Inverter 3kVcc/400Vca per l’alimentazione degli
impianti presenti lungo le linee ferroviarie
Paride Delucca Eugenio Fedeli, Aldo Isi
Luca Luciani, Marco Mungivera
RFI - Direzione Produzione
Bologna, Italia
Sysco SpA
Roma, Italia
Abstract— La disponibilità su tutta la rete ferroviaria
principale della tensione 3kVcc dovuta alla presenza della
catenaria di Trazione Elettrica, può consentire di cogliere
l’opportunità di utilizzare tale sorgente di alimentazione per la
generazione, mediante un inverter appositamente sviluppato, di
una tensione industriale da 400V in corrente alternata nei luoghi
difficilmente raggiungibili da utenze elettriche interne od esterne
oppure in caso di necessità di alimentazioni di emergenza per
fuori servizio dei sistemi di alimentazione in bassa tensione.
I.
Introduzione
Negli impianti a servizio della rete ferroviaria non di rado si
manifesta la necessità di alimentare carichi a bassa tensione
(bt) industriale (400 Vca) o nelle località di servizio o lungo le
linee ferroviarie.
Ciò implica la costruzione di cabine di trasformazione
alimentate in media tensione (MT) con prelievo ed
allacciamenti alla rete MT Interna o del Distributore Esterno al
Gruppo FS (es. ENEL).
Tutto ciò con notevole dispendio di risorse economiche e
tempi di realizzazione di norma in conflitto con le necessità
temporali dell’utente rispetto ai tempi di fornitura e
costruzione di impianti in MT.
Su tutta la rete ferroviaria di RFI è però disponibile un sistema
alimentato da Sottostazioni Elettriche di RFI SpA che
convertono la tensione primaria a 66/132 kVca energizzando
la catenaria per la trazione elettrica (TE) a 3kV in corrente
continua.
E’ pertanto disponibile una fonte di alimentazione costante ed
omogenea e l’alternativa alle cabine di trasformazione può
essere rappresentata da un dispositivo in grado di convertire la
tensione continua della linea di contatto TE in tensione
alternata fruibile dagli impianti e dalla apparecchiature
funzionanti a tensione industriale (400 Vca).
Il dispositivo in questione è un INVERTER in grado di fornire
in uscita una corrente alternata partendo dalla tensione
continua applicata ai morsetti di ingresso.
La possibilità di installare un INVERTER nelle adiacenze del
binario prelevando la tensione di alimentazione direttamente
dalla catenaria TE riduce in modo considerevole i tempi ed i
costi di posa, attivazione ed utilizzo rispetto alle tradizionali
cabine di trasformazione MT/BT.
II.
Caratteristiche tecniche
L’utilizzo delle più moderne ed affidabili tecnologie nel
campo dei dispositivi di commutazione, IGBT con Vce 6400V
e correnti commutate fino a 750 A, ha permesso di realizzare
un convertitore ad alte prestazioni ed elevato rendimento (>
90% a pieno carico) in unico stadio di potenza direttamente
collegato alla linea di alimentazione TE. L’eliminazione dello
stadio iniziale abbassatore, normalmente presente in questo
genere di applicazioni con tensione in ingresso 3.4 kVcc
nominali, rappresenta, senza dubbio, la più importante delle
innovazioni tecnologiche introdotte da questo convertitore.
L’inverter è realizzato in configurazione ponte ad “H” trifase,
ogni ramo costituito da due IGBT (alta tensione/alta corrente)
insiste direttamente sul primario del trasformatore adattatore
di tensione ad elevato isolamento. Il rapporto di
trasformazione è pari a 1670/400. La tensione efficace al
primario è ottenuta mediante modulazione PWM dei
dispositivi di commutazione, la frequenza di commutazione di
900Hz, in abbinamento alla reattanza inglobata nel
trasformatore ed al filtro di uscita, permette di ricostruire al
secondario una sinusoide a bassa distorsione armonica con
gradiente di tensione dv/dt particolarmente contenuto.
Gli IGBT con tali caratteristiche hanno limiti derivanti dalle
perdite di commutazione che, in virtù degli elevati valori di
tensione e corrente, sono relativamente alte. Il costruttore del
componente, fornendo a corredo una ampia documentazione
tecnica per il corretto utilizzo, indica quali frequenze di
commutazione preferenziali quelle non superiori a 1.2 kHz al
fine di contenere tali perdite e garantire il funzionamento entro
i regimi termici caratteristici del componente. Si deduce che
la scelta di una circuitazione che utilizzi IGBT di queste taglie,
se da un lato permette di ottenere una macchina di elevate
prestazioni ed elevata potenza, dall’altro impone l’utilizzo di
un filtro di uscita di taglia superiore rispetto ad un analogo
convertitore con frequenze di commutazione superiori (10-15
kHz) ma che non potrebbe permettere il raggiungimento della
potenza del convertitore proposto con tensione di
alimentazione 3kVcc. A garanzia di un corretto smaltimento
del calore prodotto, gli IGBT, sono montati su speciali
dissipatori in alluminio e ventilati in ambiente condizionato la
cui temperatura è costantemente abbattuta da una unità di
trattamento aria di opportuna potenza.
Il confronto fra un sistema tradizionale e quello proposto è
semplificato dalle rappresentazioni di figura 1 e 2
Fig.1 – Sistema di conversione tradizionale a doppio stadio
Fig.2 – Sistema di conversione tradizionale monostadio
La figura 1 illustra, in modo semplificato, lo schema di un
convertitore di tipo tradizionale con il primo stadio
abbassatore, essenzialmente costituito da un sistema in grado
di generare un onda quadra, generalmente a duty cycle
variabile e frequenza fissa, che viene applicato, attraverso
speciali trasformatori, alla successiva sezione raddrizzatrice la
quale, in uscita, alimenta il DC bus generalmente a 750 Vcc.
In queste applicazioni l’elemento attivo è costituito da
Thiristori o GTO le cui tensioni di lavoro sono in linea con le
tensioni di alimentazione del sistema. Il loro utilizzo impone
però circuitazioni complesse e gravose dal punto di vista della
dissipazione termica e dei pilotaggi. Il raddrizzamento è
generalmente costituito da diodi rettificatori veloci ad alta
tensione, alta corrente, con perdite non trascurabili. Questa
configurazione è in grado di permettere l’impiego nel
successivo stadio INVERTER di dispositivi ad IGBT che fino
a pochi anni fa avevano tensione massima Vce non superiore a
2400 V.
La figura 2 mostra, invece, sempre in modo semplificato, il
sistema adottato nel convertitore presentato in questa
memoria, nel quale non è più presente lo stadio abbassatore e
la tensione VAT è direttamente collegata, a valle del filtro di
ingresso, allo stadio INVERTER. L’indubbio vantaggio di
questa configurazione è rappresentato appunto dalla notevole
riduzione dei componenti utilizzati e dalla semplificazione del
circuito che si traduce in:
Migliore affidabilità;
Riduzione di pesi ed ingombri;
Riduzione delle perdite complessive e conseguente
miglioramento del rendimento totale;
Riduzione dei tempi di manutenzione e ricerca guasti.
La frequenza di commutazione relativamente bassa, impone,
per l’ottenimento di una tensione a basso contenuto armonico,
l’adozione di un filtro di uscita LC di taglia consistente, la cui
dinamica, relativamente lenta, è compensata dalla elevata
velocità di calcolo del microprocessore utilizzato, rendendo la
risposta del sistema perfettamente in linea con le esigenze di
esercizio del convertitore.
Nelle diverse esecuzioni il convertitore è alimentabile con le
tensioni normalmente disponibili in ambito ferroviario:
- V nominale 3000 Vcc con variazioni 2900÷4000 V;
- V nominale 1500 Vcc con variazioni 1100÷1900 V;
- V nominale 750 Vcc con variazioni 550÷1000 V.
Il trasformatore, del gruppo DzN0, permette di compensare,
entro limiti molto ampi, l’eventuale squilibrio del carico,
riducendone gli effetti al primario e consentendo all’inverter
di lavorare in condizioni ottimali.
Detta apparecchiatura, oltre che realizzare l’adattamento della
tensione, realizza l’isolamento galvanico fra la linea TE ed il
carico alimentato, garantendo un livello di sicurezza
estremamente elevato grazie anche alla realizzazione con
impregnazione totale con autoclave a vuoto spinto e vernici
isolanti essiccate in forno.
Tutti i trasformatori sono sottoposti a prova di rigidità
dielettrica per un minuto alla tensione di 18.5 kVca; la prova
viene ripetuta irrorando il trasformatore, su tutti i lati, con
acqua di fonte per la verifica della tenuta dielettrica in
condizioni di aria ambiente con percentuale di umidità
prossima al 100%.
Il cuore dell’elettronica di controllo per la generazione della
terna trifase è costituito da un microprocessore a 32 bit di
ultima generazione ed elevatissima velocità di calcolo.
All’elettronica di controllo afferiscono tutti i segnali di misura
provenienti dai trasduttori ad effetto HALL inseriti nel circuito
di potenza, l’elaborazione di questi segnali permette al circuito
di controllo di ottenere una efficace regolazione della tensione
di uscita, garantendone la stabilità entro la tolleranza del +/1% in condizioni di carico statico e del +/- 5% in condizioni di
carico dinamico con rientro nella tensione nominale in 40 ms
(due periodi della V di output) dopo i transitori di presa e
rilascio carichi.
Il dimensionamento dei circuiti di potenza, elettromeccanici
ed elettronici, tiene conto della necessità di sovraccaricare il
convertitore fino al 150% della sua potenza nominale per un
tempo di almeno 5 minuti; protezioni elettroniche controllano
in maniera continua i valori delle temperature e delle correnti
in gioco, arrestando il funzionamento della macchina quando
vengano superate le soglie di sicurezza impostate.
Un’ulteriore protezione è prevista nel caso di superamento
della massima corrente in uscita, compreso sovraccarico, nei
transitori di presa di carico.
Questa protezione, detta di “secondo limite”, interviene
riducendo la tensione di uscita quando la corrente erogata
supera la soglia comprensiva del sovraccarico e della
tolleranza.
La riduzione di tensione è funzione della corrente richiesta
mantenendola costante nella soglia di secondo limite, questa
condizione viene sostenuta per circa 5 secondi, trascorsi i
quali viene generato un allarme funzionale con arresto della
macchina.
Questa funzione, oltre che rappresentare una protezione per il
convertitore, risulta utile per gestire l’intervento delle
protezioni dei carichi alimentati con distacco degli stessi senza
interferire con il regolare funzionamento dei restanti circuiti.
La trasmissione degli impulsi PWM di pilotaggio agli IGBT
collegati al 3 kVcc di alimentazione è realizzata con fibra
ottica in modo da garantire l’isolamento galvanico fra sezioni
funzionanti in Media Tensione e circuiti bt.
Le schede di pilotaggio degli IGBT trasformano gli impulsi
ottici provenienti dal sistema di regolazione in impulsi elettrici
idonei al corretto funzionamento degli IGBT ed al contempo
realizzano l’isolamento galvanico fra lo stadio AT e la
regolazione.
Nelle schede di pilotaggio, una per ogni IGBT, è realizzato un
circuito in grado di verificare costantemente i parametri
funzionali del dispositivo ad essa collegato, qualora, per
ragioni di sovraccarico oltre il limite o di malfunzionamenti, i
parametri funzionali assumano valori critici per l’integrità
dello stesso, la scheda genera un allarme (DESAT) che,
trasferito sempre mediante fibra ottica alla regolazione,
produce l’arresto del convertitore.
Una ulteriore ed altrettanto importante innovazione è
rappresentata dall’adozione di un PLC che sovraintende al
funzionamento della macchina. Esso scambia costantemente
informazioni con il circuito di regolazione e con un posto di
controllo remoto.
Il PLC remotizza tutte le informazioni sullo stato funzionale,
sulle grandezze elettriche e sulle eventuali anomalie di
malfunzionamento e riceve da remoto e trasferisce al
regolatore le richieste di avviamento e di arresto.
Il PLC oltre a trasferire informazioni consente il Telecomando
e Telecontrollo dell’apparecchiatura dai Posti Centrali (PCS o
DOTE) o comunque da siti periferici locali utilizzando nei casi
in esercizio i protocolli standard in RFI, utilizzando i canali
trasmissivi HW più comuni come ad esempio fibre ottiche,
cavi in rame e comunicazioni via etere GSM e/o GSM-R.
Il convertitore è autonomo dal punto di vista energetico, ossia
non necessita di ulteriori fonti di alimentazione per il suo
primo avviamento ed è dotato di presa di emergenza per
alimentazione dei circuiti ausiliari a 24 Vcc alimentabile da
GE portatile esterno od accumulatori poi da rimuovere.
Un micro convertitore 3000/24 Vcc della Potenza di 120W
esterno alla macchina fornisce energia sufficiente a caricare un
sistema di accumulo a super condensatori; ciò oltre a
rappresentare ulteriore innovazione consente ai sistemi di
controllo ed al PLC di trasferire informazioni in caso di
mancanza delle rete TE al posto remoto, inoltre, il sistema ha
energia sufficiente per manovrare il sezionatore manovrabile
sottocarico posto a monte ed a protezione/sezionamento del
convertitore, quando da remoto venga trasmessa la richiesta di
avviamento della macchina.
Relativamente all’esercizio le macchina è progettata per “non
propagare il guasto” essa, infatti, in caso di guasto grave
dispone
delle
sicurezze
necessarie
per
arrestare
immediatamente il suo funzionamento e scollegarsi dalla linea
di alimentazione MT, inviando al posto di controllo remoto
(Posto Centrale DOTE) la segnalazione di avaria.
Sul pannello di controllo del convertitore è presente un display
touch screen che visualizza costantemente lo stato funzionale
del convertitore. Il menù di navigazione permette di accedere
alle diverse pagine video che visualizzano gli stati dei
dispositivi di sezionamento, le temperature interne, i parametri
funzionali e gli eventuali allarmi generati.
A prevenzione delle interferenze con le correnti codificate del
segnalamento circolanti nelle rotaie, il convertitore dispone di
un dispositivo di rilevazione di correnti armoniche generate e
ricadenti nella maschera FS 96, Specifica 370582 rev 10. Il
dispositivo controlla costantemente il contenuto armonico
della corrente in transito nel circuito di alimentazione del
convertitore, nel caso una componente risultasse, per ampiezza
e per durata, all’interno della maschera, viene generato un
allarme con arresto del convertitore con relativa segnalazione
della presenza di allarme al posto remoto.
Il dispositivo in questione analizza costantemente ampiezza e
durata delle armoniche della corrente circolante nella sezione
di ingresso a 3kVcc, e qualora risultassero, per durata o per
ampiezza al di fuori dei limiti previsti dalla Maschera FS96,
genera un allarme che blocca istantaneamente il
funzionamento del convertitore.
Per la sicurezza dell’operatore, il convertitore è dotato di:
- Controllore di continuità dei negativi funzionali (ritorno
TE);
- Controllore di continuità dei collegamenti a terra (PE);
- Interblocchi elettrici ed a chiave degli accessi alle parti in
tensione.
L’apertura accidentale di uno dei collegamenti verso terra
(PE) o verso negativo (ritorno TE), eseguiti in doppio cavo
indipendente, genera istantaneamente un allarme funzionale
che oltre ad arrestare il funzionamento del convertitore apre il
sezionatore da palo posto a monte del circuito di
alimentazione MT.
Una ulteriore innovazione introdotta è rappresentata dalla
possibilità di selezionare, dal pannello locale a fronte quadro o
dal monitor remoto, le modalità funzionali della macchina:
1. Possibilità di alimentare il carico in modalità
“Rampa” o in modalità a “Gradino”;
2. Selezionare la tensione di uscita su quattro livelli:
“360”, “380”, “400” e “410” Vca mantenendo
costanti le caratteristiche di stabilità nominali.
La modalità di cui al punto 1, alimentazione a rampa, permette
di fornire alimentazione a carichi speciali quali trasformatori o
carichi fortemente induttivi, che in alimentazione a gradino
potrebbero generare extracorrenti di spunto in grado di creare
Fig. 3 – Schema del convertitore installato a Melzo sulla linea Milano-Venezia
perturbazioni in rete tali da provocare intempestivi interventi
delle protezioni.
La modalità di cui al punto 2 permette di recuperare le
eventuali cadute di tensione introdotte dalla linea verso il
carico quando questa sia lunga o particolarmente articolata in
successive trasformazioni.
Per gli utilizzi in ambito ferroviario il convertitore può erogare
alle diverse tensioni generalmente utilizzate:
- 1000 Vac, trifase o monofase a frequenza 50 Hz;
- 400 Vac, trifase o monofase alla frequenza 50 Hz;
- 230 Vac, trifase o monofase alla frequenza 50 Hz;
La combinazione del sistema di uscita permette inoltre di
ottenere tutte le tensioni in ca ed in cc normalmente utilizzate.
Per quanto sopra il convertitore può essere utilizzato per
alimentare
- Sistemi di alimentazione di sicurezza delle gallerie,
luci e forza motrice;
- Sistemi di alimentazione impianti di segnalamento;
- Sale tecniche per il segnalamento;
- Locali tecnici in stazioni presenziate e non;
- Sistemi di alimentazione per passaggi a livello a
barriere mobili;
- Impianti RED per snevamento deviatoi;
Realizzabile in esecuzione da interno o da esterno nelle
soluzioni SHELTER o in CONTAINER con dimensioni che
vanno da 1500mm(L)x2000mm(H)x800mm(P) per la taglia
minima da 15 kVA a 2400mm(L)x2600mm(H)x6000mm(P)
per la taglia al momento massima da 400 kVA.
III.
Applicazione in Campo
Rete Ferroviaria Italiana ha messo in esercizio negli scorsi
mesi un convertitore di questo genere della potenza di 200
kVA costruito dalla SYSCO-CEA SpA ed installato a Melzo
sulla linea Milano-Venezia nella giurisdizione della Direzione
Territoriale Produzione di Milano con la funzione di seconda
fonte di alimentazione dell’apparato ACC provvisorio in
container su carri ferroviari realizzato ed in esercizio in tale
località.
Nello schema riportato nella fig.3 si riporta lo schema elettrico
funzionale del convertitore che alimenta l’Apparato Centrale
Computerizzato (ACC) presente presso la stazione di Melzo
tramite un commutatore installato nel quadro bt che alimenta
la Centralina di alimentazione dell’apparato in parola o
attraverso la tensione proveniente da utenza bt di ente
fornitore esterno al Gruppo FS.
Durante i test, le prove e le verifiche tecniche eseguite dal
costruttore e da RFI è stata alimentata la centralina in parola
per alcune ore con risultati molto positivi, verificando
contemporaneamente parametri elettrici e le sicurezze di
previste dal sistema, comandando l’apparecchiatura sia da
locale che da remoto.
IV.
Conclusioni
Le positive risultanze della sperimentazione in esercizio del
convertitore oggetto di questa memoria ne hanno messo in
luce la versatilità, la robustezza e l’affidabilità in esercizio.
La possibilità di alimentare direttamente dalla catenaria TE
tutte le utenze funzionanti a tensione e frequenza industriale
400 Vca in luoghi difficilmente raggiungibili da utenze
elettriche interne od esterne oppure in caso di necessità di
alimentazioni di emergenza per fuori servizio dei sistemi di
alimentazione in bassa tensione consentirà di ridurre in modo
considerevole i tempi ed i costi di posa, attivazione ed utilizzo
rispetto alle tradizionali cabine di trasformazione MT/BT.
REFERENCES
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Foto 1 – Convertitore da 200kVA installato a Melzo
Fig. 4 – Vista anteriore/posteriore del convertitore da 200kVA
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