Componenti per Treni

Componenti per Treni
V02/08
Chi smette di migliorare,
ha smesso di essere bravo.
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 600-1000 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.
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Schema a blocchi di un tipico sistema DC
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Pantografo per linea aerea 600-1000 V DC o pattino per terza rotaia
Interruttore di protezione extrarapido
Interruttore di by-pass
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
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)
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.
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
Condensatori di livellamento per la tensione DC
Resistore utilizzato per limitare la tensione e come resistenza di frenatura per la frenatura dinamica
quando non è possibile il recupero
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
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
Filtro per la soppressione dei disturbi EMC dal circuito di alimentazione dei sistemi ausiliari
Trasformatore di adattamento per il circuito di alimentazione dei sistemi ausiliari
Ritorno di corrente attraverso il contatto tra i carrelli e le rotaie
NTT ID
NTT LD
NTT LD
NTT LD
Una selezione di induttanze prodotte da REO Train Technologies Nieke Division
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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
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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.
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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.
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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.
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.
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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 10.000 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
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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%.
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Norme tecniche di riferimento
IEC/EN/DIN 60068-1 e -2-6
Prove ambientali
IEC 60322:2001
(DIN EN 60322:2001)
Applicazioni ferroviarie, tranviarie,filoviarie e metropolitane - Apparecchiature elettriche
per materiale rotabile – Prescrizioni relative a reostati di potenza in costruzione aperta
IEC 61373:1999
Applicazioni ferroviarie, tranviarie, filoviarie e metropolitane - Materiale rotabile – Prove
d’urto e di vibrazioni
DIN EN 61373
Draft 2007-03
Applicazioni ferroviarie, tranviarie, filoviarie e metropolitane - Materiale rotabile – Prove
d’urto e di vibrazioni
DIN VDE 0160 / 12.90 e
VDE 0535
Impianti ad alta tensione con equipaggiamento elettronico
DIN EN 50124-1:2001
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
DIN EN 50125-1:1999
Applicazioni ferroviarie, tranviarie, filoviarie e metropolitane - Condizioni ambientali per gli
equipaggiamenti - Parte 1: Equipaggiamenti nel materiale rotabile
DIN EN 50155 BN411002
Applicazioni ferroviarie, tranviarie, filoviarie e metropolitane - Equipaggiamenti elettronici
utilizzati sul materiale rotabile
DIN EN 60068-2-1:1993
Prove ambientali – Parte 2: Prove - Prova A: Freddo
DIN EN 60068-2-2:1993
Prove ambientali - Parte 2: Prove - Prova B: Calore secco
DIN EN 60068-2-11:1999
Prove ambientali - Parte 2: Prove - Prova Ka: Nebbia salina
DIN EN 60068-2-30:1999
Prove ambientali - Parte 2: Prove – Prova Db: Caldo umido, ciclico (12 h + 12 h)
DIN EN 60529:1991
Gradi di protezione degli involucri (Codice IP)
DIN EN 61140:2001
Protezione contro i contatti elettrici - Aspetti comuni per gli impianti e le apparecchiature
EN 60721-3-5:1997-08
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.
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REO World-wide Contacts
REO ELEKTRONIK AG
REO INDUCTIVE COMPONENTS AG
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
REO (UK) Ltd.
REO Engineering Services
REO VARIAC S.A.R.L.
REO ITALIA S.r.l.
REO CROMA Sp.zo.o.
REO-USA, Inc.
REO-ESPAÑA 2002 S.A.
REO Shanghai Inductive
Components Co., Ltd.
REO INDUCTIVE COMPONENTS AG
Moscow Representative Office
NEEL REO SYSTEMS PVT.LTD.
Brühler Strasse 100
D-42657 Solingen
Tel. +49 (0)212-8804-0
Fax +49 (0)212-8804-188
Þwww.reo.de [email protected]
Brühler Strasse 100
Tel. +49 (0)212-8804-0
D-42657 Solingen
Fax +49 (0)212-8804-188
Þwww.reo.de [email protected]
Schuldholzinger Weg 7
Tel. +49 (0)8561-9886-0
D-84347 Pfarrkirchen
Fax +49 (0)8561-9886-40
Þwww.reo.de [email protected]
Holzhausener Strasse 52
Tel. +49 (0)33971-485-0
D-16866 Kyritz
Fax +49 (0)33971-485-90
Þwww.reo.de [email protected]
Brühler Strasse 100
Tel. +49 (0)212-8804-0
D-42657 Solingen
Fax +49 (0)212-8804-188
Þwww.reo.de [email protected]
Erasmusstrasse 14
Tel. +49 (0)30-3670236-0
D-10553 Berlin
Fax +49 (0)30-3670236-44
Þwww.reo.de [email protected]
Im Halbiacker 5a
Tel. +41 (0)52-363-2820
CH-8352 Räterschen
Fax +41 (0)52-363-1241
Þwww.reo.ch [email protected]
Tel. +44 (0)1588-673-411
Units 2-4 Callow Hill Road
Fax +44 (0)1588-672-718
Craven Arms
Þwww.reo.co.uk [email protected]
Shropshire SY7 8NT
Parc d`activités HERACLES
Tel. +32 (0)71-287-716
Chaussée de Charleroi 91 bat 5 Fax +32 (0)71-287-746
B-6060 Gilly (Charleroi)
Þwww.reo.de [email protected]
ZAC Du Clos aux Pois 1
Tel. +33 (0)1-6911-1898
6/8 rue de la Closerie-LISSES
Fax +33 (0)1-6911-0918
F-91048 Evry Cédex
Þwww.reo.fr [email protected]
Via Treponti, 29
Tel. +39 030-279-3883
I-25086 Rezzato (BS)
Fax +39 030-249-0600
Þwww.reoitalia.it [email protected]
ul. Pozaryskiego 28, bud 20
Tel. +48 (0)22-812-3066
PL-04-703 Warszawa
Fax +48 (0)22-815-690
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3250 North Post Road, Suite #132 Tel. +1 (0)317-8991-395
USA-Indianapolis, IN 46226
Fax +1 (0)317-8991-396
Þwww.reo-usa.com
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C/Manuel Ventura i Campeny 21B Tel. +34 (0)937-509-994
local 9
Fax +34 (0)937-509-995
E-08339 Vilassar de Dalt
Þwww.reospain.com
(Barcelona)
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No. 536 ShangFeng Road,
Tel. +86 (0)21-5858-0689
Pudong, 201201 Shanghai, China Fax +86 (0)21-5858-0289
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Tel. +7 (0)495-956-55-57
Fax +7 (0)495-956-82-63
ul. Petrovka 27
Þwww.reo.de [email protected]
107031 Moskau
406 Saphire Arcade
Tel. +91 (0)22-251643-26
42, M.G. Road
Fax +91 (0)22-251643-17
Ghatkopar (E), Mumbai 400 077 Þwww.neelreo.in [email protected]