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 Oggetto del messaggio: Trazione elettrica - locomotive con elettronica di potenza
MessaggioInviato: 28 marzo 2009, 16:43 
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Continuiamo il discorso sulla trazione elettrica parlando dei mezzi di trazione con circuito di trazione basato sul chopper.
In questo caso il mezzo si definisce ad azionamento elettronico: il sistema a chopper è utilizzato, in ambito FS, su ALe 582, 642, 724, E632/3, E652, ETR 450.

La storia del chopper sui mezzi FS inizia a metà anni '70, con le "Tartarughe elettroniche", 2 prototipi allestiti su E444: il sistema era definito shunt chopper, e si basava su un chopper primordiale collegato in parallelo al tradizionale reostato.
In tal modo si permetteva un avviamento graduale eliminando i "gradini" tipici dell'avviamento reostatico: anche il prototipo ETR 401 fu equipaggiato con un circuito di trazione simile.
Ma la cosa migliore era sostituire completamente il reostato (che dissipa parecchia potenza in calore) e le combinazioni, in modo da sfruttare appieno le potenzialità delle macchine.
Per questo, tutti i mezzi di trazione sopra citati sono stati dotati di sistema full chopper.

Il circuito di trazione è indicativamente così composto.

[linea di contatto] - pantografo - IR - filtro rete - chopper - motori - [rotaie]

Il filtro rete è indispensabile per evitare che in linea vengano immesse correnti armoniche a 50 Hz, pericolose in quanto potrebbero interferire col segnalamento e i circuiti di binario, che funzionano anch'essi a 50 Hz.

Il chopper è un componente elettronico che funziona mediante tristori, e si comporta da interruttore statico, aprendo e chiudendo un circuito a intervalli regolari.
L'intervallo di tempo in cui l'interruttore è chiuso e la corrente passa nel circuito si chiama Ton, l'intervallo di tempo in cui è aperto si definisce Toff.
La somma dei due T (Ton + Toff) si definisce periodo di commutazione e si indica come T: l'inverso del periodo (1/T) è invece la frequenza di funzionamento del chopper.

Esiste anche un altro concetto: il duty cicle, indicato con la lettera d.

d = Ton/T

Il chopper permette, aprendo e chiudendo il circuito a intervalli fissi, di regolare la tensione che giunge ai morsetti dei motori: per la legge di Ohm, al variare della tensione varia anche la corrente d'armatura, e quindi la coppia.

Vm = d * V1

Dove Vm è la tensione ai morsetti dei motori, d il valore del duty cycle, V1 la tensione di linea.
Variando i tempi Ton e Toff, si varia il duty cycle e quindi la tensione Vm, mantenendo la frequenza costante.
Ma la regolazione si può anche fare a partire dalla frequenza, soprattutto se si vogliono avere tensioni molto basse: invece di far scendere Ton a valori bassissimi (che è complicato, visto che il tristore produrrebbe troppo calore da dissipare) si prolunga Toff aumentando il periodo (e quindi abbassando la frequenza).
Dobbiamo fare una distinizione circa i mezzi di trazione.

ALe 582 e 724
Il chopper è monofrequenza, quindi si agisce solo sui tempi di Ton e Toff, lasciando costante la frequenza (fissata a 270 Hz).
Per avere uno spunto il più morbido possibile, su questi mezzi è stata posta in serie al chopper una resistenza, che viene esclusa automaticamente quando i motori hanno raggiunto la necessaria fcem e la corrente si è abbassata (circa ai 10 Km/h).
Pertanto, l'avviamento di tali mezzi si compone delle seguenti fasi: comando trazione, inserimento chopper con resistenza di spunto inclusa, raggiungimento della fcem necessaria, esclusione resistenza spunto, aumento progressivo del valore d e quindi della velocità.
Circa ai 60 Km/h si inserisce anche uno shunt (in automatico).

ALe 642, E632/3, E652
In questo caso il chopper è trifrequenza, e quindi permette lo spunto senza utilizzare un apposita resistenza.
Le prime due frequenza servono quindi per l'avviamento, la terza per la marcia regolare.
Sui 632/3 abbiamo inoltre motori ad eccitazione separata: l'eccitazione nei campi induttori è controllata da un altro chopper, che stabilisce il valore di flusso magnetico in base ai comandi dell'elettronica di bordo, in modo da eliminare il "gradino" di shunt fisso delle elettromotrici.

Anche il Pendolino ETR 450 è provvisto di un circuito di trazione full chopper.

Naturalmente l'uso del chopper ha semplificato notevolmente i circuiti di trazione delle macchine permettendo un uso più razionale della potenza (basti pensare che su un E632 sono installati 3 motori, su una E646 ben 12). 8-)

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Nicola


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 Oggetto del messaggio: Re: Trazione elettrica - locomotive con elettronica di potenza
MessaggioInviato: 28 marzo 2009, 16:49 
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Nei mezzi di trazione costruiti a partire dagli anni '90, si è abbandonato il motore a corrente continua preferendo quello asincrono trifase.
Tutte le locomotive elettriche FS costruite dopo la E402A (compresa), i mezzi leggeri TAF, TSR e Minuetto TE, nonchè gli ETR 460/70/80, 500 e 600 sono dotati di questo tipo di azionamento.

In realtà il motore asincrono trifase non era una novità assoluta in ambito FS: già molti anni prima erano state costruite le locomotive trifasi (E332/3, E432, E553/4) con alimentazione da linea aerea bifilare.
L'ultima linea con questo tipo di alimentazione è stata la Alessandria-Savona nel tratto Cantalupo-San Giuseppe di Cairo, fino al 1976 quando si passò alla continua decretando la fine delle locomotive trifasi.
Il problema principale del trifase era l'eccessiva complicazione della linea bifilare, che dava problemi nelle deviate: addirittura se non ricordo male vigeva la prescrizione di abbassare i pantografi in caso di transito su ramo deviato di un deviatoio.

Ma il motore asincrono trifase ha rilevanti vantaggi rispetto a quello cc: richiede meno manutenzione ed è più economico da costruire.
Tale motore è costituito da un rotore che viene messo in moto da un campo magnetico rotante, a sua volta generato dalle 3 correnti sfasate di 120 gradi che circolano negli avvolgimenti dello statore.
Per avere una spiegazione più completa vi consiglio questo link: http://www.electroportal.net/vis_resour ... ezio&id=45

Il circuito di trazione dei mezzi a inverter, è indicativamente così composto.

[linea di contatto] - pantografo - IR - filtro rete - chopper (solo su alcuni mezzi) - inverter - motori - [rotaie]

Il chopper serve a livellare la tensione su un valore da mantenere costante, al fine di far funzionare meglio l'inverter, indipendentemente dalla tensione di linea: alcuni mezzi (TAF, Minuetto) ne sono privi.

Nel motore asincrono trifase, la velocità di rotazione del rotore è strettamente connessa a due parametri:
- il numero di poli
- la frequenza di alimentazione

Seguendo la relazione:

n = 60 * f/p

Dove n rappresenta la velocità di rotazione espressa in giri per minuto, f la frequenza di alimentazione, p il numero di coppie polari.
Possiamo quindi usare due strade per modificare la velocità di rotazione dell'indotto (rotore): o si varia il numero di poli, o si varia la frequenza.
Naturalmente, con l'elettronica di potenza e i semiconduttori, risulta molto più semplice variare la frequenza.
Per questo motivo nel circuito di trazione è inserito l'inverter: per mezzo di componenti elettronici quali i GTO (o gli IGBT più recentemente), la tensione continua di linea viene convertita in 3 tensioni sfasate di 120 gradi, con frequenza e valore variabili.

Abbiamo già visto che oltre alla velocità di rotazione dell'indotto, è anche importante la coppia motrice: non si più avere aumento di velocità senza applicare una certa coppia motrice.
La coppia è direttamente proporzionale al valore di flusso Ф.
Nel nostro motore asincrono trifase il flusso è ricavabile dalla seguente relazione:

Ф = V/f

Pertanto, possiamo distinguere due fasi di funzionamento del motore.
1) inizialmente il rapporto V/f si mantiene costante: dunque, aumenta la frequenza (e quindi la velocità) e contemporaneamente la tensione ai morsetti dei motori, la coppia rimane conseguentemente costante.
2) arrivati a un determinato valore, V non può più essere aumentato, perchè si supererebbero i valori nominali di tensione di funzionamento del motore: si può quindi agire solo sulla frequenza.
Pertanto, la velocità aumenta e la coppia diminuisce progressivamente.

Naturalmente, man mano che aumenta la tensione V, aumenta anche la corrente assorbita dalla linea, per effetto della legge di Ohm.

Il valore di coppia che la macchina deve erogare è ovviamente impostato dal macchinista tramite l'apposta leva; la coppia effettiva erogata rispetta le due situazioni citate sopra.

Nell'ETR 500, si usa un convertitore di trazione che comprende anche gli inverter di trazione.
Nel funzionamento sotto i 25 kV, si usano dei GTO per raddrizzare la tensione alternata monofase e convertirla a valori atti ad alimentare gli inverter.
Sembrerà assurdo, ma durante il funzionamento in AV la corrente viene convertita due volte.
Da alternata monofase 25 kV viene abbassata e raddrizzata, quindi raggiunge l'inverter dove viene ritrasformata in alternata trifase, dopodichè finalmente raggiunge i motori dopo la modulazione da parte degli inverter.

Spero di non aver scritto inesattezze...nel caso correggetemi. :D

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Nicola


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 Oggetto del messaggio: Re: Trazione elettrica - locomotive con elettronica di potenza
MessaggioInviato: 25 novembre 2009, 19:56 
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Iscritto il: 16 agosto 2009, 20:58
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Ciao! Volevo solo fare una segnalazione sul perchè nella linea AV viene fatta la doppia conversione. Con gli ETR500 di prima serie (le E404 / E414 monotensione) era prevista una velocità superiore a quella attualmente ritenuta la massima. Tuttavia con le prime prove in linea si notò che per portare il treno a velocità molto elevate, l'assorbimento elettrico diventava eccessivo per il filo di contatto a 3000vcc e quindi si limitò la velocità.
Con la linea AV invece, grazie ai 25kV si ha un assorbimento di corrente inferiore per la legge di Ohm. I sistemi di trazione poi abbassano la tensione, aumentando i valori di corrente mantenendo costante la potenza assorbita dalla linea di contatto, e quindi poi gli inverter e il resto lavorano per azionare i motori di trazione come se fossimo sotto i 3kv :P


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 Oggetto del messaggio: Re: Trazione elettrica - locomotive con elettronica di potenza
MessaggioInviato: 25 novembre 2009, 20:25 
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ciao nicola 91, stavo leggendo il tuo articolo sulle macchine a trazione chopper, e leggendo spiegavi che anche il 401 era a chopper, per evitare i gradini di corrente all'avviamento, ma quella macchina era dotata di avviamento reostatico fino 55-60 kmh per la serie (dipende dalla tensione di linea) e sopra i 110-115 kmh per il parallelo, solo quando lacorrente scendeva sotto i 180 ampere (nelle 2 combinazioni potevi agire sullindebolimento del corrente di campo, attraverso un sistema ingegnoso, che faceva scorrere meno corrente nei campi con percentuali cha andavano dal max 27% al piena campo 100%. il reostato veniva usato anche nelle transizioni da serie parallelo per consentire una graduale salita delle correnti in funzione delle velocità raggiunte.lo stesso veniva usato anche in frenatura elettrica, calcolando che quel mezzo non aveva la frenatura combinata, o l'elettrica fino al terzo gradino del regolatore del freno o la pneumatica dalla 4 fino all'ultimodella rapida.
spero di essere stato chiaro a presto rileggerti ugo


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 Oggetto del messaggio: Re: Trazione elettrica - locomotive con elettronica di potenza
MessaggioInviato: 26 marzo 2010, 0:31 
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Ciao Nicola, leggo solo ora questo topic interessantissimo; proprio in questi giorni stavo ricercando info sul funzionamento di loco elettroniche. Un po' di cose però non riesco a capire, vedo se posso trovare approfondimenti su internet... nel frattempo volevo chiederti alcune cose "principali".
Tu hai detto che il chopper è un interruttore che apre e chiude un circuito e, grazie a questi movimenti, riesce a regolare la tensione fornita al motore; ma come è possbile variare una tensione semplicemente aprendo e chiudendo un interruttore? I tiristori come agiscono nel dettaglio nel chopper?
Infine volevo saperne di più sull'inverter e sul filtro di rete. Per quanto riguarda l'inverter, nell'ETR500 (come hai riportato nell'esempio) serve a trasformare la corrente in uscita dai GTO in AC 3fase per poi ripassare per l'inverter per la modulazione. E' così più o meno? E, a proposito, la modulazione come viene effettuata?
Per quanto riguarda invece il filtro di rete, da quanto ho capito è come un filtro contro eventuali correnti parassite. O sbaglio?

Già vi ringrazio per i chiarimenti!! ;) 8-)
ciao ciao

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 Oggetto del messaggio: Re: Trazione elettrica - locomotive con elettronica di potenza
MessaggioInviato: 26 marzo 2010, 17:09 
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Due risposte molto semplicistiche e col beneficio di inventario (dovrei rivedere la mia dochiumentescion):
  • Cita:
    grazie a questi movimenti, riesce a regolare la tensione fornita al motore; ma come è possbile variare una tensione semplicemente aprendo e chiudendo un interruttore

    se ricordo bene lo si fa variando il duty cycle del chopper, in pratica variando il tempo in cui sta acceso e fa "passare" tensione si varia il modo in cui questa arrivi al motore...
  • Cita:
    er quanto riguarda invece il filtro di rete, da quanto ho capito è come un filtro contro eventuali correnti parassite

    sempre se ricordo bene, si tratta di un filtro LC che disaccoppia il circuito di trazione dalla rete nei confronti delle odiatissime armoniche a 50 Hz :ugeek: :ugeek:

  • Qui c'è qualcosa di più approfondito :geek: :geek:

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 Oggetto del messaggio: Re: Trazione elettrica - locomotive con elettronica di potenza
MessaggioInviato: 27 marzo 2010, 0:25 
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Grazie per le ulteriori info. Però mi resta sempre da digerire come può un "quasi-interruttore" regolare una tensione :|

Ciao ciao

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MessaggioInviato: 27 marzo 2010, 21:43 
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*Lorenzo* ha scritto:
Però mi resta sempre da digerire come può un "quasi-interruttore" regolare una tensione :|
Modificandone il valore medio della corrente alternata "affettandola" (in inglese chopper significa mannaia).
http://it.wikipedia.org/wiki/Chopper_%28elettrotecnica%29

PietroB ha scritto:
Con la linea AV invece, grazie ai 25kV si ha un assorbimento di corrente inferiore per la legge di Ohm
La legge di Ohm (R=V/I) non c'entra con l'assorbimento. Il minor assorbimento è dovuto alla fomula P=V*I, ossia, a parità di potenza, se la tensione è 8 volte più grande, la corrente assorbita è 8 volte più piccola.

nicola91 ha scritto:
Il problema principale del trifase era l'eccessiva complicazione della linea bifilare, che dava problemi nelle deviate: addirittura se non ricordo male vigeva la prescrizione di abbassare i pantografi in caso di transito su ramo deviato di un deviatoio.
No, gli archetti venivano abbassati durante i transiti in velocità sugli scambi mentre, solitamente, le deviate si facevano a 30 all'ora. Il motivo era per non sollecitare meccanicamente il tratto di intersezione delle 2 fasi, che, per evitare i corto circuito, era realizzato con stanghe di materiale isolante, molto più delicate dei conduttori in rame.

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MessaggioInviato: 8 aprile 2010, 18:15 
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*Lorenzo* ha scritto:
Tu hai detto che il chopper è un interruttore che apre e chiude un circuito e, grazie a questi movimenti, riesce a regolare la tensione fornita al motore; ma come è possbile variare una tensione semplicemente aprendo e chiudendo un interruttore?

Attenzione che non si tratta di un interruttore nel senso comune del termine, cioè il classico interruttore on/off della luce. :lol:
Alla base del funzionamento del chopper c'è il tiristore: è un componente provvisto di tre connettori, cioè anodo (A), catodo (K) e gate (G); un impulso che arriva al gate comanda il passaggio di corrente (ricordiamoci che l'anodo è collegato al positivo del circuito, il catodo al negativo).
Ovviamente l'impulso al gate arriva dall'elettronica di comando del chopper, che ovviamente è direttamente collegata con gli apparati di cabina del mezzo di trazione.
I tiristori utilizzati per le prime macchine a chopper (E632/3, ALe 724 e simili) erano di tipo SCR, e il problema era gestire lo spegnimento: infatti, se per l'accensione bastava un piccolo impulso sul gate, per lo spegnimento era necessario avere altri tiristori ed un condensatore, in modo da "bloccare" la conduzione del tiristore principale tramite una tensione applicata al catodo.
Tutto ciò ovviamente in frazioni di secondo...e infatti la frequenza di funzionamento del chopper è data dal numero di cicli accensione/spegnimento al secondo.

I mezzi più recenti utilizzano invece tiristori a GTO o IGBT (ancora più recente), che eliminano le complicazioni relative allo spegnimento e permettono di lavorare con frequenze e correnti più elevate. 8-)

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MessaggioInviato: 23 aprile 2010, 9:46 
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Ciao Nicola, grazie per l'approfondimento!! ;)

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