Appunti Sistemi elettrici per la mobilità

Sistemi elettrici per la mobilità

Appunti a cura di Guerrera Alessandro

Sapienza – Ingegneria Elettrotecnica Il trasporto di massa 2

I

NDICE

1 IL TRASPORTO DI MASSA ................................................................................................................ 7

1.1 Vantaggi e svantaggi del trasporto su ferro ...................................................................................... 8

2 LA RETE FERROVIARIA ITALIANA ................................................................................................... 11

2.1 Evoluzione, presente e futuro ......................................................................................................... 11

2.2 Classificazione .................................................................................................................................. 15

2.3 Nodi di traffico ................................................................................................................................. 15

2.4 Posti di servizio ................................................................................................................................ 15

2.5 Stazioni ............................................................................................................................................ 16

3 L’INFRASTRUTTURA FERROVIARIA ................................................................................................. 19

3.1 Definizioni e caratteristiche ............................................................................................................. 19

3.1.1 Sovrastruttura ferroviaria ........................................................................................................ 20

3.1.2 Il corpo stradale ....................................................................................................................... 24

3.2 Gli apparecchi di deviazione ............................................................................................................ 26

3.2.1 Costituzione ............................................................................................................................. 27

3.2.2 Classificazione .......................................................................................................................... 29

3.2.3 Comunicazioni e intersezioni ................................................................................................... 31

3.2.4 Manovra degli scambi .............................................................................................................. 31

3.2.5 Deviatoio con cuore a punta mobile ....................................................................................... 33

4 MECCANICA DEL MOTO ................................................................................................................ 34

4.1 Il carrello ferroviario ........................................................................................................................ 34

4.2 Dinamica del sistema ruota-rotaia .................................................................................................. 36

4.3 La coppia cinematica ruota treno: l’aderenza ................................................................................. 36

4.3.1 Lo scorrimento ......................................................................................................................... 37

4.4 Resistenze al moto ........................................................................................................................... 38

4.4.1 Resistenze in piano e rettifilo .................................................................................................. 39

4.4.2 Resistenze del tracciato ........................................................................................................... 41

4.4.3 Pendenza fittizia e gradi di prestazione................................................................................... 45

4.4.4 Resistenza di inerzia ................................................................................................................ 46

4.5 Fasi del moto ................................................................................................................................... 46

4.5.1 Fase di avviamento .................................................................................................................. 46

4.5.2 Fase di arresto ......................................................................................................................... 48

4.6 Prestazione di una locomotiva ........................................................................................................ 50

4.6.1 Abaco di Cavagnaro ................................................................................................................. 50

4.7 Virtualità delle linee ........................................................................................................................ 54

4.8 L’orario grafico ................................................................................................................................. 56

Il trasporto di massa 3

5 IL CIRCUITO DI TRAZIONE .............................................................................................................. 57

5.1 Fonti di alimentazione a bordo ........................................................................................................ 57

5.2 Fonti di alimentazione esterna ........................................................................................................ 61

5.2.1 Organi di captazione ................................................................................................................ 62

5.2.2 Considerazioni sulla linea di alimentazione ............................................................................. 69

5.2.3 Problema del distacco ............................................................................................................. 69

5.3 Organi di comando, manovra e protezione ..................................................................................... 72

5.4 Azionamenti elettrici ....................................................................................................................... 75

5.4.1 Azionamenti in c.c. .................................................................................................................. 75

5.4.2 Azionamenti in c.a. .................................................................................................................. 83

5.4.3 Peculiarità dei mezzi di trazione pesanti ................................................................................. 86

5.5 Locomotive policorrente ................................................................................................................. 92

5.5.1 I pantografi .............................................................................................................................. 96

5.5.2 Il sistema di sensori ................................................................................................................. 96

5.5.3 Schemi elettrici delle policorrente .......................................................................................... 98

5.5.4 Le policorrenti con equipaggiamento a tiristori .................................................................... 103

5.6 Rotabili per trazione pesante: l’ ETR 500 ...................................................................................... 109

5.6.1 Caratteristiche generali ......................................................................................................... 109

5.6.2 L’azionamento ....................................................................................................................... 111

5.6.3 Servizi ausiliari ....................................................................................................................... 112

5.6.4 Motori di trazione .................................................................................................................. 113

5.6.5 Distribuzione dell’energia a bordo ........................................................................................ 113

5.6.6 Caratteristiche meccaniche ................................................................................................... 114

5.7 L’ETR 1000 ..................................................................................................................................... 115

5.8 Il Pendolino .................................................................................................................................... 116

5.8.1 Caratteristiche generali ......................................................................................................... 116

5.8.2 Funzionamento del sistema oscillante .................................................................................. 116

6 SISTEMI DI ELETTRIFICAZIONE IN CORRENTE CONTINUA .............................................................. 118

6.1 Evoluzione dei sistemi di trazione elettrica ferroviaria ................................................................. 118

6.2 La situazione attuale ...................................................................................................................... 119

6.3 L’interoperabilità ........................................................................................................................... 120

6.4 L’ elettrificazione in corrente continua ......................................................................................... 121

6.4.1 Circuito di trazione ................................................................................................................ 122

6.4.2 Sottostazioni elettriche ......................................................................................................... 125

6.4.3 Sottostazioni elettriche reversibili ......................................................................................... 139

6.4.4 Sottostazioni con accumulo elettrochimico (stazionario) ..................................................... 142

Il trasporto di massa 4

6.5 Regolazione della tensione ............................................................................................................ 144

6.6 Linee di trazione in c.c. .................................................................................................................. 145

6.6.1 Tecniche di sospensione ........................................................................................................ 146

6.6.2 L’alimentatore ....................................................................................................................... 160

6.6.3 Il circuito di ritorno: le rotaie ................................................................................................. 161

6.6.4 Il circuito di protezione .......................................................................................................... 161

7 ESERCIZIO DELLE LINEE DI TRAZIONE IN C.C. ................................................................................ 164

7.1 Parallelo delle linee in SSE e in linea ............................................................................................. 165

7.1.1 Parallelo di metà tratta .......................................................................................................... 165

7.2 Esercizio in regime normale .......................................................................................................... 166

7.3 Sezionamenti ................................................................................................................................. 167

7.3.1 Sezionamento a spazio d’aria tra portali ............................................................................... 169

7.3.2 Sezionamento a spazio d’aria tra binari pari e dispari .......................................................... 170

7.3.3 Posti di sezionamento in stazione – Schemi di stazione ....................................................... 174

7.3.4 Posti di sezionamento in una stazione equipaggiata con SSE ............................................... 175

8 PROGETTO DEGLI IMPIANTI DI TRAZIONE IN C.C. ......................................................................... 179

8.1 Vincoli di progetto ......................................................................................................................... 179

8.1.1 Limiti sulle cadute di tensione ............................................................................................... 179

8.1.2 Limiti termici .......................................................................................................................... 180

8.1.3 Potenze erogate dalle SSE ..................................................................................................... 181

8.1.4 Selettività delle protezioni ..................................................................................................... 181

8.2 Calcolo delle cadute di tensione .................................................................................................... 182

8.2.1 Cadute in SSE ......................................................................................................................... 182

8.2.2 Cadute sulla linea di trazione ................................................................................................ 182

8.2.3 Parametri di progetto di una sistema di elettrificazione ....................................................... 186

8.3 Calcolo termico .............................................................................................................................. 187

8.3.1 Limiti ...................................................................................................................................... 187

8.3.2 Equazione del bilancio termico ............................................................................................. 187

8.3.3 Variabili indipendenti del progetto ....................................................................................... 188

8.4 Protezione della linea di contatto ................................................................................................. 188

8.4.1 Protezione di tipo amperometrico con extrarapidi di SSE .................................................... 189

8.4.2 Protezione con posto di sezionamento automatico intermedio ........................................... 191

8.4.3 Protezione di tipo amperometrico con asservimento tra due extrarapidi ........................... 193

8.5 Standard elettrici ........................................................................................................................... 194

8.5.1 Linea di contatto .................................................................................................................... 194

8.5.2 Macchinario in SSE ................................................................................................................. 194

Il trasporto di massa 5

8.5.3 Standard generali RFI a 3 kV in c.c. ........................................................................................ 194

8.6 La compatibilità elettromagnetica nei sistemi di trazione ferroviaria in c.c. ................................ 195

8.6.1 La compatibilità elettromagnetica ........................................................................................ 195

8.6.2 Armoniche ............................................................................................................................. 196

8.6.3 La corrosione elettrolitica ...................................................................................................... 198

9 SISTEMI DI ELETTRIFICAZIONE IN CORRENTE ALTERNATA ............................................................. 203

9.1 Sistemi di elettrificazione in corrente alternata monofase a 25 kV-50 Hz .................................... 203

9.1.1 Interconnessione delle SSE .................................................................................................... 203

9.1.2 Sottostazioni elettriche ......................................................................................................... 204

9.1.3 Dissimmetrie .......................................................................................................................... 206

9.1.4 Fluttuazioni di tensione ......................................................................................................... 209

9.1.5 Posti di sezionamento ........................................................................................................... 210

9.2 Sistemi di elettrificazione in corrente alternata 2x25 kV-50 Hz .................................................... 211

9.2.1 Genesi del sistema 2x25 kV ................................................................................................... 212

9.2.2 Caratteristiche e differenze rispetto a sistema a 25 kV......................................................... 213

9.2.3 Posti di Parallelo Doppio ........................................................................................................ 216

9.2.4 Tratti neutri ............................................................................................................................ 217

9.2.5 Compatibilità elettromagnetica............................................................................................. 217

9.2.6 Linea di trazione .................................................................................................................... 218

9.2.7 Impianto di terra .................................................................................................................... 220

9.2.8 Sistema di protezione ............................................................................................................ 222

9.2.9 I disturbi indotti dai parallelismi di linee di trazione ed altre linee di energia e TLC ............ 223

9.3 Posti di confine – POC (Posto di Origine catenaria) ...................................................................... 226

10 SICUREZZA E SEGNALAMENTO NELLA CIRCOLAZIONE FERROVIARIA ............................................. 227

10.1 Principi di affidabilità e sicurezza .................................................................................................. 227

10.1.1 Il sistema di sicurezza e segnalamento .................................................................................. 227

10.1.2 Affidabilità e sicurezza ........................................................................................................... 228

10.2 Sicurezza e segnalamento in linea .....................................................................