Organizzato da Area Tematica - 2 (Veicolo) Filobus con marcia autonoma semplificata Autore: Menolotto Flavio Ente di Appartenenza: distribuzione energia elettrica Contatti: Tel. 0322 259715 Cell. 328 2154994 e-mail flavio.menolotto@virgilio.it PREMESSA IPOTESI Un equipaggiamento oramai indispensabile nei moderni filobus è la marcia autonoma, utilissima per superare deviazioni di percorso per lavori, accidenti vari e muoversi nei depositi, ma anche in assenza temporanea dell alimentazione elettrica e negli svariati casi in cui si ritiene di non dover installare le linee aeree di contatto. In genere si richiedono prestazioni ridotte rispetto alla marcia normale con alimentazione da linea aerea, solitamente è realizzata con batterie di accumulatori o con un gruppo elettrogeno. Nel primo caso si hanno in genere autonomie molto ridotte così da avere batterie di dimensioni, pesi, spazi e costi ridotti: nel secondo caso, più diffuso e con maggiore autonomia, un motore Diesel, di potenza generalmente compresa tra gli 80 ed i 120-130 kw, aziona un generatore elettrico. Tale gruppo ha in genere una potenza che va dal 30 al 50 % della potenza del motore di trazione, comporta maggiori costi e pesi dei veicoli con una riduzione degli spazi a bordo e l aggravante di un utilizzo limitato, a parte i casi di filobus bimodali. Poter semplificare l impiantistica di bordo risolverebbe gli inconvenienti sopra accennati: sarebbe possibile utilizzare il motore asincrono trifase, accoppiandolo al motore Diesel, così da diventare una macchina elettrica polivalente, che adempie le funzioni di trasmissione elettromeccanica ed eventualmente come generatore per il recupero dell energia in frenatura, evitando così l impiego del generatore elettrico degli attuali impianti. Visto che i filobus sono in genere derivati da autobus tale soluzione permetterebbe di occupare gli stessi spazi dei gruppi motore Diesel cambio automatico. DESCRIZIONE Schema di principio
Come si vede nello schema di principio sotto riportato, l albero di uscita del motore Diesel si collega alla carcassa dello statore del motore asincrono, che diventa così uno statore rotante: l albero del rotore, del consueto tipo a gabbia di scoiattolo, va ad azionare le ruote del veicolo tramite alberi di trasmissione e differenziale. Gli avvolgimenti dello statore del motore asincrono sono collegati all inverter tramite un sistema di anelli metallici isolati, detti collettori, fissati alla carcassa dello statore, su cui appoggiano delle spazzole conduttrici, similmente a quanto impiegato sui motori asincroni a rotore avvolto. NORMALE FUNZIONAMENTO CON ALIMENTAZIONE DA LINEA AEREA Un freno blocca la rotazione della carcassa dello statore del motore asincrono, il motore Diesel è fermo e l inverter di trazione può così alimentare, tramite le spazzole e gli anelli, gli avvolgimenti sullo statore del motore asincrono secondo le necessità di trazione del filobus. FUNZIONAMENTO IN MARCIA AUTONOMA Dopo lo sbloccaggio del freno sia avvia il motore Diesel che mette in rotazione lo statore del motore asincrono. Prelevando energia dai servizi di bordo a bassa tensione, un semplice regolatore in cc può regolare una corrente continua che, tramite le spazzole e gli anelli, percorre gli avvolgimenti dello statore, i quali generano un flusso magnetico costante nello statore della macchina elettrica asincrona. La rotazione dello statore ed il flusso magnetico costante creano un campo magnetico rotante che taglia i conduttori del rotore a gabbia di scoiattolo: si creano delle correnti indotte nel rotore che si oppongono alla causa che le generano. Per reazione nasce così una coppia meccanica motrice all albero del rotore che tenderà a ruotare nello stesso senso dello statore: trasmessa alle ruote potrà azionare il veicolo. La macchina elettrica asincrona diventa così una trasmissione elettromagnetica in analogia alle trasmissioni automatiche di normali autobus.
A parità di condizioni, non vi è differenza tra il campo magnetico rotante così creato rispetto a quello generato da correnti alternate che circolano negli avvolgimenti nel normale funzionamento con alimentazione da linea aerea, tranne che la potenza meccanica trasferita dallo statore al rotore non è di natura elettrica ma proveniente dal motore Diesel. La richiesta di energia ai servizi di bordo è contenuta, circa l 1-2 % della potenza di targa: la generazione del flusso magnetico costante è un eccitazione della macchina elettrica asincrona, visto che la trasmissione di potenza è meccanica. Il funzionamento e le caratteristiche meccaniche rese all albero del rotore della macchina elettrica asincrona descritta sono quelle ampiamente note e tipiche della letteratura elettrotecnica: uno tra i più noti diagrammi dei motori asincroni è quello meccanico della coppia trasmessa in funzione della velocità del rotore, con alimentazione a tensione e frequenza costanti, un esempio in figura. Dimensionando convenientemente il motore asincrono si potrà ottenere una caratteristica meccanica con una coppia di avviamento Cavv circa il doppio della coppia nominale Cnom. Nell impiego della macchina come trasmissione elettromagnetica la coppia nominale Cnom rappresenta la coppia massima che il motore Diesel può esprimere ad una certa velocità, valore che per le tipologie di questi motori adottate nei gruppi elettrogeni è grosso modo costante nell arco di massima resa (tipicamente dai 1000-1500 g/min ai 2000-2500 g/min.) Mantenendo costante la velocità del motore Diesel, e di conseguenza anche quello dello statore (n stat) si fa circolare nei relativi avvolgimenti una corrente continua di valore tale da generare un flusso magnetico pari a quello nominale della macchina asincrona. Per reazione al rotore nascerà una coppia motrice di avviamento C avv che lo accelererà fino ad una velocità di poco inferiore a quella di rotazione di quest ultimo, passando per il valore massimo C max. Potendo sviluppare una coppia di avviamento doppia di quella del motore Diesel questo funzionamento della macchina elettrica asincrona la si può paragonare ad un convertitore idraulico di coppia per trasmissioni automatiche di motori endotermici. Durante tutte queste fasi va mantenuto costante il flusso magnetico generato dallo statore, all avviamento la corrente di eccitazione risulta più alta per via della reazione di indotto al
rotore (alte correnti): via via che il rotore accelera le correnti diminuiscono, la reazione è minore e di conseguenza la corrente di eccitazione va diminuita. Una volta terminata la fase di avviamento si potrà regolare la velocità del mezzo variando il numero di giri del motore Diesel. A regime il rotore ruoterà ad una velocità di poco minore di quella del motore Diesel con una differenza di velocità tra statore rotante e rotore, detto scorrimento (s) limitata: in termini percentuali in genere si va dall 1 al 5 %. In riferimento al diagramma tale funzionamento è nel campo compreso tra la velocità n stat e la coppia nominale C nom: eventuali sovraccarichi vengono sopportati senza problemi fino al limite di stabilità della coppia massima C max (circa 4-5 volte la nominale). Paragonata ad una normale trasmissione di un autobus, in tale condizione il motore Diesel è come se fosse in presa diretta, con velocità economiche dai 30-35 ai 60-70 km/h. Visto che per l impiego come marcia autonoma in genere si ammettono prestazioni ridotte, specie la velocità massima, e che la potenza del motore Diesel risulta essere in genere minore di quella del motore nel normale funzionamento, per avere buone prestazioni ed accettabili coppie di avviamento si può inserire un riduttore meccanico di velocità, così da permettere velocità economiche dai 20 ai 50 km/h circa. In tale modo si potranno avere sia avviamenti graduali del veicolo con il motore Diesel a media potenza e coppia massima ma anche buone accelerazioni alla massima potenza. Per semplificare l esposizione sono state tralasciati alcuni importanti aspetti, ossia il funzionamento in marcia autonoma degli altri servizi, ossia il servosterzo, il compressore d aria per freni, sospensioni e comandi pneumatici vari, il riscaldamento e condizionamento. Inoltre deve essere possibile l installazione di sistemi di ricupero dell energia in frenatura. IPOTESI REALIZZATIVA
I filobus derivano per lo più da omologhi autobus, con costi doppi rispetto a quest ultimi sia per il limitato numero di esemplari costruiti che per un impiantistica di bordo che è ben diversa. Visto che con la soluzione esposta si possono occupare gli stessi spazi di normali gruppi motore Diesel cambio e che sarebbe doveroso semplificare ed utilizzare il più possibile la normale componentistica, si considera di sfruttare per i consueti servosterzo, compressore d aria e compressore impianto di condizionamento, gli stessi azionamenti meccanici del motore Diesel, con interposti delle macchine asincrone con statori rotanti in qualità, secondo lo stesso principio sopra accennato, di trasmissioni elettromagnetiche o motori. Nel funzionamento normale con motore Diesel fermo ed alimentazione da linea aerea queste macchine avrebbero lo statore bloccato ed alimentate come motori dalla linea trifase di bordo a 230 / 400 V 50 Hz in uscita dall inverter servizi. Nel funzionamento in marcia autonoma questi diventano trasmissioni elettromagnetiche senza bisogno di giunti elettromagnetici o servomeccanismi vari. I regolatori cc per l eccitazione dei motori non sarebbero necessari, come pure quello descritto in precedenza per l eccitazione della macchina elettrica di trazione, si può sfruttare la reversibilità e la versatilità degli inverter. L inverter servizi, alimentato dai servizi di bordo a bassa tensione fornisce sia le correnti continue agli statori delle macchine che azionano servosterzo e compressori (aria e condizionamento) che una tensione cc all inverter principale, che a sua volta regola una corrente continua sullo statore della macchina principale. Per il riscaldamento del veicolo, nel funzionamento normale con alimentazione da linea aerea si usano resistenze poste nello scambiatore di calore in cui è presente il radiatore dell impianto di raffreddamento del motore Diesel: in marcia autonoma è attivo invece il detto radiatore. INTEGRAZIONE CON SISTEMI DI RICUPERO ENERGIA IN FRENATURA. Tale ipotesi può essere integrata con sistemi di ricupero dell energia in frenatura.
Nel funzionamento normale si usano le prassi consolidate con regolazione della frequenza e tensione al motore in maniera da avere scorrimenti negativi e generazione di energia in fase di rallentamento. Nel funzionamento in marcia autonoma l energia accumulata nella fase di rallentamento del filobus può essere restituita al successivo avviamento imponendo all inverter la generazione di correnti alternate tali da creare nello statore rotante un campo non più fisso, ma anch esso rotante con senso di rotazione concorde allo statore, la cui coppia motrice si sommerà a quella del motore Diesel. Al contrario affinché la macchina elettrica asincrona possa diventare un generatore in fase di rallentamento, con motore Diesel al minimo, il riduttore meccanico di velocità deve poter scaricare la coppia di reazione dello statore. Ciò è realizzabile con riduttori meccanici a trasmissione meccanica unidirezionale (dal motore allo statore rotante) che si ispirano al meccanismo vite senza fine-ingranaggio. In tal modo si impiega la stessa prassi del funzionamento normale, solo che la velocità minima per poter effettuare il ricupero è di poco al di sopra di quella del motore Diesel al minimo, che per i tipi in uso è intorno ai 700-800 g/min., ossia con velocità minime sui 10-15 km/h.