INGEGNERIA DEI SISTEMI IDRAULICI E TRASPORTO. Tecnologie dei sistemi di trasporto. Trazione Elettrica. Corso di. Prof.

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1 INGEGNERIA DEI SISTEMI IDRAULICI E TRASPORTO Corso di Tecnologie dei sistemi di trasporto Prof. Francesca Pagliara Trazione Elettrica Prof. Francesco Murolo

2 Propulsione Trazione Trazione elettrica Mezzi di trazione con motori elettrici Regolazione di velocità dei motori elettrici 2

3 Propulsione 3

4 Propulsione: definizione Propulsione spinta in avanti sistema di propulsione esistenza di una forza capace di imprimere il moto ad un corpo utilizzando la sua reazione d inerzia per cui questo può essere spinto in una determinata direzione vincendo la resistenza al moto e fornendo l accelerazione desiderata Il mezzo che riceve spinta in avanti è detto veicolo. 4

5 Propulsione: le funzioni fondamentali Funzioni fondamentali relative al moto dei veicoli Sostentazione Contatto verticale tra veicolo e superficie su cui il veicolo si muove e traferisce il suo peso Propulsione (Sistema di propulsione) Trasforma un energia di qualsiasi tipo in energia di traslazione ovvero necessaria per la spinta Guida Modo in cui si determina la traiettoria del veicolo ed è assicurata la stabilità laterale del veicolo stesso libera vincolata 5

6 Propulsione: il sistema di propulsione Riferendoci a veicoli dotati di motore, il sistema di propulsione (chiamato anche sistema moto propulsore) è formato da: un motore: trasforma energia di diversa natura in energia meccanica; una trasmissione: trasmette l energia meccanica dal motore al propulsore; un propulsore: trasforma l energia meccanica prodotta dal motore in energia di traslazione per il veicolo. Il sistema di propulsione Motore Trasmissione Propulsore 6

7 Il sistema di propulsione: il propulsore (tipi) R M D/2 O F RUOTA MOTRICE -F O P a A RISUCCHIO SCIA v 1 +?v D E D M SPINTA ELICA A A a GETTO o REAZIONE T P b DIRETTA B B 7

8 Il sistema di propulsione: il propulsore (tipi) Propulsore Ruota motrice Elica (traente o spingente) Getto o reazione diretta Fenomeno dell aderenza sulla ruota (motrice) a cui è applicata una coppia motrice Fenomeno di reazione dovuto alla variazione della quantità di moto del fluido in cui è immerso il velicolo Si realizza con scarico ad alta velocità di un fluido in un altro fluido in direzione contraria a quello del moto Trasporto terrestre Trasporto terrestre Trasporto navale e aereo Trasporto terrestre Trasporto navale e aereo o missilistico Coppia cinemantica Ruota Rotaia Ruota Strada ordinaria Solido fluido Fluido fluido Nel caso del getto, il motore coincide con il propulsore. 8

9 Trazione Propulsione terrestre trasporto terrestre 9

10 Trasporto terrestre Trazione spinta in avanti sistema di trazione per i veicoli terrestri, trazione è sinonimo di propulsione Il veicolo che riceve spinta in avanti è detto mezzo di trazione quando è dotato di motore I veicoli dotati di motore nel trasporto a guida vincolata sono: locomotori; automotori. Senza motore: veicoli rimorchiati. 10

11 Trazione: i veicoli Veicoli terrestri Il mezzo di sostentazione più diffuso è la ruota Strada ferrata Strada ordinaria Sistema moto propulsore (fenomeno dell aderenza) Motore a c.i. Motore elettrico Ruota MOTRICE di acciaio Motore a c.i. Motore elettrico Ruota MOTRICE di gomma Sostentazione Ruota di acciaio (portante e motrice) Ruota di gomma (portante e motrice) Guida Guida vincolata Guida libera Moto della traiettoria unidirezionale Moto della traiettoria bidirezionale 11

12 Trazione: le funzioni fondamentali Sostentazione Veicoli convenzionali : Ruota in gomma su pavimentazione stradale. Ruota in acciaio su rotaia in acciaio. Sistema di propulsione Motore Trasmissione Ruote motrici Guida Libera: la traiettoria è scelta dal guidatore, la stabilità laterale è assicurata dall aderenza trasversale. Vincolata: la traiettoria e la stabilità laterale sono assicurate dalla interazione bordino della ruota rotaia. 12

13 Trazione: il sistema di trazione Un sistema di trazione in generale fa riferimento al tipo di motore di trazione utilizzato o dal veicolo stradale o dal mezzo di trazione ferroviario. In realtà i diversi sistemi di trazione possono essere associati alle diverse infrastrutture di trasporto. Inizialmente in ferrovia la trazione a vapore era la sola utilizzata, successivamente si utilizzò anche la trazione elettrica, diesel e diesel-elettrica. La sola trazione elettrica richiede impianti di alimentazione (sottostazioni SSE e linea aerea TE). Quando l energia è prodotta a bordo del mezzo di trazione si parla di trazione diesel-elettrica. La trazione stradale utilizza motori a combustione interna (a benzina, a gasolio, a benzina-gpl e benzina-metano); recentemente vengono anche utilizzati motori ibridi (a combustione interna-elettrici) e motori innovativi (elettrici, ad idrogeno, ecc.). 13

14 Trazione: il propulsore 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 ). Si dice che si verificano le condizioni di aderenza per una ruota soggetta al peso P a ed alla forza tangenziale F se R M O r a a F M F r A f P R F A essa rotola senza strisciare o slittare. -F O P a A 14

15 Trasporto terrestre: il fenomeno dell aderenza 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. 15

16 Trazione: l equazione generale del moto 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. 16

17 Caso ferroviario - Coefficiente di aderenza 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. 17

18 Trazione: l equazione generale del moto 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). 18

19 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). 19

20 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. Resistenze in piano e rettilineo R PR R A Resistenze addizionali R PRr R PRa R Ac R Ap Resistenze al rotolamento Resistenze dovute all aria Resistenze dovute alle curve Resistenze dovute alla pendenza COPPIA PERNO-CUSCINETTO: Attrito nei fuselli delle sale montate. COPPIA RUOTA-ROTAIA: - Deformazione ruota-rotaia; - Deformazione piano di appoggio; - Serpeggiamento; - Urti. - Pressione frontale; - Azione laterale; - Depressione nella parte terminale. - Solidarietà delle ruote con l asse; R - Parallelismo delle sale di un carrello; - urti tra i bordini. G 20

21 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 21

22 Trazione: la resistenza d inerzia 22

23 Trazione: considerazioni 23

24 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) 24

25 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. F F(v) forza acceleratrice M a R(v) 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. 0 v max v 25

26 LIMITE DI VELOCITÀ 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. F LIMITE DI ADERENZA 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. v 26

27 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. F, R P 1 P max P max >P 1 >P 0 P 0 POTENZA COSTANTE F max SFORZO COSTANTE sforzo acceleratore M a R RESISTENZE AL MOTO 0 v max v 27

28 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. F, R, P F, R, P F, R, P F max F max P 1 P max F max P 0 R R R 0 v max v 0 v max v 0 v max v 28

29 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. F, P, R Potenza crescente POTENZA COSTANTE Limite di aderenza F Servizi metropolitani F max SFORZO COSTANTE P max = F max v max Servizi ferroviari RESISTENZE AL MOTO v max v v 29

30 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. F LIMITE DI ADERENZA LIMITE DI POTENZA F,P F max P max DOMINIO DI REGOLAZIONE LIMITE DI VELOCITÀ SFORZO COSTANTE POTENZA COSTANTE v v 30

31 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: Coppia costante Potenza costante Velocità costante P,C P,C P,C C P C P P C Motore a combustione interna ω ω ω Motore elettrico 31

32 Caratteristiche meccaniche dei motori di trazione kn II I IV III I II III IV V VI motore ideale a vapore elettrico c.c. elettrico c.a. monofase elettrico c.a. trifase a combustione interna V VI Raffronto fra le curve caratteristiche meccaniche dei motori di trazione principalmente usati km/h 32

33 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. Motore C,n Trasmissione t v Ruote motrici F,v max 2 n 60 1 r max Cmax Fmax t r [rad/s]; D[m]; n [giri/min]; v [m/s] M M 33

34 Passaggio alla caratteristica meccanica dei motori In questo caso si può passare dalla caratteristica meccanica mezzo di trazione (F, v) a quello del motore (C, ω). Caratteristica meccanica C F C M P M F M P M ωm ω v M v Caratteristica meccanica del motore Caratteristica meccanica del mezzo di trazione C,ω F,v 34

35 Passaggio alla caratteristica meccanica dei motori telaio del carrello sospensione a naso albero motore motore di trazione Motore di trazione Ruota motrice? r assile cuscinetto ruota dentata cerchione Motore di trazione D p D r D? M MOTORE TRASMISSIONE RUOTA C, n F, v 35

36 Trazione elettrica Il sistema di trazione a) propulsore (ruota motrice) b) azionamento elettrico I. motore elettrico II. sistema di regolazione (convertitore) 36

37 Trazione elettrica Quando il motore di trazione è quello elettrico si parla di trazione elettrica. Sistema di alimentazione Alimentazione Motore (più apparato di regolazione: azionamento) Regolazione Motore elettrico Propulsore Sistema di Propulsione (di Trazione) 37

38 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. Energia Elettrica Convertitore Motore Energia Meccanica Schema elementare di azionamento elettrico Con il termine convertitore si intende sia un apparato di regolazione tradizionale ovvero con apparecchiature elettromeccaniche e sia un apparato elettronico ovvero con convertitori statici. 38

39 Trazione elettrica: l azionamento elettrico 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 (regolazione tradizionale). Con l elettronica di potenza si ottiene un azionamento con regolazione fine: numero infinito di caratteristiche meccaniche (dominio: regolazione elettronica). 39

40 Trazione elettrica: il sistema di trazione La fornitura a bordo di energia elettrica per l alimentazione dell azionamento avviene: a spese di un sistema di accumulo (veicolo elettrico puro); per generazione diretta da sorgenti locali (veicolo ibrido, dieselelettrico); per assorbimento da linea di contatto, cioè il motore riceve energia con una trasmissione a distanza dal luogo di produzione dell energia elettrica stessa (veicoli elettrici con captazione). Nei primi due casi la trazione elettrica riguarda unicamente il mezzo in movimento, nel terzo anche il sistema di distribuzione e di alimentazione e dunque l intero impianto e/o sistema di trazione. 40

41 Trazione elettrica: il sistema di trazione Senza captazione: veicolo elettrico puro Equipaggiamento di trazione (apparecchiature di regolazione) Sistema di alimentazione (batterie) Motore elettrico veicolo Senza captazione: veicolo diesel elettrico Equipaggiamento di trazione (apparecchiature di regolazione) Motore diesel Generatore elettrico (alternatore) Motore elettrico veicolo Sistema di alimentazione 41

42 Trazione elettrica: il sistema di trazione Senza captazione: veicolo ibrido serie batterie Equipaggiamento di trazione (apparecchiature di regolazione) Generatore elettrico (alternatore) Motore diesel Motore elettrico veicolo Sistema di alimentazione Senza captazione: veicolo ibrido parallelo Batterie e/o Fuel Cell Equipaggiamento di trazione (apparecchiature di regolazione) Sistemi di alimentazione Generatore elettrico (alternatore) Motore diesel Motore elettrico veicolo 42

43 Trazione elettrica: il sistema di trazione Linea aerea Con captazione Sistema di alimentazione Pantografo Equipaggiamento di trazione (apparecchiature di regolazione) veicolo Motore elettrico 43

44 Trazione elettrica: trasformazione energetica 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. Schema semplificativo delle leggi che governano i fenomeni elettromagnetici, meccanici, elettromeccanici e meccano-elettrici Leggi elettromeccaniche F B l i Legge sui circuiti elettrici e magnetici Leggi meccaniche E V P E i f.m.m. f.e.m E R i F F R P F v Leggi meccanoelettriche E B l v 44

45 Trazione elettrica: trasformazione energetica 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. 45

46 Trasformazione energetica: generatore elementare 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 i In questo modo si è riuscita ad E B ottenere la trasformazione di potenza F v R meccanica in potenza elettrica. 46

47 0 Trasformazione energetica: motore elementare 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). i V E v B F Nella schematizzazione elementare di una macchina elettrica, avviene una trasformazione di energia meccanica in energia elettrica e viceversa. 47

48 Trazione elettrica: i motori elettrici Vantaggi della trazione elettrica Prestazione Elevata densità di potenza. Capacità di sovraccarico. Reversibilità che permette l uso della frenatura elettrica. Accelerazioni/decelerazioni elevate. 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). Economicità e compatibilità ambientale Emissioni fortemente ridotte (teoricamente nulle). Bassa rumorosità del motore elettrico. Manutenzione limitata sulla parte elettrica ed elettronica. 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) 48

49 Trazione elettrica: i motori elettrici Motori elettrici Usati fino ad oggi per la trazione A corrente alternata A corrente continua Asincrono Sincrono Monofase a colletore A eccitazione serie A eccitazione in drivazione Caratteristica meccanica intrinsecamente idonea per la trazione Motori elettrici Modi di alimentazione Con captazione Senza captazione Linea di contatto Veicoli senza sistema di alimentazione a bordo Veicoli diesel elettrici Veicoli elettrici puri Veicoli con sistema di alimentazione a bordo Veicoli ibridi 49

50 Trazione elettrica: i motori elettrici F,v Per un veicolo intero Caratteristica meccanica diagramma che lega due grandezze meccaniche C,ω Per un singolo motore Caratteristiche elettromeccaniche diagramma che lega una grandezza elettrica con una meccanica I, ω C,I Corrente in funzione della velocità Coppia in funzione della corrente 50

51 Trazione elettrica Mezzi di trazione con motori elettrici 51

52 Motore a collettore ad eccitazione serie in c.c. 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. 52

53 Motore a collettore ad eccitazione serie in c.c. 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 53

54 Motore a collettore ad eccitazione serie in c.c. 54

55 Motore a collettore ad eccitazione serie in c.c. Statore o eccitazione Indotto o armatura Spazzole e collettore Indotto o armatura: Armatura r i = r a + r pa + r ac Poli ausiliari Avv. compensatori Eccitazione: r e Indotto+eccitazione: r a r pa r ac U + i r e E M p.a. a.c. r pa r ac r a p.p. r = r i + r e 55

56 Motore a collettore ad eccitazione serie in c.c. Schema del motore serie Indotto o armatura: Armatura r i = r a + r pa + r ac Poli ausiliari Avv. compensatori Eccitazione: r e Indotto+eccitazione: r a r pa r ac U + i r e E M p.a. a.c. r pa r ac r a p.p. r = r i + r e E U E r I e E k n C k ' I equilibrio del circuito elettrico trasformazione meccanoelettrica trasformazione elettromeccanica + I M U r e r e I 56

57 Motore a collettore ad eccitazione serie in c.c. CARATTERISTICA ELETTROMECCANICA C C(n) CARATTERISTICA MECCANICA C(I) C(n)=costante I n n(i) I CARATTERISTICA ELETTROMECCANICA 57

58 Motore a collettore in c.a. 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). R S I s R 58

59 Motore a collettore in c.a.: circuito equivalente 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. Avvolgimento d'indotto E Avvolgimento compensazione Avvolgimento dei poli ausiliari I M a.c. p.a. U p.p. Avvolgimento d eccitazione 59

60 Motore a collettore in c.a.: caratteristiche,i I M,I I t M t t t I I sen t M M sen t MIM M K I K cos cos 2 t 2 60

61 Motore asincrono trifase (in c.a.) Vantaggi rispetto motore c.c. Problematiche prima di utilizzo inverter 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. 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.). 61

62 Motore asincrono trifase (in c.a.) 62

63 Confronto dimensionale motori (stessa potenza) Motore DC a collettore Motore asincrono trifase 63

64 Confronto locomotori DC e AC Traction drive of: rated power: maximum torque: maximum speed: mass (without gear): moment of inertia: E103: 1230kW at 1520 min Nm for 5 min 1600min kg 120kg m 2 E152: 1633kW at 2280 min Nm constantly 4000min kg 18,4kg m 2 Dimensions:

65 Caratteristica meccanica motore asincrono C K f C M s f C K f K 2 X 4 L R X 0 2 R2 s f 2 L C M s R R s X 2 2 C C M C Tratto instabile della caratteristica 0 n n 0 Caratteristica meccanica motore asincrono Caratteristica ideale per la trazione n s 1 s f n f 2 f f

66 Trazione elettrica Regolazione di velocità dei motori elettrici 66

67 Regolazione di velocità del motore 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. 67

68 Azionamento tradizionale in c.c.: regolazione di velocità E k n E n k U E r I E U r I n U r I k I E M U r ri 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); 68

69 Azionamento tradizionale in c.c.: regolazione di velocità Linea di contatto 1,5-3 kv c.c. F, R Transizione serie-parallelo F M Apparecchiature di regolazione Reostato Regolazione reostatica Motore di trazione M = Motore in c.c. eccitazione serie Indebolimento di campo R F Binario v r v Linea di contatto 1,5-3 kv c.c. Linea di contatto 1,5-3 kv c.c. M = ecc. Esempio di Indebolimento di campo U IL P M 2 S1 4 6 Esempio di transizione serie-parallelo S2 M G Binario Binario 69

70 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. n U ( R r) I k C (I A ) R (I B ) + I r 1 r 2 r x-1 r M - R <R R=0 I II U E n 70

71 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. U ( R r) I n k R e R e C e 1 >e 2 >e 3 I ecc R sh e 2 e 3 U M I sh I a M U e 1 Inserzione di derivatori ohmico induttivi Variazione del numero delle spire attive n 71

72 Aziona. tradizionale in c.c.: transizione serie - parallelo 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. P s = V x I P p = V x 2 I = 2 P s F I V/2 2I V M M I I M I M PARALLELO V/2 V SERIE SERIE PARALLELO v 72

73 Azionamento tradizionale in c.c.: regolazione di velocità 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. 73

74 Azionamento tradizionale in c.c.: regolazione di velocità F, R e 2 e 5 F M e 3 e 6 e 1 e 4 F R Caratteristica meccanica regolata con esclusione reostatica, indebolimento di campo e transizione serie - parallelo v r v 74

75 Azionamento tradizionale in c.a. Linea di contatto 15 kv c.a. 16 2/3 Hz F e 3 e 2 e 1 e 0 Trasformatore con rapporto di trasformazione variabile M Motore in monofase a collettore F 1 Binario 0 v 1 v M v 75

76 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). 76

77 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. 77

78 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. I 1 = I 2 I 1 T I 2 I 1 D I 2 U 1 Lato linea = U 2 Lato motore U 1 D Abbassatore (motore) U 1 >U 2 U 2 U 1 T U 2 Elevatore (generatore) U 1 <U 2 78

79 Azionamento elettronico in c.c.: il chopper 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). u 2 U 1 U 2 u 2 U 1 U 2 T c T c T T T b T b u 2 U 1 U 2 T c T b T T c T T b 2T 2T T c T b T 3T 3T t t t 79

80 Azionamento elettronico in c.c.: il chopper 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. Linea di contatto 1,5-3 kv c.c. F, R Apparecchiature di regolazione Chopper F M Motore di trazione M = Motore in c.c. eccitazione serie Dominio di regolazione R F Binario a coppia costante a potenza costante v 80

81 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. INVERTER = C CON INVERTER SENZA INVERTER Ingresso c.c. Uscita c.a. trifase Lato alimentazione 3~ Lato motore n 81

82 Azionamento elettronico in c.a.: regolazione U-f Regolazione tensione-frequenza motore asincrono U C,P,U U M C M C C M C V f n f cos t. f <f n f n 1/n 2 >f n P M U M C(n) P(n) U(n) V f decre. 0 n 1 n M n 0 n 1 n M n 82

83 ~ Azionamento elettronico in c.a. Linea di contatto 15 kv c.a. 16 2/3 Hz 25 kv c.a. 50 Hz Trasformatore riduttore Apparecchiature di regolazione Motori di trazione ~ M ~ 3 Raddrizzatore Chopper (variazione di V) Inverter (variazione di f) asincroni/ sincroni Binario Linea di contatto 1,5-3 kv c.c. F, R asincrono Appar. di regol. Motore di trazione F M ~ M ~ 3 Dominio di regolazione F Inverter asincrono/ sincrono R Binario a coppia costante a potenza costante v 83

84 Esempio: locomotore elettrico in c.c. 84

85 Esempio: locomotore elettrico in c.a. Compressone Ventole di raffreddamento Raddrizzatore principale Interruttore generale Pantografo Batterie Inverter principale Motori di raffreddamento Motori trifasi Raddrizzatore ausiliario Inverter ausiliario Trasformatore principale Spazzola 85

86 Esempio: locomotore elettrico politensione 86

87 Esempio: locomotore diesel-elettrico 87

88 Esempio: autobus ibrido 88

89 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. 89

90 Esempio: Trolleybus 90

91 Trazione elettrica Il circuito di trazione o di alimentazione 91

92 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. 92

93 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. Centrale di produzione di energia elettrica Trasmissione dell energia elettrica: linee 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. Binario SSE Trasformazione dell energia elettrica Linea di contatto TE 93

94 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. 94

95 Sistemi di alimentazione per la trazione 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). 95

96 Sistemi di alimentazione per la trazione 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. 96

97 Sistemi di alimentazione in trazione Prima dei convertitori statici SISTEMA DI ALIMENTAZIONE SISTEMA DI TRAZIONE LINEA DI CONTATTO UNIPOLARE MOTORE A COLLETTORE ECCITAZIONE SERIE SISTEMA MONOFASE 15kV-16 2/3Hz (GERMANIA) SISTEMA 3kV c.c. (ITALIA) SISTEMA 750V-1500V c.c. (GRAN BRETAGNA-FRANCIA) 97

98 Trazione elettrica ferroviaria Dopo i convertitori statici SISTEMA DI ALIMENTAZIONE SISTEMA DI TRAZIONE LINEA DI CONTATTO UNIPOLARE MOTORI SINCRONI E ASINCRONI TRIFASE CON INVERTER SISTEMA MONOFASE AT 25kV-50-60Hz (Francia, Giappone) SISTEMI PREESISTENTI Adeguamento apparati di alimentazione di bordo 98

99 Sistema di alimentazione in c.c. Centrale di produzione di energia elettrica 9-25 kv c.a. Trasformatore di gruppo SSE Linea primaria AT 220 kv c.a. Stazione di smistamento 50 Hz Linea di distribuzione MT Ente distributore Impianti ferroviari SSE Sottostazione Elettrica di conversione Gli impianti ferroviari in c.c. sono alimentati alla tensione di V o 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. Raddrizzatore ~ Linea di contatto TE 3 kv c.c. binario 99

100 15kV in c. a. a frequenza 16 e 2/3Hz concentrata 16,67 Hz G ~ Gruppi di produzione monofasi autonomi 16 e 2/3 Hz Centrali di produzione di energia elettrica Linea primaria AT 220 kv c.a. 50 Hz La distribuzione centralizzata è caratterizzata dalla presenza di una rete di distribuzione Trasformatore elevatore kv c.a. Stazioni di conversione di fase e di frequenza Trasformatore riduttore kv c.a. Convertitore di frequenza ~ ~ monofase ad Alta Tensione, funzionante alla frequenza di 16 2/3 Hz per il solo uso ferroviario. Tale alimentazione è ottiene con gruppi di kv c.a. 16,67 Hz kv c.a. 16,67 Hz produzione monofasi che Linea primaria (ferroviaria) Linea primaria (ferroviaria) producono l energia direttamente alla frequenza di Trasformatore di gruppo SSE Trasformatore di gruppo SSE 16 2/3 Hz oppure con stazioni di conversione di frequenza che 15 kv c.a. Linea di contatto 15 kv c.a. Linea di contatto prelevano l energia dalla rete AT 16,67 Hz binario 16,67 Hz binario a 50 Hz. 100

101 15kV in c. a. a frequenza 16 e 2/3Hz distribuita Centrali di produzione di energia elettrica 9-25 kv c.a. Trasformatore di gruppo SSE Convertitore di frequenza 15 kv c.a. 16,67 Hz ~ ~ Linea primaria AT 220 kv c.a. Stazione di smistamento 50 Hz Linea di distribuzione MT Ente distributore Impianti ferroviari SSE Sottostazione Elettrica Linea di contatto TE binario 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. 101

102 25 kv in corrente alternata a frequenza 50 Hz R S T Linea primaria AT V SR V TS 380 kv c.a., 50 Hz V RT T I collegamenti alle coppie di fasi della rete AT variano ciclicamente da una SSE alla V RT R V SR V TS S successiva, per cui ciascuna tratta (RS-ST) viene suddivisa Ente distributore Impianti ferroviari in due sottotratte, alimentate con fasi diverse (10-20) e 1 V V 3 separate in centro da una zona neutra. V 2 2 V 1 V 2 V alla linea di contatto TE al binario 25 kv c.a. 50 Hz 102

103 2x 25 kv in corrente alternata a frequenza 50 Hzc Linea AT 380 kvc.a. 50Hz Centrale di produzione di energia elettrica 250 MVA 250 MVA Linea AT 150 kvc.a. 50Hz Ente distributore Linea AT 150 kvc.a. 50Hz Impianti ferroviari L = 25 km Corrente alternata SSE AV 60 MVA 60 MVA SSE AV Posto di parallelo Semplice SSP 2x25 kv c.a. Corrente alternata Feeder Linea di contatto Binario 103

104 Trazione elettrica ferroviaria: Famiglie degli enti Sostegno Linea di Contatto 104

105 Trazione elettrica ferroviaria: Famiglie degli enti Sospensione Punto Fisso 105

106 Trazione elettrica ferroviaria: Famiglie degli enti Palo di Regolazione Automatica Ormeggio Palo di Regolazione Automatica 106

107 Trazione elettrica ferroviaria: Famiglie degli enti Spazio d aria su comunicazione P/D 107

108 Trazione elettrica ferroviaria: TE 25 kv c.a. 108

109 Trazione elettrica ferroviaria: TE 25 kv c.a. 109

110 Trazione elettrica ferroviaria: TE 25kV c.a. 110