In questo lavoro si vogliono dare le motivazioni di una

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1 Vettura tranviaria della linea Trieste-Opicina Il perché di un revamping: un caso concreto riferito alla vettura tranviaria 405 REVAMPING & RETROFITTING REVAMPING & RETROFITTING Ing. Raffaele Nobile Direttore di esercizio dell'impianto misto tranvia/funicolare, di proprietà del Comune di Trieste ed esercito dalla TRIESTE TRASPORTI SpA, Trieste In questo lavoro si vogliono dare le motivazioni di una scelta, apparentemente anacronistica, ma di grande significato per una città come Trieste che sa coniugare l antico col moderno. Il parco attuale L attuale parco tranviario è composto da sei vetture a carrelli, costruite dalle Officine Meccaniche La Stanga di Padova per la parte carrozzeria, dalle Officine BRILL di Parigi per i carrelli e dalla Tibb (Tecnomasio Italiano Brown Boveri) di Milano per l equipaggiamento elettrico. Dette vetture furono consegnate in due periodi distinti: le vetture dal n 401 al n 405 furono consegnate nel 1935, le vetture n 406 el n 407 furono costruite durante il periodo autarchico e furono consegnate nel 1942, quando era in corso la seconda Guerra Mondiale. Del parco macchine iniziale manca la vettura no 403 radiata a seguito di un gravissimo incidente (non quello della famosa canzone, accaduto ben prima, quando sull impianto vi era ancora la cremagliera) avvenuto nella mattinata del 28 novembre 1975 in discesa all imbocco dei rettilineo di Conconello quando a causa perdita di aderenza e conseguente aumento vertiginoso della velocità la vettura deragliò impattando contro un muro di contenimento. La vettura n 405 attualmente in revisione generale, Fig. 2 Tram oggetto del revamping 1 Fig , anno dell'inaugurazione della linea 2 che collega Trieste ad Opicina verrà equipaggiata con un sistema di azionamento a chopper costruito dall Ansaldo Breda di Napoli. Detta vettura sarà la prima delle sei in dotazione a ripristinare il recupero di energia elettrica in fase di discesa (come avveniva dal 1902 fino all aprile del 1928); attualmente il sistema di regolazione di tipo reostatico non prevede alcun tipo di recupero di energia elettrica. Le caratteristiche della linea Ad oggi il binario è armato nel seguente modo: Lo scartamento è di 1000 mm Il tratto in aderenza cittadino (Piazza Oberdan - Piazza Scorcola) è armato con rotaie a gola profilo HC e IC da 49 kg/m ca. montate su traversine in legno. MANUTENZIONE, Tecnica e Management - GENNAIO

2 Il tracciato di 799 m della funicolare è armato con rotaia a fungo da 27 kg/m e traversine in ferro dotate al centro di rulli guidafune in ghisa (ca. 730 pz. diritti e 50 pz. inclinati). Il resto del tracciato (tranne che per brevi tratti di attraversamento stradale, mantenuti con rotaia a gola) è realizzato con rotaie a fungo da 36 kg/m e traversine in legno di rovere. Sono in via di graduale sostituzione gli scambi ed alcuni tratti di binario nell intento di unificare l armamento a 50 kg/m. La pendenza media è del percorso è del 5% ma sul percorso funicolare sono presenti alcuni tratti con pendenza del 26%. I raggi di curva vanno da un minimo di 25 m (Piazza Dalmazia) fino a 200 m. La sopraelevazione è 0 / +100 mm massimo. La tratta di 250 m ca. che si trova nel tratto cittadino nella zona di Piazza Dalmazia è attualmente in fase di rifacimento. Viene totalmente sostituito l armamento dotando lo stesso di particolari accorgimenti tecnici atti a limitare le vibrazioni e la rumorosità al transito delle vetture tranviarie. La linea di contatto in rame con sezione da 100 mmq è interamente sostenuta da pali e mensole in acciaio. La poligonazione è +/- 200 mm. La tensione di alimentazione di 600 Vdc è garantita da una stazione di conversione 10/0.6 kv con due gruppi IRCI - SECOWEST statici da 1800 A ciascuno. La captazione dell energia elettrica sulle vetture UNION avveniva attraverso un trolley; con la messa in servizio delle vetture a carrelli il trolley fu abbandonato per far posto al più moderno ed ancora attuale pantografo. In questa premessa, magari troppo lunga e forse un pò pedante ci sono tutte le motivazioni che hanno portato la Società, nell intento di dare continuità al servizio tranviario ed a non modificare la tipologia delle vetture utilizzate, ad optare per il revamping delle vetture tranviarie. L attaccamento dei triestini al tram ed in particolare alla caratteristica foggia delle vetture ed alla storia che le stesse sanno raccontare con la loro sola presenza sono tutti elementi che hanno fatto del tram di Opicina un emblema della città. I motivi del Revamping Di norma ogni venti anni circa i nostri tram sono sottoposti a revisione generale, il che comporta la scomposizione del mezzo nei suoi componenti principali e la sostituzione o la ricostruzione dei particolari che denunciano usure accentuate o marcati malfunzionamenti: fossero essi della cassa, dei carrelli, degli assali, dei motori di trazione, dell impianto pneumatico, dell impianto elettrico. E superfluo evidenziare che tali operazioni, con il passare degli anni, si sono rivelate sempre più complicate da realizzare, vuoi perché a volte si tramutavano in vere e proprie operazioni di restauro, e vuoi soprattutto perché cominciavano a non essere più reperibili, se non attraverso la solidarietà di Aziende consorelle, ricambi vitali quali valvole pneumatiche, controller, contatti in rame, banchi di resistenza, teleruttori e, particolare affatto trascurabile, caminetti non contenenti amianto. Questo stato di cose ha trovato il punto di più alta crisi quando, a seguito di incidente stradale che ha visto coinvolti un autobus con targa estera con un nostro tram, la vettura 405 per la precisione che nell occorso ha riportato ingenti danni con la completa distruzione della cabina di guida e di tutte le apparecchiature elettriche colà afferenti, ci si è trovati davanti al dilemma: demolire o ricostruire? Se si ricostruisce, a quali costi e con quali rischi di non poter portare a termine l operazione per mancanza di ricambi? Se si demolisce, dove reperire una vettura di pari caratteristiche per sostituirla nell esercizio? Tutti questi fattori ci hanno indotto a prendere in considerazione l idea di sottoporre a revamping la vettura 405 lasciando intatta la struttura esterna, non lasciandoci però sfuggire l occasione per introdurre nel sistema elettrico elementi che apportassero economicità di gestione e maggior sicurezza di esercizio. La scelta è caduta su un impianto a chopper che ci consentiva di raggiungere i seguenti obbiettivi: 1) portare a termine senza sorprese la revisione 2) garantire la reperibilità dei ricambi per un altro congruo numero di anni. 3) ridurre drasticamente i consumi energetici (Ansaldo li ha valutati intorno al 50%) 4) introdurre una maggior sicurezza di marcia per la riduzione degli episodi di perdita di aderenza (il chopper è programmato per funzionare alla stessa stregua dell ABS delle autovetture) 5) semplificare i comandi di guida a disposizione dei manovratori che non agiranno più direttamente sulla tensione di linea ma agiranno su correnti a bassa tensione che piloteranno la linea di potenza. L intervento di ristrutturazione si concretizza attraverso la fornitura di un azionamento tranviario a chopper di ultima generazione (ad I.G.B.T.), vale a dire che trattasi di una circuitazione che in realtà è un inverter ad IGBT che tramite opportuno software funziona da chopper: questa configurazione potrà consentirci in un prossimo futuro di sostituire gli ingombranti motori di trazione a corrente continua (i motori sono tutti quelli originali delle vetture seppure riavvolti e isolati in classe H) con dei più leggeri e affidabili motori asincroni a gabbia di scoiattolo, eliminando cosi l emissione di disturbi radioelettrici dovuti a scintillio delle spazzole sui collettori e semplificando le operazioni di manutenzione sugli stessi data l assenza di contatti striscianti. Il chopper ad IGBT per il tram di Opicina - Considerazioni generali Si descrive qui di seguito lo studio per l applicazione di un azionamento di trazione di tipo chopper ad IGBT per la riqualificazione di vetture tranviarie di proprietà dell Azienda di trasporto pubblico di Trieste ed attualmente in 20 MANUTENZIONE, Tecnica e Management - GENNAIO 2005

3 esercizio sulla trenovia Trieste- Opicina. L azionamento elettrico di tipo chopper che ad IGBT è stato sviluppato per dare una risposta tecnologicamente avanzata alla crescente domanda, presente nel mercato, di upgrading di vetture per trazione leggera con equipaggiamento tradizionale a motori DC. L azionamento a chopper consente di applicare ai motori di trazione una tensione media variabile con continuità da zéro ad un valore massimo prossimo alla tensione della linea di alimentazione, realizzando in tal modo avviamenti graduali, confortevoli e non dissipativi di energia e consentendo ai motori di lavorare su una gamma praticamente infinita di curve economiche sforzo-velocità. La possibilità di applicare coppie motrici e frenanti variabili con continuità consente inoltre lo sfruttamento ottimale dell aderenza ruota-rotaia, limitando la brusca applicazione di sforzi suscettibili di innescare slittamenti o pattinamenti, l eventuale ripresa dei quali è facilitata dalla logica di controllo del chopper. La presenza dì un ponte di configurazione costituito da dispositivi a semiconduttore consente la trazione e la frenatura sia in marcia avanti che in marcia indietro, escludendo l impiego di organi elettromeccanici nel cassone del convertitore. Le possibilità operative di- guida di un veicolo con azionamento a chopper sono notevolmente più ampie di quelle consentite da un equipaggiamento tradizionale. E possibile graduare a piacere la velocità sulla quale si intende stabilizzare la marcia. L utilizzo di dispositivi IGBT, con le loro caratteristiche innovative, hanno consentito un notevole miglioramento delle prestazioni, con potenziali vantaggi in termini di riduzione dei tempi di percorrenza ed aumento dell affidabilità. Architettura di sistema Dal punto di vista costruttivo, I azionamento tipo per il quale è stato sviluppato il chopper ad IGBT, è articolato su due colonne identiche fra loro, ognuna delle quali alimenta un gruppo motore di trazione, costituito da due motori in serie a corrente continua ad eccitazione serie, in modo che siano perseguiti i seguenti obiettivi: riserva di funzionamento intrinseca a bordo del veicolo modularità del sistema migliore utilizzo delle prestazioni semplificata riconfigurazione del sistema Dunque il sistema di trazione è intrinsicamente ridondante, in modo da ridurre praticamente a zero la perdita di corse dovute ad avaria dell azionamento. E previsto inoltre, come in uso a tutti i moderni sistemi di trazione, un interruttore extratrapido per il distacco veloce dell azionamento dalla linea. Un opportuno filtro è inserito tra convertitore a chopper e linea di alimentazione, in modo che siano ridotti i disturbi elettro-magnetici in linea generati dagli assorbimenti impulsivi del convertitore stesso. REVAMPING & RETROFITTING Prestazioni Gli equipaggiamenti sono realizzati su due azionamenti identici tra loro, prelevando corrente per mezzo di un unico pantografo azionato elettricamente dalla linea aerea dì alimentazione a 600 Volt Durante la trazione il chopper è configurato come stepdown e la regolazione consente di effettuare l avviamento sulla base dell accelerazione richiesta a manetta con controllo del jerk massimo. Lo shuntaggio campi motore può essere utilizzato per consentire prestazioni più spinte e maggiore flessibilità di utilizzo. La frenatura a recupero, che impone la scelta del chopper reversibile, viene impiegata ogni volta che le condizioni della linea lo consentono. La regolazione del chopper consente la frenatura elettrica a recupero anche in presenza della minima tensione di linea. In questa fase il ponte di configurazione configura il chopper come step-up ed il controllo determina il duty cycle sulla base della decelerazione richiesta. Caratteristiche principali Tensione nominale di ingresso: 600 Vcc (+20% / -33%) Corrente nominale di uscita: 400 Acc Tensione media in uscita: regolabile da 0 a 0,98 Vin Frequenza di funzionamento: 1200 Hz Rendimento a carico nominale: > 97 % Diagnostica L utilizzo di unità diagnostiche per il controllo dello stato di efficienza dell azionamento è previsto già in fase progettuale, e pertanto il prodotto è concepito e costruito in maniera complementare al facile uso dell apparecchiatura diagnostica. In particolare i diversi sottoassiemi costituenti I azionamento, ed in particolare le schede di pilotaggio e di regolazione sono state progettate con l obiettivo di fornire indicazioni diagnostiche sia sul proprio stato che su quello dei parametri critici dell azionamento. La comunicazione seriale tra azionamento e logica di veicolo rende possibile il trasferimento di dati e/o comandi tra le due unità II sistema di diagnostica ON BOARD funge da guida operatore, fornendo le indicazioni operative necessarie al manovratore in caso di una qualsiasi anomalia. Tali indicazioni possono essere visualizzate tramite monitor ed un apposito software. E possibile prevedere la visualizzazione sul monitor, in assenza di anomalie, di alcune informazioni sullo stato dell azionamento, ed in particolare i valori delle grandezze analogiche rilevate, i parametri della regolazione, lo stato generale del veicolo. II sistema diagnostico in oggetto viene inoltre utilizzato dal personale di depositi e di officina come ausilio alle operazioni di manutenzione attraverso lo scarico di informazioni memorizzate a terra. MANUTENZIONE, Tecnica e Management - GENNAIO

4 Fig. 3 Dati caratteristici delle 6 vetture componenti l'autoparco Caratteristiche innovative II convertitore a chopper con IGBT presenta delle innovazioni tecnologiche all avanguardia nell elettronica di potenza rispetto all equivalente sistema tradizionale a tiristori o a GTO. Le caratteristiche innovative del convertitore in oggetto riguardano essenzialmente l utilizzo dei nuovi dispositivi IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) i quali uniscono i vantaggi dei dispositivi elettronici di potenza unipolari e bipolari; in particolare: la ridotta energia richiesta per il pilotaggio e la elevata velocità di commutazione dei dispositivi comandati in tensione, e la bassa caduta in saturazione dei dispositivi bipolari. I vantaggi conseguenti dall utilizzo di tali dispositivi, rispetto ai GTO, si possono così riassumere: aumento della frequenza di funzionamento del chopper, il che consente l eliminazione dell induttanza di spianamento e la riduzione dell induttanza di filtro. semplificazione del circuito di snubber, non essendo richiesta una induttanza di protezione grazie alle capacità di sovraccarico in corrente dell IGBT eliminazione degli alimentatori e delle unità amplificatrici per il pilotaggio delle gate dei GTO, con conseguente sensibile riduzione d ingombro e di peso. Nella soluzione ad IGBT il pilotaggio è realizzato da una unica sche- 22 MANUTENZIONE, Tecnica e Management - GENNAIO 2005

5 REVAMPING & RETROFITTING Fig. 4 Cassone del chopper in fase di collaudo Fig. 6 Il joistik del chopper da a ingresso optoisolato, che include in se le funzioni di alimentazione, timing e diagnostica. Manutenibilità La manutenibilità degli azionamenti tradizionali risulta sempre più difficile ed onerosa per la progressiva scomparsa delle parti di ricambio. La tendenza per gli azionamenti attuali prevede, insieme alla ricerca di prestazioni sempre maggiori, la riduzione di tempi e costi della manutenzione con l obiettivo di aumentare la disponibilità in esercizio dei rotabili. Tale obiettivo richiede al sistema manutentivo di adeguarsi alle modificate caratteristiche delle apparecchiature elettroniche. Va ricordato a tale proposito che i moderni apparati elettronici, causa l elevata affidabilità, rendono pressoché insignificanti le operazioni di manutenzione preventiva, mentre quelle di manutenzione correttiva appaiono semplificate dalla struttura modulare dell azionamento in oggetto. Inoltre la elevata affidabilità dei sottoassiemi consentirà di ridurre sia il numero di operazioni sia lo stock di materiali di ricambio necessari. La disponibilità dei sistemi diagnostici sia ON-LINE che OFF-LINE consentirà inoltre di accelerare le operazioni di ricerca guasti e quindi ancora i tempi di manutenzione, con un limitato impegno di training del personale. Un dettagliato manuale di uso e manutenzione appare uno strumento indispensabile per una descrizione completa dei materiali e delle attrezzature da utilizzare nella manutenzione. Conclusioni L azionamento a chopper riduce la dissipazione resistiva dell energia, sia in trazione che in frenatura, a valori notevolmente più bassi rispetto agli azionamenti a reostati. La modulazione continua consentita dagli IGBT consente di regolare con continuità i parametri elettrici del funzionamento dei motori di trazione, in modo da adattarlo in modo dolce alle esigenze della tratta. L assorbimento di energia dalla rete di distribuzione è in pratica limitato alla differenza tra l energia richiesta dalle vetture in fase motrice e quella generata dalle vetture in fase frenante. Per le particolari caratteristiche della tratta in esame si può ritenere che l inserimento di elementi a dissipazione resistiva nel circuito di potenza sia limitato ad una piccola percentuale del tempo di utilizzo, e che la percentuale di energia recuperata si avvicini al 30% di quella totale, in dipendenza delle effettive condizioni della linea e dell esercizio. Fig. 5 Il controller elettromeccanico L articolo è tratto dal Project Work che Raffaele Nobile ha realizzato come prova d esame durante la partecipazione al Master Maintenance Manager di Festo Academy. Raffaele NOBILE, nato a Napoli 57 anni orsono, è laureato in ingegneria meccanica. Lavora dal 1979 nell Azienda di Trasporto Pubblico Locale di Trieste (prima Azienda Consorziale Trasporti attualmente Trieste Trasporti SpA). Ha operato sin dall inizio nella Manutenzione che per un azienda di trasporto di persone è un core business. Attualmente è direttore l Autore di esercizio della funicolare terrestre che è asservita alla tranvia Trieste Opicina che collega il centro cittadino con l altipiano carsico. Recentemente ha preso parte al Master Maintenance Manager organizzato da FESTO Academy. Al momento è impegnato nella revisione ventennale dell impianto a fune (ex DM ) e nel revamping di tutte le vetture tranviarie MANUTENZIONE, Tecnica e Management - GENNAIO