Sistemi di trasporto innovativi

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1 Università di Arcavacata 9 / dicembre 2015 ore 8 : 30 Seminario Sistemi di trasporto innovativi Azionamenti e macchine elettriche Cenni dimensionamento propulsione elettrica Relatore : Ing. Amedeo Picardi amedeopicardi@alice.it :

2 Abstract Dopo una breve una sintesi sul funzionamento delle macchine elettriche e sulla tipologia degli azionamenti utilizzati in trazione con particolare attenzione al sistema di propulsione inverter + macchina asincrona il Seminario «Sistemi di Trasporto Innovativi» offre una overview delle principali configurazioni dei sistemi elettrici di trasporto, focalizzando l attenzione sia sulle motorizzazioni tradizionali «motor inside», con le linee di alimentazione, i sistemi di captazione e accumulo dell energia che le motorizzazioni futuribili «motor part outside» ( tipo Maglev, Hyperloop alfa ) con le loro infrastrutture attive sulle vie di corsa. Il Seminario nell ultima parte, prende in esame i criteri di progettazione della propulsione elettrica dei sistemi tradizionali, presentando, un esempio della procedura di calcolo automatico della propulsione a mezzo della APP «EZERO_inpills«.

3 Sommario Introduzione macchine elettriche e azionamenti Configurazioni con motor inside Configurazioni con motor totally outside Configurazioni con motor part outside Esempio di calcolo automatico della propulsione elettrica

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5 Stato dell arte Treni Alta velocità

6 Treni Alta velocità

7 Caratteristiche principali dei veicoli ( AV ) Veicolo V_max Potenza Pot/Mass Massa Posti Lungh. Largh. TGV duplex Eurostar TGV Thalys V ETR ETR

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10 SISTEMI INNOVATIVI DI CAPTAZIONE

11 Applicazione tranviaria Sistema STREAM TRAMWAVE installato sulla pista di prova a Napoli. Stress test in condizioni inusuali ed estreme.

12 Il sistema ad induzione PRIMOVE

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14 Brevetto Alstom

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16 INFRASTRUTTURE FISICHE E VEICOLI Motor totally outside

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20 Superare i limiti innovando ed adattando le tecnologie

21 Cosa bisogna fare per aumentare la velocità dei treni oltre i 360 km/h?

22 Resistenze al moto AGV (8 MW) (500/360)^ 3= 2.7 8*2.7 = 21.4 MW!!!!!! Limiti -Peso per asse -aderenza alle alte velocità

23 RESISTENZE AL MOTO

24 Risposte dell Ingegnere al Saggio -Ridurre le resistenze al moto -Scomporre il motore ( parte sul veicolo, parte per terra ) -nuovo paradigma della propulsione= lineare -nuove tecnologie ( SC) Facile no?!!!!

25 Trasformazioni Topologiche dei motori da rotante a lineare

26 Motore asincrono lineare monolatero

27 Motore asincrono lineare bilatero

28 Disposizione delle parti del motore lineare asincrono

29 Aderenza : no problem!

30 LIM MONOLATERO A INDUTTORE CORTO MOTORI LINEARI PER PEOPLE MOVER ANSALDOBREDA

31 Impianto di prova Motori lineari

32 Reaction rail D_ruota = 3 m 6mm alluminio 25 mm ferro

33 Gruppo moltiplicatore,volani, dinamo di carico

34 Japan (qualche data importante) JNR lancia maglev technology Miyazaki test track 1979 : ML km/h JRC Yamanashi test line 12/1997 : train set of 3 cars max speed =550 km/h Yamanashi test line 4/1999 : train set of 5 cars max speed =552 km/h JRC train set of 7 cars max speed 581 km/h 2003 JRC train set of 7 cars max speed 603 km/h 4/2015 Servizio commerciale in Giappone a 500 km/h previsto per il 2027

35 Germany(qualche data importante) Magnetbahn Transrapid Consortium : Emsland Test Track : operativo TR08 Shanghay : unica tratta commerciale dal 2004 con l aeroporto internazionale della città Vel_max = 430 km/h Massa_vei = 247 Ton Passeggeri = 1192 Lungh_vei = 128 m Max power ( a terra) = 25 MW

36 Problemi che hanno dovuto risolvere per garantire un servizio commerciale affidabile e sicuro - Vibrazioni ingresso-uscita tunnel e nei centri abitati; (parzialmente risolti con tratte su piloni) ; - Incrocio di treni a 500 km/h ( 1000km/h per gli effetti); - Campi magnetici dispersi ( limite max per pacemaker = 5 gauss = 5/10000 Tesla ; - Terremoti ( tolleranza guidance)

37 Veicoli urbani con sospensione magnetica Il motore asincrono corto e reaction rail sulla pista

38 High Speed Surface Transport

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42 Veicoli ad altissima velocità V> 500 km/h Il motore sincrono a magneti permanenti ed induttore lungo

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48 ML X 01

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52 Veicoli ad altissima velocità V> 500 km/h 2 brevetti italiani + 1 USA UAQ4 Università dell Aquila

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54 Sistema di propulsione

55 Sistema di sostentamento e di guida

56 Cari Ingegneri non sono ancora soddisfatto. Cosa bisogna fare per aumentare la velocità dei treni oltre i 500 km/h?

57 RESISTENZE AL MOTO

58 Hyperloop alfa 2018 Presentazione di un veicolo ancora a livello prototipale V> 1000 km/h

59 Hyperloop alfa 2018

60 Caratteristiche principali - Via di corsa = tubo - V max = 1220 km/h - Acc max = 9.81 m/sec2 - N pass. = 28 /capsula - Freq. = 1 capsula /2 minuti - Distanza capsule = 37 Km - D_in tubo = 2.23 m - Sez_c/Sez t = D_c / D_t = 0.60

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62 Caratteristiche principali - largh. capsula = 1.35 m - Altez. capsula = 1.1 m - L tubo elem. = 30 m Capsula plus ( auto + passengers) - Spessore tubo = 23 mm - D tubo plus = 3.3 m - Sez_c/Sez t = D_c / D_t = Capacità = 28 pass. + 3 auto

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64 Caratteristiche principali AV California - Lung. LA S. Francisco = 695 km - Tempo (T) = 2 h 38 m - V media = 264 Km/h - Pass./treno = 600 Caratteristiche principali Hyperloop California - Lung. LA S. Francisco = 695 km - Tempo = 35 m - V media = 1190 Km/h - Pass. a S Fr.(dopo T) = ((2*60+38)-35)/2 *28= 1722

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66 Caratteristiche principali - Sospensione capsula = aerodinamica +cuscinetto pneumatico - Spinta a V_costante = getto aria - Spinta a V varabile = motore lineare posizionato lungo determinate sezioni del tubo. - Indotto motore lineare ( lamina alluminio) posto sotto la capsula. Alimentazione propulsione capsula Batterie

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71 Caratteristiche principali compressore - P1 = 99 Pa ( N/m2) - P2 = 2100 Pa - p2/p1 = Potenza_in compr. = 275 kw - Q = 0.49 kg/sec - Q _spinta = 0.29 kg/sec - Q_sosp = 0.20 kg/sec - Potenza_in_comp_sosp = 52 kw - P_sosp = Pa

72 Caratteristiche principali - Potenza totale a bordo = = 327 kw - Tempo viaggio = 35/60 = h - Energia richiesta = 327*0.583= kwh - Cap-batteria = 190.7/0.92 = 207 kwh - Peso BAT (ioni di litio 0.1 kwh/kg) =2070kg - Peso BAT ( 0.15 kwh/kg) = 1380kg

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74 Caratteristiche sospensioni (statiche) - Lung_elem = 1.5 m - Larg elem = 0.9 m - Sup_elem = 1.5*0.9 = 1.35 mq - Forza elem = 11000*1.35 = kn - Num_elem = 28 - Forza_sosp_tot = 28*14.85 = kn - Peso capsula = 15000*9.81 = kn - Rapporto = /415.8 = 0.35

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76 Caratteristiche sospensioni (effetto aerodinamico) Quando il veicolo raggiunge la velocità di crociera l effetto aerodinamico provvede a realizzare una leggera levitazione del veicolo che è scarsa alle basse velocità e nulla a velocità zero. Questo spiega la presenza della sospensione statica

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78 PROPULSIONE ELETTRICA

79 Caratteristiche dei sistemi di propulsione Esistono due sistemi di propulsione : - Propulsione di crociera Durante queste fasi, a velocità costante, la spinta viene realizzata con getto di aria in pressione prodotta dal compressore. L energia arriva dalle batterie che vengono sostituite ad ogni fine corsa.

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81 Caratteristiche dei sistemi di propulsione - Propulsione per accelerazione In alcune sezioni del percorso sono disposti statori di motori asincroni lineari che reagendo con l indotto posto sotto la navicella provvedono ad accelerare la capsula. L energia arriva da convertitori alimentati da una rete che utilizza energie rinnovabili ( energia fotovoltaica) e da sistemi di accumulo lungo la linea. Lo stesso sistema invertendo la potenza provvede a rallentare la capsula. Valutiamo adesso la potenza di questi motori

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83 Caratteristiche motori lineari - Massa capsula = kg - Range speed : km/h - Accelerazione = 0.5 g/g - Potenza sezione alla fine del tratto = - = 15000*0.5*9.81*480/3.6 = 9.81 MW/19.62MW - Tempo accelerazione = 480/3.6/0.5/g = 27.2 sec - Tempo accelerazione = 480/3.6/g = 27.2/2= 13.6 sec -

84 Caratteristiche motori lineari - Massa capsula = kg - Range speed : km/h - Accelerazione = g - Potenza motore alla fine del tratto = - = 15000*9.81*1220/3.6 = 49.9 MW - Tempo accelerazione = 1220/3.6/g = 34.5 sec - L sez_motore = ( )/2/3.6*34.5 = 8145 m

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86 Caratteristiche motori lineari ( indotto) - Lamina di alluminio posta fra due emistatore - Lunghezza = 15 m - altezza = m - Spessore = m - Traferro per lato = m

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89 Disposizione delle parti del motore lineare asincrono Hyperloop alfa A terra Sul veicolo

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91 RESISTENZE AL MOTO

92 RESISTENZE AL MOTO

93 Dove : Ms = massa statica Q = carico pagante Md = massa dinamica rxy = resistenze al moto a= accelerazione g = accelerazione di gravità

94 T-R = ma = m dv/dt

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