Licenza da macchinista - Modulo 4

Modulo 44.1.1 sistema di trazione materiale rotabile

Definizione di unità di trazione

Si definisce Unità di Trazione un qualsiasi veicolo ferroviario dotato di apparato motore.

Storia

La prima ferrovia è nata in Inghilterra il 27 settembre del 1825 ed utilizzava la trazione a vapore. Il primo stato italiano ad avere una linea ferroviaria è stato il «Regno delle due Sicilie», successivamente il «Granducato di Toscana» inaugura la Livorno-Pisa ed in seguito il «Regno di Sardegna» e lo «Stato Pontificio».

Trazione a vapore

Le prime locomotive erano alimentate a carbone che veniva bruciato nel forno, il riscaldamento dell’acqua presente in caldaia produceva vapore sotto pressione, il quale veniva convogliato in un cilindro, quindi veniva spostato un pistone collegato ad un sistema di bielle che poneva in movimento le ruote della locomotiva.

4.1.1a Sistemi di trazione elettrica

Le unità di trazione elettrici realizzano la trasformazione dell’energia elettrica, prelevata dalla linea di contatto, in energia meccanica generata dai propri motori, i quali la trasmettono agli assi determinando così il movimento del treno. Le linee di contatto elettriche sono alimentate a corrente continua o in corrente alternata (con diversi valori di tensione). La derivazione della tensione dalla linea di contatto all’unità di trazione viene realizzata attraverso il pantografo.

Diversi tipi di azionamento

I vari sistemi di generazione della coppia motrice vengono denominati azionamenti. Azionamento con motori a:

• Corrente continua ad esclusione reostatica
• Corrente continua con alimentazione Chopper
• Corrente alternata trifase con alimentazione ad Inverter

Motori a corrente continua

Se un conduttore di lunghezza l percorso da corrente I viene immerso in un campo magnetico di induzione B, su questo agisce una forza meccanica F che tende a generare uno spostamento. La tensione esterna applicata agli estremi delle bobine dell’indotto, collegate alle due parti del collettore, viene fornita tramite le spazzole.

Regolazione della marcia

Il numero dei giri del motore obbedisce alla legge:

• V = tensione applicata;
• K = costante;
• Φ = intensità del campo magnetico

Questo mi dice che per regolare la marcia posso:

• Intervenire sulla tensione applicata ai motori, cambiandola “combinazione di marcia”.
• Intervenire sul campo magnetico effettuando opportuni “indebolimenti di campo” (o “shunt”).

Avviamento reostatico

Con avviamento reostatico si intende, nel gergo tecnico ferroviario, la particolare condizione di collegamento di un motore elettrico di una locomotiva alla sua linea elettrica di alimentazione, ottenuta inserendo in serie al circuito stesso, un reostato o una certa quantità di resistenze: queste vengono poi gradualmente escluse man mano che il motore acquista velocità. La necessità di ciò è del tutto evidente in quanto un motore elettrico, soprattutto se parte da fermo, all'atto dell'applicazione della tensione piena di alimentazione assorbirebbe, in mancanza di resistenze di limitazione, una corrente altissima (quasi di corto circuito) la cui coppia motrice imprimerebbe un violentissimo strappo a tutte le strutture connesse con effetti ipoteticamente disastrosi.

Principi di funzionamento delle locomotive elettriche

La tensione ai capi di ciascun motore è pari alla tensione di linea (3000 V) divisa per il numero di motori nel ramo. La corrente massima in ciascun ramo è limitata da appositi relé di massima corrente, tarati ai valori indicati. La corrente massima assorbita dalla linea (cioè captata dal pantografo) è data dalla somma delle correnti di ciascun ramo. Di conseguenza le combinazioni di parallelo comportano un assorbimento complessivo maggiore, e infatti corrispondono alle velocità maggiori, in cui la locomotiva sta sviluppando più potenza.

Azionamento a Chopper

Il progresso tecnologico ed il perfezionamento della tecnologia a semiconduttore degli anni Settanta ha permesso di realizzare tiristori (la conduzione avviene solo dopo l’innesco di un segnale) al silicio di elevate prestazioni da introdurre nelle applicazioni ferroviarie permettendo la nascita dei cosiddetti azionamenti di tipo elettronico. A bordo delle macchine a corrente continua è stato possibile, così, installare convertitori elettronici di potenza in grado di regolare con continuità la tensione ai morsetti dei motori di trazione ottenendo un comando di marcia più flessibile e con elevati rendimenti.

Questi convertitori realizzano la conversione diretta corrente continua/corrente continua senza interposizione di altri circuiti intermedi. Sono dotate di frenatura elettrica reostatica e quindi di un reostato di frenatura. Un convertitore di corrente continua-continua è il Chopper. È costituto in buona sostanza da un tiristore CH (interruttore elettronico) e da un diodo di ricircolo (D). CH è caratterizzato da un intervallo di tempo Tc (intervallo di conduzione) in cui esso risulta essere chiuso e da un intervallo di tempo Tb in cui è aperto (intervallo di blocco). Il chopper è così caratterizzato da una frequenza di chopper f pari a 1/T (con T=Tc+Tb) e da un rapporto di conduzione s (duty-cycle) pari a Tc/T.

Motori a corrente alternata (C.A.)

È il campo prodotto da una terna simmetrica ed equilibrata di sequenza diretta di correnti alternate, ovvero di ugual ampiezza, uguale pulsazione e sfasate di 120° elettrici l'una rispetto alle altre in senso antiorario, circolanti in tre bobine con asse magnetico sfasato di 120°. È il principio su cui si basa il motore asincrono.

Motore asincrono trifase

Il motore asincrono trifase si compone di una parte fissa detta statore e una parte mobile detta rotore. È un motore elettrico in corrente alternata la velocità angolare del cui rotore è inferiore alla velocità di rotazione del campo magnetico generato dagli avvolgimenti di statore, da cui l'asincronismo.

Lo statore è formato da un pacco di lamierini aventi la forma di corona circolare. Le scanalature interne al pacco di lamierini statorici accolgono i conduttori (filo di rame smaltato) dell'avvolgimento trifase statorico. Il rotore è situato all'interno dello statore ed è costituito da un pacco di lamierini aventi la forma di corona circolare, con un foro interno per il passaggio dell'albero di rotazione, e scanalature esterne (cave rotoriche) per accogliere l'avvolgimento rotorico.

Sono costituiti anch’essi da un induttore e un indotto ma con la particolarità che nell’induttore scorre un sistema trifase di correnti in tre bobine disposte reciprocamente a 120°. All’interno delle bobine stesse si genera un campo magnetico “rotante”. Il campo è paragonabile a quello generato da un magnete permanente in rotazione. Nel rotore si generano quindi delle correnti indotte che per la legge di Lenz si oppongono alla causa che le genera (il campo rotante). Il solo modo che ha il campo indotto di opporsi a quello induttore è quello di ruotare insieme ad esso, riducendo quindi la velocità relativa tra i due.

I vantaggi di un motore asincrono rispetto al motore a c.c. sono:

• Assenza di collettore e spazzole (minore manutenzione dovuta a rigature, ovalizzazioni, flash);
• Ingombro ridotto della metà a parità di potenza per la mancanza del collettore e dell’avvolgimento tradizionale con relativo bendaggio.

Funzionamento a inverter

L’inverter è un dispositivo elettronico che permette di trasformare la tensione continua (per esempio quella della linea aerea) in tensione alternata (monofase o trifase), adatta ad alimentare i motori di trazione di tipo asincrono. La tensione alternata in uscita dall’inverter può essere regolata sia in ampiezza sia in frequenza.

L’inverter monofase trasforma la tensione di alimentazione, continua, in una tensione alternata che alimenta un carico (in questo caso una resistenza). La funzione del partitore di tensione è quella di creare un punto centrale a potenziale zero (A) e due punti estremi a potenziale +V/2 e –V/2. Un polo del carico è collegato al punto centrale, l’altro è collegato al punto a tensione +V/2 quando è acceso il tiristore superiore, al punto a potenziale –V/2 quando è acceso il tiristore inferiore. A seconda del tiristore acceso, il carico sarà sottoposto a una tensione positiva oppure a una tensione negativa. Accendendo alternativamente i due tiristori è possibile creare una tensione alternata sul carico. Variando la durata della conduzione di ciascun tiristore, è possibile ottenere una tensione in uscita avente frequenza variabile.

Inverter trifase

L’inverter trifase riceve in ingresso una tensione continua e genera tre tensioni alternate, sfasate tra loro di 120°. Esso è costituito da 3 coppie di tiristori, ciascuna delle quali alimenta una fase del carico. Su ogni fase del carico è presente una tensione Vr0, Vs0, Vt0 (detta tensione di fase) pari a +V o a 0, a seconda del tiristore acceso. Consideriamo ora le tensioni concatenate Vrs, Vst e Vtr col quale il carico trifase viene alimentato. Il loro valore istantaneo si ottiene secondo le formule seguenti:

Utilizzando le formule precedenti, sommiamo graficamente le tensioni di fase per ottenere l’andamento delle tensioni concatenate sul carico.

Modulazione PWM

La modalità di funzionamento dell’inverter vista in precedenza genera in uscita un’onda quadra di tensione. Poiché questa non risulta ottimale per alimentare i motori con una tensione, fino ad una certa frequenza viene utilizzata la tecnica di Pulse Width Modulation (PWM). La modulazione PWM permette di regolare la tensione in uscita a partire da una sorgente in corrente continua e, allo stesso tempo, di limitare la potenza dissipata dal sistema elettrico. Variando l’ampiezza e la frequenza delle modulanti, è possibile ottenere in uscita una tensione concatenata ad ampiezza e frequenza variabile.

L’inverter trifase è utilizzato per l’alimentazione dei motori asincroni trifase che equipaggiano i moderni mezzi di trazione. Il comportamento fortemente induttivo dei motori di trazione crea uno sfasamento tra corrente assorbita e tensione di alimentazione, che rende necessaria l’introduzione di diodi in antiparallelo ai tiristori. Con la produzione di tiristori di ultima generazione in grado di gestire potenze molto elevate è stato possibile costruire unità di trazione con motori a corrente alternata trifase azionati ad inverter.

Vantaggi:

• Potenza maggiore a parità di dimensione
• Rendimento maggiore
• Ridotte esigenze di manutenzione
• Velocità di rotazione molto maggiori (che li rende preferibili per l’esercizio ad alta velocità)
• Attitudine naturale a realizzare la frenatura elettrica.

4.1.1b Sistemi di trazione diesel

Motori termici

La termodinamica studia le trasformazioni di calore in lavoro meccanico e viceversa. Un motore trasforma l’energia prodotta dall’espansione di un gas in lavoro meccanico.

Trasformazioni cicliche

In una trasformazione ciclica il gas dopo la trasformazione ritorna nelle stesse condizioni di pressione, volume e temperatura che aveva all’inizio. Una macchina termica è un dispositivo che, operando in modo ciclico trasforma il calore in lavoro meccanico. Ogni macchina è caratterizzata da tre parametri: Q = calore assorbito da una sorgente termica, L = lavoro meccanico prodotto e η = rendimento = L / Q.

Ciclo di Carnot

Il ciclo termodinamico più importante che si possa realizzare su un gas ideale è sicuramente il ciclo di Carnot. Si tratta di una trasformazione ciclica e reversibile (può essere percorsa in senso inverso), costituita da quattro fasi due isoterme e due adiabatiche. Le caratteristiche del ciclo sono:

• Il ciclo opera con 2 sorgenti termiche a temperature diverse T1>T2;
• La macchina durante l’espansione isoterma assorbe calore da una sorgente Q1 a temperatura T1;
• Parte di questo calore Q2 è ceduto ad un corpo a temperatura minore T2, e parte viene invece trasformata in lavoro L.

Le 4 fasi sono:

1. Da A a B si ha una trasformazione isoterma reversibile: il gas si espande, la sua pressione diminuisce e la temperatura resta costante;
2. Da B a C abbiamo una trasformazione adiabatica reversibile: il gas si espande ulteriormente, la pressione e la temperatura diminuiscono ma non vi è alcuno scambio di calore;
3. Da C a D si ha una trasformazione isoterma reversibile: il gas si comprime, la sua pressione aumenta e la temperatura resta costante.
4. Da D ad A abbiamo una trasformazione adiabatica reversibile: il gas si comprime ulteriormente, la pressione e la temperatura aumentano senza che il gas scambi calore con l’ambiente.

Le fasi nel motore Diesel

1. Aspirazione: si apre la valvola di aspirazione, e la depressione creata dal pistone aspira aria;
2. Compressione: l’aria viene compressa dal pistone, le valvole rimangono chiuse la pressione e la temperatura aumentano;
3. Combustione: il combustibile viene polverizzato dall’iniettore ed a contatto con l’aria a temperatura elevata si incendia.
4. Espansione: la pressione elevata spinge il pistone verso il basso, che attraverso la biella mette in rotazione l’albero motore.
5. Scarico: si apre la valvola di scarico ed il pistone spinge i gas combusti fuori dal cilindro.

Sovralimentazione

Per poter bruciare più nafta occorre più ossigeno al fine di mantenere il giusto rapporto stechiometrico (rapporto tra massa del comburente e del combustibile) solo così il carbonio presente nel combustibile brucia completamente senza provocare formazione di ossido di carbonio. In realtà occorre che l’aria presente nella camera di combustione sia sempre dal 50% al 60% in eccesso perché ciò non accada. Per fare ciò sono stati ideati vari metodi come aumentare la cilindrata, aumentare la sezione di passaggio dei canali di aspirazione e scarico e forzare il riempimento del cilindro in fase di aspirazione.

Per forzare il riempimento del cilindro il metodo più usato consiste nel comprimere l’aria nel condotto di aspirazione mediante un turbocompressore azionato da una turbina coassiale che utilizza la pressione dei gas di scarico. In questo modo il sistema si autoregola inviando più aria man mano che aumenta la potenza richiesta. Poiché il ciclo termico avviene partendo da una pressione maggiore ed all’uscita i gas subiscono una ulteriore espansione nella turbina che ne abbassa la temperatura il rendimento termico è superiore.

Nei motori sovralimentati i condotti di aspirazione sono alimentati alla pressione di circa 1,3/1,5 bar, ciò comporta un aumento della temperatura dell’aria e quindi un aumento del suo volume specifico. Per poter immettere più aria si può farla passare, dopo la compressione in uno scambiatore raffreddato ad acqua detto intercooling. L’aria più fredda ha una densità maggiore e quindi a parità di volume e di pressione contiene più ossigeno, ciò consente di aumentare la quantità di combustibile iniettato ad ogni ciclo aumentando ulteriormente la pressione media indicata e quindi la coppia del motore.

Poiché la temperatura dell’acqua nell’intercooler deve essere la più bassa possibile non è opportuno utilizzare la stessa acqua di raffreddamento del motore ma si utilizza un circuito secondario di raffreddamento.

Vantaggi:

• La pressione sopra il cilindro è sempre maggiore di quella atmosferica ciò riduce la possibilità che l’olio lubrificante superi le fasce elastiche comportando minor consumo di olio.
• Autoregolazione dell’aria immessa in proporzione alla potenza richiesta.
• Maggior rendimento termico e quindi minor consumo di combustibile.
• Minor peso del motore a parità di potenza erogabile.

Motore Diesel

Il combustibile utilizzato per il funzionamento è il gasolio; questo viene iniettato direttamente all’interno della camera di combustione, attraverso iniettori elettronici che polverizzano il combustibile in minutissime gocce. A differenza del motore a benzina il metodo utilizzato per provocare l’accensione è un aumento di temperatura tale da innescare la reazione senza l’ausilio della scintilla.

I veicoli a motore termico utilizzano prevalentemente il motore a Diesel e possono essere a trasmissione meccanica, idraulica o elettrica.

Veicoli a trasmissione meccanica

I principali organi sono:

• Organo di distacco che può essere una frizione a secco o a bagno di olio.
• Convertitore di coppia o cambio ad ingranaggi o epicicloidale a nastro che permette l'adattamento del regime di marcia all’ottimale velocità di rotazione del motore.
• Trasmissione che può essere a biella motrice, a ingranaggi, ad albero cardanico, a catena di trasmissione.
• Ponte riduttore/invertitore composto da un sistema di ingranaggi che realizza il rapporto di trasmissione ed un sistema meccanico comandato pneumaticamente per l’inversione del senso di marcia.

Veicoli a trasmissione idraulica

La costruzione di tale tipo di trasmissione è senz'altro più complessa rispetto ad altri tipi in quanto prevede:

• Un convertitore di coppia (cambio) idraulico è costituito da una pompa centrifuga, da una turbina ed da un distributore collegati in circuito chiuso che utilizzano un fluido adatto. La coppia viene trasmessa dall'albero motore alla pompa e viene trasformata nella turbina in maniera da ottenerne la variazione, graduabile in continuità, all'albero condotto collegato alla girante della turbina. Viene realizzato così un cambio continuo senza interruzioni della trasmissione di potenza.
• Meccanismi di disinnesto del gruppo motore dal gruppo trasmissione.