Approfondimenti

Azionamenti in Corrente Continua di tipo elettronico

Il progresso tecnologico ed il perfezionamento della tecnologia a semiconduttore degli anni Settanta ha permesso di realizzare tiristori al silicio di elevate prestazioni da introdurre nelle applicazioni ferroviarie permettendo la nascita dei cosiddetti azionamenti di tipo elettronico. A bordo dei veicoli a corrente continua è stato possibile, così, installare convertitori elettronici di potenza in grado di regolare con continuità la tensione ai morsetti dei motori di trazione ottenendo un comando di marcia più flessibile e con elevati rendimenti. I convertitori in questione realizzano la conversione diretta corrente continua/corrente continua senza interposizione di altri circuiti intermedi. Essi sono denominati frazionatori o anche, con termine inglese, chopper. Questo tipo di azionamento, in grado di assicurare elevati livelli di sicurezza ed affidabilità, è stato installato a bordo di numerosi mezzi a corrente continua delle FS quali ad esempio le locomotive E.632, E.633, E.652, le elettromotrici ALe.582, ALe.724 e l'elettrotreno ETR 450.


Nei mezzi alimentati a corrente continua ed equipaggiati con motori a collettore viene usato normalmente un chopper come convertitore continua/continua. In riferimento allo schema seguente se si indica con V1 la tensione continua di alimentazione e con V2 quella di uscita, il chopper può assumere le segenti due configurazioni:

  • abbassatore (step down) se V2<V1 ;
  • elevatore (step up) se V2>V1.

Convenzione dei segni e schema elettrico semplificato del chopper.


La prima configurazione (abbassatore) è impiegata per la trazione, mentre la seconda (elevatore) per la frenatura a recupero. Senza entrare nei particolari del principio di funzionamento del chopper (per i quali si rimanda a testi specializzati di elettronica di potenza), ci limiteremo a dire che all'interno di esso è previsto l'impiego di un interruttore elettronico (tiristore, GTO) inserito tra la sorgente di alimentazione ed il carico e di un diodo di ricircolo (D) in parallelo al carico stesso. Tale interruttore elettronico (CH) è caratterizzato da un intervallo di tempo Tc in cui esso risulta essere chiuso (intervallo di conduzione) e da un intervallo di tempo Tb in cui è aperto (intervallo di blocco). Il frazionatore è così caratterizzato da una frequenza di chopper f pari a 1/T (con T=Tc+Tb) e da un rapporto di conduzione s (duty-cucle) pari a Tc/T.

Andamento della tensione di uscita del chopper.


Con queste definizioni, trascurando tutti i fenomeni legati all'accensione e spegnimento dell'interruttore elettronico, si può dire che la tensione applicata al carico vale:

  • v2=V1 nell'intevallo Tc ;
  • v2=0 nell'intervallo Tb ;

con un valor medio pari a:

V2=(Tc/T)·V1=s·V1

Da quest'ultima relazione si deduce che la tensione ai capi del motore di trazione (V2) può essere regolata in due modi differenti:

  • regolazione di fase: mantenendo costante il periodo T (cioè f) e variando il periodo di conduzione Tc ;
  • regolazione di frequenza: mantenendo costante il periodo di conduzione Tc e variando il periodo T (cioè f).



La regolazione di fase o di frequenza è di solito affidata a dispositivi elettronici che sono parte integrante dell'azionamento. Il conducente del mezzo interviene su di essi tramite i comandi posti sul banco di manovra affinchè possano essere impostati i parametri necessari all'avviamento, la marcia e la frenatura del veicolo. Con l'applicazione del chopper, come si è visto, è possibile ridurre di un determinato rapporto s (s=Tc/T) il valore della tensione applicata ai morsetti del motore. Dello stesso rapporto si riduce anche la corrente di linea con indubbi vantaggi in termini di cadute di tensione e di perdite sulla linea di contatto. Tale riduzione di corrente è particolarmente utile nella fase di avviamento in quanto permette di risparmiare l'energia che altrimenti verrebbe dissipata se fosse presente il reostato di avviamento di un azionamento tradizionale. Vantaggio, quest'ultimo, particolarmente apprezzato su percorsi in galleria quali ad esempio quelli dei servizi metropolitani nei quali, con la soluzione elettronica, si può contenere l'aumento della temperatura ambiente senza ricorrere così a sofisticati impianti di ventilazione. Nelle reti ferroviarie alimentate a 3000 V, quando l'azionamento prevede uno o più motori di trazione, si effettuano in genere i seguenti collegamenti tra frazionatore e motore:

  • due motori collegati permanentemente in serie così da alimentare ciascuno di essi a metà tensione come per gli azionamenti tradizioanali;
  • ogni singolo motore alimentato da un convertitore. Generalmente una soluzione del genere prevede che il motore sia alimentato con una tensione compresa tra i 1800 ed i 2200 V.



Nelle realizzazioni pratiche si usa normalmente suddividere il convertitore in più frazionatori elementari generalmente inseriti a valle di un filtro di linea comune e comandati alla stessa frequenza f e parzializzazione s, ma con cicli sfasati tra loro. Questa soluzione costruttiva, detta chopper a q fasi (q numero di frazionatori elementari), offre la possibilità di un corretto dimensionamento in termini di portata di corrente del chopper e notevoli vantaggi per il dimensionamento del filtro di ingresso e per il contenuto armonico della corrente assorbita. Di seguito è riportato lo schema elettrico dell'azionamento delle locomotive FS a 3000 Vcc E.632, E.633 ed E.652 costituito da tre motori di trazione ad eccitazione separata e da sei frazionatori elementari. I tre avvolgimenti di eccitazione M' sono collegati in serie ed alimentati dal convertitore ausiliario CE.

Schema dell'azionamento delle locomotive FS E.632, E.633 ed E.652.


La prima applicazione del chopper serie (full chopper) su locomotive del parco FS è avvenuta sperimentalmente nel 1975 sulla E.444 005 che beneficiò di un incremento della potenza continuativa fino 4500 kW e della velocità fino a 200 Km/h pur mantenendo lo stesso rapporto di trasmissione e gli stessi motori. La sperimentazione del sistema full chopper sulla E.444 005 consentì, inoltre, di effettuare una serie di studi e prove di esercizio che furono determinanti per la realizzazione del progetto delle E.632/633 notoriamente conosciute come le prime locomotive delle FS ad azionamento interamente elettronico.


Nella fase iniziale dell'applicazione dell'elettronica ai mezzi di trazione ferroviaria, si realizzarono delle soluzioni che rappresentavano una via intermedia tra gli azionamenti tradizionali e quelli completamente elettronici degli anni seguenti. Una di queste è la cosiddetta applicazione del frazionatore in derivazione (shunt chopper).
La realizzazione prevedeva la connessione in parallelo della sezione del reostato di avviamento con un interruttore statico di tipo frazionatore funzionante alla frequenza f. Regolando opportunamente la fase di conduzione e blocco dell'interruttore elettronico si poteva ottenere un valore medio equivalente della resistenza R della sezione del rostato dipendente dal rapporto di conduzione s. Il chopper così impiegato permetteva di ridurre con continuità la resistenza elettrica di ciascuna sezione del reostato di un equipaggiamento tradizionale di tipo reostatico.

Regolazione reostatica continua con il sistema shunt chopper.


Le prime locomotive FS ad adottare questo innovativo sistema elettronico furono le E.444 056 e 057. Tali macchine nel 1974 furono equipaggiate sperimentalmente con un regolatore di velocità statico a tiristori in derivazione al reostato di avviamento che consentì una notevole riduzione degli strappi e degli slittamenti nonché un incremento dello sforzo di trazione di circa il 10%.
Attualmente la regolazione reostatica con il sistema chopper in derivazione si impiega solo per realizzare l'indebolimento di campo dei motori eccitati in serie e la frenatura elettrica reostatica.