Area Tematica - 2 (Veicolo) Filobus con marcia autonoma

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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 [email protected]
PREMESSA
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.
IPOTESI
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.