica: i motori elettrici

43 43 Trazione elettrica: i motori elettrici

44 44 Vantaggi Caratteristica meccanica idonea all’applicazione di trazione (ampia zona in cui C·n=cost). Tecnologia consolidata e quindi di grande affidabilità. Buon rendimento per un ampio intervallo di carico. Presenta un’ottima meccanica (resistenza a vibrazioni ed urti). Regolazione della velocità relativamente semplice. Svantaggi Ingombri e pesi considerevoli per la presenza del collettore. Manutenzione frequente soprattutto sul sistema spazzole-collettore. Rapido incremento della velocità per bassi carichi (fuga del motore). Tensioni applicabili limitate per assicurare la tenuta dell’isolamento tra le lamelle del collettore. Motore a collettore ad eccitazione serie in c.c.

45 45 Sezione longitudinale del motore serie 1.Spazzole e portaspazzole 2.Lamelle 3.Testate 4.Nuclei poli eccitazione 5.Avvolgimenti di eccitazione 6.Ventilatore 7.Canale di ventilazione assiale 8.Pignone 9.Corona dentata 10.Sala montata Motore a collettore ad eccitazione serie in c.c.

46 46 Indotto o armaturaStatore o eccitazioneSpazzole e collettore Motore a collettore ad eccitazione serie in c.c.

47 47 Schema del motore serie Motore a collettore ad eccitazione serie in c.c.

48 48 Motore a collettore ad eccitazione serie in c.c.

49 Molto schematicamente possiamo rappresentare il motore come in figura, anche se in effetti, nei motori a c.a. i poli sono più numerosi. Sempre in figura si può notare, dalla disposizione spaziale degli avvolgimenti statorico e rotorico, il flusso statorico e quello rotorico (reazione di armatura). 49 Motore a collettore in c.a.

50 Il motore monofase a collettore ha caratteristiche costruttive in parte simili a quello a corrente continua; lo statore è però laminato, essendo il flusso alternato. L’avvolgimento d’indotto è di tipo parallelo. 50 Motore a collettore in c.a.: circuito equivalente

51 51 Motore a collettore in c.a.: caratteristiche

52 52 Motore asincrono trifase (in c.a.) Vantaggi rispetto motore c.c.  Ingombro e massa ridotti a parità di potenza.  Assenza di collettore e spazzole (problemi di manutenzione, limiti di corrente e velocità).  Passaggio automatico da trazione a frenatura senza modifiche circuitali. Problematiche prima di utilizzo inverter  Rigidità di funzionamento (poche velocità fisse di marcia in condizioni di stabilità).  Complicazioni impiantistiche (linea bifilare, frequenza di alimentazione ridotta). Impiego di inverter controllati in tensione e frequenza  Elevata elasticità di funzionamento grazie all’ampio intervallo di regolazione della frequenza.  Locomotori ad impiego universale (passeggeri, merci).  Standardizzazione dei mezzi e riduzione dei costi.  Inversione di marcia ottenuta modificando la sequenza di alimentazione delle fasi senza ricorrere ad apparecchiature elettromeccaniche.  Avviamento ottenuto con bassi scorrimenti grazie alla regolazione della frequenza (elevate coppie di spunto, basse perdite rotoriche).  Riduzione della massa dei motori e quindi del peso dei carrelli con miglioramento della qualità di marcia (M carr /M tot ≈ 40% ⇔ M carr /M tot ≈ 55% con motori c.c.).

53 53 Confronto dimensionale motori (stessa potenza)

54 54 Confronto locomotori DC e AC

55 55 Caratteristica meccanica motore asincrono

56 Regolazione di velocità del motore 56 Come accennato precedentemente, l'azionamento elettrico, in corrente continua o in corrente alternata, può fornire una regolazione del motore discreta oppure fine. Si parlerà, nel primo caso di azionamenti tradizionali, nel secondo, di azionamenti elettronici. Nell’azionamento elettronico la conversione avviene in genere mediante i seguenti componenti: motori elettrici; convertitori elettronici di potenza; sensori; trasduttori; unità di controllo. Regolazione di un motore significa: a coppia costante sviluppare diverse velocità; a velocità costanti sviluppare diverse coppie.

57 57 Azionamento tradizionale in c.c.: regolazione di velocità Metodi di regolazione della velocità: 1.variare la tensione attraverso una resistenza aggiuntiva (regolazione reostatica); 2.variare il flusso  regolando la f.m.m. di eccitazione (regolazione di campo); 3.variare la tensione di alimentazione U (regolazione di tensione: transizione serie/parallelo, chopper);

58 58 Azionamento tradizionale in c.c.: regolazione di velocità

59 59 Azionamento tradizionale in c.c.: regolazione reostatica La resistenza R può essere variata cortocircuitando sequenzialmente le sezioni reostatiche r 1,..., r n tramite dei convertitori. 1.La corrente di avviamento non può essere mantenuta costante (numero eccessivo di posizioni reostatiche). 2.La corrente viene fatta variare tra valore min I B ed un valore max I A.

60 60 Azionamento tradizionale in c.c.: regolazione di campo La variazione di flusso può essere ottenuta o variando con uno shunt, posto in parallelo al circuito di eccitazione, la corrente di campo, o diminuendo il numero di spire costituenti il circuito di eccitazione Poiché in entrambi i casi si ha una diminuzione delle amperspire di eccitazione e quindi del flusso induttore, l'operazione prende il nome di indebolimento di campo.

61 61 Con questo sistema è necessario disporre di almeno due motori che si possano connettere in serie o in parallelo. Disposti in serie sotto una certa tensione U, ai motori è applicata una tensione pari a U/2, mentre la corrente è I per entrambi. Quando vengono disposti in parallelo la tensione applicata sui motori è U, cioè si realizza un'altra caratteristica. Aziona. tradizionale in c.c.: transizione serie - parallelo

62 62 Vediamo una sequenza di avviamento: 1.Avviamento con motori in serie ed esecuzione della regolazione reostatica e successivamente anche ad un indebolimento di campo. 2.Completamento regolazione reostatica e di campo e passaggio alla configurazione finale del circuito di trazione avente i motori in parallelo e reinserimento del reostato. 3.Completamento regolazione reostatica e di campo fino al punto di lavoro finale. Azionamento tradizionale in c.c.: regolazione di velocità

63 63 Azionamento tradizionale in c.c.: regolazione di velocità

64 64 Azionamento tradizionale in c.a.

65 Azionamento tradizionale Gli azionamenti tradizionali presentano due grossi svantaggi: 1.Consumo di energia e quindi il rendimento globale di trazione basso. 2.Dimensionamento del reostato di avviamento, che dovendo dissipare una quantità superiore di energia risulta più pesante, più ingombrante e più costoso; qualità che si pagano anche nel dimensionamento della locomotive stessa (maggior peso ed ingombro dell'apparecchiatura). 65

66 Azionamento tradizionale Questi problemi hanno portato negli anni passati ad un dimensionamento del motore di trazione, ne che permettesse di eliminare il reostato di avviamento nel tempo minimo compatibile con le prestazioni, richieste al veicolo; ciò richiede in particolare che la velocità di dimensionamento del motore a pieno campo corrisponda ad una velocità del veicolo relativamente bassa rispetto alla velocità massima di servizio in mode appunto che la caratteristica a piena tensione sia raggiunta in un tempo minimo. Ciò implica motori a basso numero di giri di dimensionamento e quindi di ingombro, peso e costo elevati. 66

67 67 Azionamento elettronico in c.c.: il chopper Il chopper è il dispositivo per la conversione corrente continua in corrente continua (c.c./c.c.). Esso è costituito da componenti elettronici (schematizzato in figura come un interruttore ideale T). Con il chopper è possibile variare con continuità il valore della tensione in uscita U 2 partendo in ingresso da un sistema di alimentazione in c.c..con un valore di U 1 fisso.

68 Questo sistema di regolazione è impiegato nei mezzi di trazione equipaggiati con motore in c.c. e permette di regolare, con continuità e senza dissipazioni di energia, la velocità, dall’avviamento fino a regime (assenza di transizione serie/parallelo o inserzione di resistenze). Per ottenere la variazione di U 2 nell'intervallo 0÷U 1, è possibile agire in due maniere distinte: variare il periodo T mantenendo costante T c (chopper a frequenza variabile) oppure variare T c con T costante (chopper a frequenza fissa). 68 Azionamento elettronico in c.c.: il chopper

69 69 Rispetto agli equipaggiamenti tradizionali è possibile avere una regolazione continua della forza e della velocità. Il comando della marcia è molto più flessibile; è possibile infatti variare con continuità la forza di trazione di avviamento ed effettuare la marcia a velocità prefissata, regolata automaticamente. La regolazione di campo può essere usata per estendere il campo di utilizzazione ad alta velocità. Azionamento elettronico in c.c.: il chopper

70 70 Azionamento elettronico in c.a.: l’inverter La caratteristica meccanica del motore asincrono è di tipo “rigida”, ovvero è lontana da quella ideale per la trazione (a potenza costante) come per esempio, quella del motore a collettore ad eccitazione serie. Da quanto detto appare evidente la necessità di disporre di un dispositivo che regoli in maniera più fine possibile la tensione (V) e la frequenza (f) del motore asincrono. Ciò è stato possibile con l’utilizzazione dell’inverter, che ha consentito di ottenere, anche con i motori trifasi, caratteristiche meccaniche quanto mai prossime a quella ideale per la trazione.

71 71 Regolazione tensione-frequenza motore asincrono Azionamento elettronico in c.a.: regolazione U-f

72 Azionamento elettronico in c.a. 72

73 Esempio: locomotore elettrico in c.c. 73

74 Esempio: locomotore elettrico in c.a. 74

75 Esempio: locomotore elettrico politensione 75

76 Esempio: locomotore diesel-elettrico 76

77 Esempio: autobus ibrido 77

78 Esempio: Tram largo 2,40 metri; alto 3,30 metri (pantografo escluso); lungo 32 metri; composto da 5 unità intercomunicanti; 424kW di potenza totale; 70 km/h di velocità massima; 42 posti a sedere, più 4 attrezzati per disabili in sedia a rotelle; 160 posti in piedi (alla densità di 4 passeggeri/m 2 ); 202 passeggeri di capacità totale. 78

79 Esempio: Trolleybus 79

80 Trazione elettrica: il circuito di trazione Come per tutti gli impianti utilizzatori dell’energia elettrica, anche quello della trazione utilizza un circuito elettrico chiuso, che nel caso particolare è chiamato “circuito di trazione” ed è composto da una sorgente di energia, da una linea di alimentazione da un utilizzatore e da un conduttore di ritorno. Per i mezzi senza captazione, il circuito di trazione si riferisce alla parte del circuito attinente al solo veicolo stesso. Se consideriamo, invece, i mezzi con captazione, per sistema di trazione si intende il complesso linea di contatto (sorgente di energia e linea di alimentazione), elettrotreno (utilizzatore) e rotaie (conduttore di ritorno). Tipico esempio di questi sistemi è quello ferroviario. 80

81 Trazione elettrica ferroviaria Un impianto di elettrificazione o alimentazione comprende i seguenti sistemi: La produzione in centrali di energia elettrica. Il trasporto dell’energia con linee in alta tensione AT. La trasformazione nelle sottostazioni SSE dove l’energia elettrica è portata a valori di tensione adatti al sistema di trazione impiegato. La linea di contatto TE che porta l’alimentazione ai veicoli. I veicoli che ricevono l’energia elettrica e la trasformano in energia meccanica. 81

82 Linee di alimentazione in AT e MT L’energia elettrica viene trasmessa su linee di alimentazione in Alta Tensione AT. Sono considerate linee in AT quelle con valore di tensione pari a 66, 132, 150 e 220 kV. La maggior parte delle linee in AT hanno la funzione di trasportare l’energia elettrica dalle centrali di produzione alle sottostazioni elettrice di trasformazione e smistamento. In queste sottostazioni l’energia la tensione viene abbassata ad un valore di tensione che varia da 6 a 20 kV: linee in Media Tensione MT. Le linee in MT sono linee di distribuzione. Le linee di AT sono di proprietà della TERNA, mentre le maggior parte delle linee di MT sono di proprietà dell’ENEL. Le linee di alimentazione ferroviarie TE sono alimentate o dalla rete di MT oppure dalla rete di AT. 82

83 I sistemi di alimentazione usati per la trazione elettrica (ferroviaria, metropolitana, tranviaria e filoviaria) per l’alimentazione delle linee TE sono: 0,75 kV in corrente continua (tranviaria e filoviaria); 1,5 kV in corrente continua (ferroviaria, metropolitana); 3 kV in corrente continua (ferroviaria, metropolitana); 15 kV in corrente alternata a frequenza 16 e 2/3Hz (ferroviaria, metropolitana); 25 kV in corrente alternata a frequenza 50Hz (ferroviaria AV). Sistemi di alimentazione per la trazione 83

84 84 Come per i sistemi di trazione, anche per quelli di alimentazione l’evoluzione è stata determinata dallo sviluppo dell’elettronica di potenza (convertitori statici). Oggi la scelta del sistema di alimentazione non è più vincolante per la scelta del motore di trazione da equipaggiare su di un mezzo di trazione. La regolazione dei motori elettrici, sia quella tradizionale e sia quella con i convertitori, viene fatta variando il parametri elettrici tensione V, corrente I e frequenza f. Siccome i parametri elettrici del sistema di alimentazione sono fissi, i mezzi di trazione sono dotati di equipaggiamenti di trazione capaci di variare i parametri elettrici del motore presente a bordo del mezzo. Sistemi di alimentazione per la trazione

85 Sistemi di alimentazione in trazione 85

86 Trazione elettrica ferroviaria 86

87 Sistema di alimentazione in c.c. Gli impianti ferroviari in c.c. sono alimentati alla tensione di 1.500 V o 3.000 V. Le sottostazioni elettriche di conversione ferroviarie sono allacciate alla rete di MT da 9 ÷ 20 kV e trasformano e convertono l’energia elettrica da c.a. in c.c.. La potenza fornita da ciascun gruppo di SSE arriva fino a 5,4 MVA. 87

88 15kV in c. a. a frequenza 16 e 2/3Hz concentrata La distribuzione centralizzata è caratterizzata dalla presenza di una rete di distribuzione monofase ad Alta Tensione, funzionante alla frequenza di 16 2/3 Hz per il solo uso ferroviario. Tale alimentazione è ottiene con gruppi di produzione monofasi che producono l’energia direttamente alla frequenza di 16 2/3 Hz oppure con stazioni di conversione di frequenza che prelevano l’energia dalla rete AT a 50 Hz. 88

89 15kV in c. a. a frequenza 16 e 2/3Hz distribuita I paesi scandinavi hanno seguito una filosofia diversa di elettrificazione adottando il cosiddetto sistema a conversione distribuito: le sottostazioni, sono collegate direttamente alla rete industriale e svolgono il duplice compito di trasformazione e di conversione di fase e di frequenza. In questo modo sia la conversione alla frequenza ferroviaria sia la trasformazione avvengono nelle stesse SSE risparmiando moltissimo sulle linee primarie. 89

90 25 kV in corrente alternata a frequenza 50 Hz I collegamenti alle coppie di fasi della rete AT variano ciclicamente da una SSE alla successiva, per cui ciascuna tratta (RS-ST) viene suddivisa in due sottotratte, alimentate con fasi diverse (10-20) e separate in centro da una zona neutra. 90

91 2x 25 kV in corrente alternata a frequenza 50 Hzc 91

92 92 Trazione elettrica ferroviaria: TE 25kV c.a.

93 93 Trazione elettrica ferroviaria: TE 25kV c.a.

94 94 Trazione elettrica ferroviaria: TE 25kV c.a.