Componenti per Treni V02/08

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1 Componenti per Treni V02/08

2 Chi smette di migliorare, ha smesso di essere bravo.

3 Introduzione I sistemi per le linee ferroviarie elettrificate ricadono nelle due grandi categorie AC e DC, pur divenendo i sistemi AC lo standard per i nuovi impianti che vengono utilizzati per i principali servizi di linea. Per i nuovi impianti di elevata potenza a 25kV o 50kV, la tensione monofase AC viene utilizzata per la distribuzione dell energia e talvolta è la tensione fornita alle locomotive. Per le linee di bassa potenza, come le linee ferroviarie suburbane, la tensione 25kV AC è la tensione normalmente utilizzata. La maggior parte degli attuali sistemi lavorano alla frequenza di rete e traggono vantaggio dall esistenza delle reti nazionali di distribuzione di energia elettrica. L energia viene fornita attraverso una linea aerea per mezzo di un cavo di contatto che normalmente viene tenuto sospeso da una catenaria e da pendini di sostegno con dispositivi di tensionamento atti a garantire il parallelismo tra il conduttore e le rotaie. L energia elettrica viene prelevata da un pantografo. Il sistema di alimentazione DC con tensione di lavoro V viene ancora ampiamente utilizzato soprattutto per motivi di sicurezza nelle linee urbane di superficie e nelle linee ferroviarie metropolitane, di solito con una rotaia d alimentazione isolata e rotaie di scorrimento di ritorno. Esistono comunque alcuni sistemi che lavorano a 1500 V e 3000 V che utilizzano linee aeree. I motori DC vengono utilizzati di prassi pur essendo oggi la tendenza volta all impiego di motori trifase alimentati da inverter a semiconduttori. L utilizzo di un sistema DC riduce i problemi EMC ma risulta difficoltoso fornire potenze elevate perché i valori di tensione sono molto inferiori e quindi i valori di corrente sono molto elevati. Per questo motivo i treni per linee DC sono più piccoli dei treni per linee AC. Le locomotive diesel elettriche possono essere suddivise in due gruppi principali: servizio di linea e servizio di manovra, con il primo gruppo suddiviso in piccole unità, utilizzate per servizi misti, con potenze da 450 a 750kW e unità più grandi, con potenze da 1000 a 4000kW, sebbene più unità possano essere collegate assieme per trainare un lungo convoglio ferroviario. L equipaggiamento elettrico consiste essenzialmente in un generatore elettrico di trazione principale, una o due macchine ausiliarie, un certo numero di motori di trazione e il sistema di controllo del circuito principale e dei sistemi ausiliari. Tutti i vagoni passeggeri richiedono una rilevante quantità di energia per il riscaldamento, la climatizzazione, l illuminazione, l acqua di lavaggio e gli asciugatori per mani dei servizi igienici, gli impianti di diffusione sonora, le batterie e i carica batterie, le porte automatiche e i display di avviso ai passeggeri. A seconda del sistema di alimentazione AC o DC utilizzato, è richiesto un trasformatore e/o un inverter per alimentare il sistema ausiliario AC. Analogamente a tutti gli equipaggiamenti elettronici questo sistema deve essere stabile e privo di distorsioni. Come avviene in ogni altro ambiente, devono essere prese tutte le precauzioni nei riguardi della compatibilità elettromagnetica dei dispositivi elettronici ed elettrici utilizzati nei treni. Per motivi di sicurezza le linee ferroviarie elettrificate devono essere vincolate a terra in modo tale che non vengano generate tensioni pericolose in presenza di un cortocircuito e i treni alimentati elettricamente devono essere equipaggiati con opportuni dispositivi di protezione. Quando un treno rallenta, deve frenare lungo una lunga rampa in discesa oppure deve arrestarsi, una grande quantità di energia cinetica deve essere dissipata o recuperata. Vi è quindi la scelta di utilizzare sia la frenatura a recupero sia la frenatura dinamica a seconda delle circostanze. Nelle linee urbane ad elevata densità di traffico il recupero è più favorevole perché l energia può spesso essere trasferita da un treno all altro. Nonostante il peso aggiuntivo, il costo superiore e la maggior complessità, il recupero risulta spesso interessante poiché riduce globalmente il consumo di energia del 15-20% e porta ad un ulteriore risparmio dovuto alla minore usura del freno meccanico. L ingegneria ferroviaria richiede che tutti i componenti debbano essere il più possibile leggeri e compatti, che debbano resistere a condizioni ambientali estreme, che debbano sopportare carichi per urti e vibrazioni, e ci si aspetta che forniscano un funzionamento affidabile per un periodo di tempo pari almeno a vent anni. 1

4 Schema a blocchi di un tipico sistema DC 1) Pantografo per linea aerea V DC o pattino per terza rotaia 2) Interruttore di protezione extrarapido 3) Interruttore di by-pass 4) Resistore e contattore di by-pass per la riduzione dei picchi di corrente quando I condensatori del circuito DC (8) vengono inizialmente caricati il che equivale virtualmente a un corto circuito 5) Induttanza di disaccoppiamento che riduce le armoniche ad alta frequenza generate dalla commutazione dei semiconduttori e che inoltre limita la corrente (di/dt) quando vi è un corto circuito lato DC, che altrimenti causerebbe danni ai dispositivi di commutazione. Tipici valori di induttanza sono 12mH e 30mH (6 volte la corrente di inserzione) 6) Induttanze di livellamento ingresso chopper che smorzano gli effetti dei processi di commutazione e riducono la corrente assorbita facendo in questo modo risparmiare energia e ridurre i costi di installazione. Vengono inoltre utilizzate per ridurre le correnti di carica dei condensatori nel DC link quando viene utilizzato un ponte raddrizzatore non controllato. Vengono infine utilizzate per disaccoppiare gli inverter quando viene recuperata energia durante la frenatura. 7) Convertitore step-up a IGBT per la tensione DC da utilizzarsi con gli inverter o step-down per la tensione DC quando viene recuperata dagli inverter utilizzati come convertitori 8) Condensatori di livellamento per la tensione DC 9) Resistore utilizzato per limitare la tensione e come resistenza di frenatura per la frenatura dinamica quando non è possibile il recupero 10) Inverter a frequenza variabile per l azionamento dei motori di trazione o per l alimentazione dei sistemi ausiliari o utilizzato come convertitore quando l energia viene recuperata 11) Motori AC speciali (ev. incapsulati) con raffreddamento ad acqua o a ventilazione forzata. Sono appesi ai carrelli e devono essere compatti e leggeri con isolamento adatto a elevati dv/dt 12) Filtro per la soppressione dei disturbi EMC dal circuito di alimentazione dei sistemi ausiliari 13) Trasformatore di adattamento per il circuito di alimentazione dei sistemi ausiliari 14) Ritorno di corrente attraverso il contatto tra i carrelli e le rotaie NTT ID NTT LD NTT LD NTT LD 2 Una selezione di induttanze prodotte da REO Train Technologies Nieke Division

5 Schema a blocchi di un tipico sistema DC ad alta tensione 1) Pantografo 3000 V DC 2) Soppressore di sovratensioni 3) Resistore di precarica per ridurre i picchi di corrente di carica dei condensatori nel DC link 4) Contattore di by-pass per connettere il resistore di precarica al circuito quando il sistema viene inizialmente energizzato 5) & 6) Induttanze di filtro per ridurre il ripple di corrente sulla linea e la catenaria limitando l assorbimento di corrente dalla linea 7) Condensatori di accumulo del DC link 8) Inverter a frequenza variabile che utilizza semiconduttori con controllo di gate 9) Motore trifase 10) & 11) Resistori di filtro 12) Linea a 0 V Schema a blocchi di un tipico sistema AC 1) Pantografo per linea aerea 15kV 16.67Hz oppure 25kV 50Hz 2) Interruttore di protezione extrarapido 3) Trasformatore step-down 4) Convertitore a quattro quadranti per la conversione AC/DC 5) Filtro LC risonante per la riduzione della quinta armonica e per il livellamento della tensione DC utilizzata dall inverter a frequenza variabile 6) Condensatori di accumulo del DC link per il livellamento della tensione 7) Resistenza di frenatura 8) Inverter a frequenza variabile 9) Motore di trazione trifase 10) Inverter per I sistemi ausiliari 11) Trasformatore di adattamento per il circuito di alimentazione dei sistemi ausiliari 12) Filtro per la soppressione dei disturbi EMC di modo comune e di modo differenziale 13) Ritorno di corrente attraverso il contatto tra i carrelli e le rotaie 3

6 Componenti induttivi Induttanze avvolte in aria Vi è un certo numero di applicazioni per le induttanze nelle locomotive e nel materiale rotabile che includono la protezione contro i corto circuiti, il disaccoppiamento, la riduzione dei picchi di corrente di carica dei condensatori, il livellamento e l attenuazione delle armoniche. REO Nieke Train Technologies ha sviluppato negli anni una gamma di induttanze avvolte in aria che sono state progettate e sottoposte a prova per essere conformi ai severi requisiti dell industria ferroviaria e per dare la miglior combinazione di caratteristiche elettriche, comportamento termico e compattezza di dimensioni. C è la tendenza con i treni AC di abbandonare i grandi trasformatori per spostarsi verso l utilizzo di tipologie a semiconduttore sia per gli alimentatori dei sistemi ausiliari sia per il sistema di trazione principale. Componenti espressamente progettati, devono essere utilizzati per proteggere questi circuiti elettronici di potenza dai disturbi di correnti di picco o di compensazione. REO Train Technologies Nieke Division offre queste induttanze che vengono normalmente inserite immediatamente a valle del pantografo e dell interruttore di protezione extrarapido o in parti vulnerabili del sistema di alimentazione. In aggiunta alle caratteristiche di leggerezza e compattezza le induttanze avvolte in aria offrono molti altri vantaggi oltre alla protezione contro i corto circuiti e al livellamento. Le induttanze avvolte in aria hanno il vantaggio di conservare il loro valore di induttanza anche in condizioni che porterebbero alla saturazione. La forma costruttiva toroidale presenta inoltre campi di dispersione di valori molto piccoli e quindi generano emissioni irradiate di debolissima intensità. Le induttanze avvolte in aria possono anche essere utilizzate nei sistemi a recupero di energia come reattanze induttive di accoppiamento per il livellamento della corrente, dove il raffreddamento efficiente e il peso sono considerazioni importanti. Trasformatori per servizi ausiliari e filtri La tensione di alimentazione ausiliaria per il materiale rotabile viene normalmente derivata da un trasformatore step-down che può essere costruito con un centro stella neutro per far funzionare le apparecchiature monofase. Normalmente questo trasformatore ha gli avvolgimenti primario e secondario separati e in questo modo viene garantito l isolamento galvanico con la linea ad alta tensione. Le induttanze vengono anche utilizzate nei circuiti ausiliari per funzioni di filtraggio e di livellamento, dove una soluzione è quella di installare una induttanza-condensatore prima del trasformatore per i servizi ausiliari. Con gli alimentatori per i servizi ausiliari c è la tendenza a utilizzare una combinazione di filtri integrati a monte dell inverter che utilizza un trasformatore/induttanza, dove l induttanza dispersa viene utilizzata in congiunzione ai condensatori per creare il filtro. La figura mostra una induttanza avvolta in aria REO-Nieke, per la rimozione del rumore RF di modo comune in un alimentatore per servizi ausiliari. La costruzione open-wound consente il passaggio naturale del flusso di aria attraverso gli avvolgimenti, assistito dal movimento in avanti del treno. Il campo magnetico è ortogonale ai binari, cosa che riduce l accoppiamento elettromagnetico e il rischio di problemi EMC. I campi magnetici di dispersione hanno valori al di sotto dei 50µT, che oggi è un requisito importante per la sicurezza dei passeggeri. 4

7 Produzione componenti induttivi L impianto di produzione di Hennigsdorf è situato nelle immediate vicinanze della città di Berlino e a 10 minuti di strada dall aeroporto di Tegel. E inoltre vicino al centro di controllo REO che è attrezzato per verificare che i componenti induttivi siano conformi ai rigorosi standard richiesti dall industria ferroviaria. Hennigsdorf REO Train Technologies Nieke Division Assemblaggio componenti e avvolgimento bobine Impregnazione sotto vuoto e ispezione finale Componenti standard REO INDUCTIVE COMPONENTS AG fabbrica inoltre una gamma di prodotti standard per l industria ferroviaria. Ad esempio il filtro sinusoidale a mostrato in figura che viene utilizzato negli alimentatori per i servizi ausiliari, al fine di eliminare le distorsioni e i disturbi ad alta frequenza. 5

8 Resistenze di potenza Le resistenze (o resistori) di potenza vengono ampiamente utilizzate nelle applicazioni ferroviarie per la frenatura dinamica, circuiti di snubber per i chopper, circuiti limitatori, carica/scarica condensatori, avviamento graduale e controllo velocità. REO INDUCTIVE COMPONENTS AG ha indirizzato le richieste dell industria ferroviaria nello sviluppo di una gamma di resistenze ad alta tensione e raffreddate ad acqua. Resistenze di potenza con tensioni di lavoro elevate La resistenza di smorzamento NTT R 159 ha tensione di lavoro 3kV DC e 5 s potenza continuativa 1600W (3600W di breve durata). L energia di scarica di questa resistenza è 40 kws. Gli elevati valori di tensione di lavoro vengono ottenuti utilizzando maggiori distanze superficiali e maggiori quantità di materiale isolante. 6 Elementi resistivi avvolti con lega rame-nichel (costantana) o lega nichel-cromo che mantengono invariata la propria resistività in un ampio campo di temperatura. Più avvolgimenti sono collegati in parallelo e ciò significa che il carico non si basa su un singolo avvolgimento. Gli avvolgimenti sono circondati da un riempitivo al quarzo che garantisce stabilità meccanica e protezione contro i corto circuiti e fornisce proprietà autoestinguenti che sono importanti dal punto di vista della sicurezza e dell affidabilità. Ciò favorisce inoltre il trasferimento efficiente del calore dagli avvolgimenti del resistore alle superfici interne del contenitore di alluminio. Un ulteriore isolamento elettrico è fornito da fogli isolanti di mica che vengono inseriti tra i differenti avvolgimenti e tra il complesso degli avvolgimenti e le pareti inferiore e superiore del contenitore in estruso di alluminio. Il complesso assemblato del resistore è tenuto fermamente in posizione grazie all impiego di un composto cementizio applicato ad entrambe le estremità. Per un isolamento ulteriore e per fornire un grado di protezione fino a IP67 il complesso assemblato del resistore viene incapsulato all interno della cavità del corpo estruso di alluminio utilizzando un sigillante siliconico applicato ad entrambe le estremità. Il sigillante viene poi protetto da piastre di copertura avvitate ad entrambe le estremità del contenitore di alluminio. Il contenitore in estruso di alluminio agisce come dissipatore di calore e dissipa rapidamente nell aria aperta l energia termica generata dagli avvolgimenti del resistore. Speciali gradi di finitura superficiale dell alluminio vengono utilizzati per garantire durata a lungo termine in presenza di tutti i tipi di condizioni ambientali inclusa la nebbia salina.

9 Resistenze con raffreddamento ad acqua Quando gli spazi a disposizione sono ristretti oppure quando la resistenza deve essere montata in un quadro elettrico con raffreddamento inadeguato, allora le unità con raffreddamento a ventilazione forzata hanno limitazioni e la soluzione è l utilizzo di una resistenza con raffreddamento ad acqua. Resistenze di frenatura con raffreddamento ad acqua diretto Un metodo efficiente di raffreddamento consiste nell incorporare il circuito di raffreddamento direttamente all interno del corpo del resistore stesso, come mostrato nell esempio seguente che raffigura la resistenza di frenatura NTT BW D 158. Esempio di applicazione Il treno per piste da sci Tschuggen-Coaster in Arosa in Svizzera, ha richiesto una resistenza di frenatura molto compatta con valori di potenza continuativa e di potenza impulsiva elevati. REO INDUCTIVE COMPONENTS ha fornito la risposta utilizzando una resistenza di frenatura standard da Watt raffreddata ad acqua, che è stato possibile inserire facilmente in una cavità al di sotto dei sedili passeggeri. BW C153 BW155 NTT R 159 NTT R 154 IP67 Una selezione di resistenze di frenatura prodotte da REO INDUCTIVE COMPONENTS AG 7

10 REO INDUCTIVE COMPONENTS AG REO INDUCTIVE COMPONENTS AG è situata a Kyritz, una piccola città tra Berlino ed Amburgo, nello stato federato Brandenburg. Le differenti fasi di produzione dei resistori includono la formatura automatica degli avvolgimenti, l assemblaggio, il riempimento con silice, il trattamento al forno, il test e l ispezione finale al 100%. 8

11 Norme tecniche di riferimento IEC/EN/DIN e -2-6 IEC 60322:2001 (DIN EN 60322:2001) IEC 61373:1999 DIN EN Draft DIN VDE 0160 / e VDE 0535 DIN EN :2001 DIN EN :1999 DIN EN BN DIN EN :1993 DIN EN :1993 DIN EN :1999 Prove ambientali Applicazioni ferroviarie, tranviarie,filoviarie e metropolitane - Apparecchiature elettriche per materiale rotabile Prescrizioni relative a reostati di potenza in costruzione aperta Applicazioni ferroviarie, tranviarie, filoviarie e metropolitane - Materiale rotabile Prove d urto e di vibrazioni Applicazioni ferroviarie, tranviarie, filoviarie e metropolitane - Materiale rotabile Prove d urto e di vibrazioni Impianti ad alta tensione con equipaggiamento elettronico Applicazioni ferroviarie, tranviarie, filoviarie, metropolitane - Coordinamento degli isolamenti - Parte 1: Requisiti base - Distanze in aria e distanze superficiali per tutta l'apparecchiatura elettrica ed elettronica Applicazioni ferroviarie, tranviarie, filoviarie e metropolitane - Condizioni ambientali per gli equipaggiamenti - Parte 1: Equipaggiamenti nel materiale rotabile Applicazioni ferroviarie, tranviarie, filoviarie e metropolitane - Equipaggiamenti elettronici utilizzati sul materiale rotabile Prove ambientali Parte 2: Prove - Prova A: Freddo Prove ambientali - Parte 2: Prove - Prova B: Calore secco Prove ambientali - Parte 2: Prove - Prova Ka: Nebbia salina DIN EN :1999 Prove ambientali - Parte 2: Prove Prova Db: Caldo umido, ciclico (12 h + 12 h) DIN EN 60529:1991 DIN EN 61140:2001 EN : Gradi di protezione degli involucri (Codice IP) Protezione contro i contatti elettrici - Aspetti comuni per gli impianti e le apparecchiature Classificazione delle condizioni ambientali - Parte 3: Classificazione dei gruppi di parametri ambientali e loro severità - Sezione 5: Installazioni in veicoli terrestri Centro di Competenza Il Centro di Competenza REO è situato a due passi dal centro di Berlino. E qui che il team di ingegneri REO progetta componenti induttivi e tiene meeting tecnici con i clienti e i colleghi di altre società del gruppo REO. 9

12 REO World-wide Contacts REO ELEKTRONIK AG Brühler Strasse 100 D Solingen REO INDUCTIVE COMPONENTS AG Brühler Strasse 100 D Solingen REO INDUCTIVE COMPONENTS AG Setzermann Medical Division REO INDUCTIVE COMPONENTS AG IBK Drives Division REO INDUCTIVE COMPONENTS AG Test and Power Quality Division REO INDUCTIVE COMPONENTS AG Train Technologies Nieke Division Centre of Competence REO ELEKTRONIK AG Schuldholzinger Weg 7 D Pfarrkirchen Holzhausener Strasse 52 D Kyritz Brühler Strasse 100 D Solingen Erasmusstrasse 14 D Berlin Im Halbiacker 5a CH-8352 Räterschen REO (UK) Ltd. Units 2-4 Callow Hill Road Craven Arms Shropshire SY7 8NT REO Engineering Services Parc d`activités HERACLES Chaussée de Charleroi 91 bat 5 B-6060 Gilly (Charleroi) REO VARIAC S.A.R.L. ZAC Du Clos aux Pois 1 6/8 rue de la Closerie-LISSES F Evry Cédex REO ITALIA S.r.l. Via Treponti, 29 I Rezzato (BS) REO CROMA Sp.zo.o. ul. Pozaryskiego 28, bud 20 PL Warszawa REO-USA, Inc North Post Road, Suite #132 USA-Indianapolis, IN REO-ESPAÑA 2002 S.A. REO Shanghai Inductive Components Co., Ltd. REO INDUCTIVE COMPONENTS AG Moscow Representative Office NEEL REO SYSTEMS PVT.LTD. C/Manuel Ventura i Campeny 21B local 9 E Vilassar de Dalt (Barcelona) No. 536 ShangFeng Road, Pudong, Shanghai, China Vienna House ul. Petrovka Moskau 406 Saphire Arcade 42, M.G. Road Ghatkopar (E), Mumbai Tel. +49 (0) Fax +49 (0) main@reo.de Tel. +49 (0) Fax +49 (0) main@reo.de Tel. +49 (0) Fax +49 (0) setzermann@reo.de Tel. +49 (0) Fax +49 (0) ibk@reo.de Tel. +49 (0) Fax +49 (0) main@reo.de Tel. +49 (0) Fax +49 (0) mail@nieke.com Tel. +41 (0) Fax +41 (0) info@reo.ch Tel. +44 (0) Fax +44 (0) main@reo.co.uk Tel. +32 (0) Fax +32 (0) reoes@skynet.be Tel. +33 (0) Fax +33 (0) reovariac@reo.fr Tel Fax info@reoitalia.it Tel. +48 (0) Fax +48 (0) croma@croma.com.pl Tel. +1 (0) Fax +1 (0) main@reo-usa.com Tel. +34 (0) Fax +34 (0) info@reospain.com Tel. +86 (0) Fax +86 (0) info@reo.cn Tel. +7 (0) Fax +7 (0) main@reo.de Tel. +91 (0) Fax +91 (0) info@neel.in