Trasmissioni elettriche

Definizione

Un motore che utilizza l'energia elettrica per propellere in avanti è noto come trazione elettrica. Una delle principali applicazioni di un motore elettrico è il trasporto di persone e merci da un luogo all'altro. Le trazioni sono principalmente categorizzate in due tipi: la trazione monofase in corrente alternata e la trazione in corrente continua.

Servizi di trazione elettrica

I servizi di trazione elettrica possono essere ampiamente categorizzati come segue:

• Treni elettrici

• Treni di linea

• Treni suburbani

• Autobus, tram e trolley elettrici

• Veicoli alimentati a batteria e con energia solare

Di seguito è fornita una spiegazione dettagliata di questi servizi di trazione elettrica.

Treni elettrici

I treni elettrici, che viaggiano su binari fissi, sono ulteriormente suddivisi in treni di linea e treni suburbani.

Treni di linea
Nel caso di questi treni, l'energia viene fornita al motore in uno dei due modi: o da una linea aerea in un locomotiva elettrica o attraverso un gruppo generatore diesel in una locomotiva diesel.

In una locomotiva elettrica, il motore di trazione è alloggiato all'interno della stessa locomotiva. Una linea di trasmissione aerea è installata accanto o sopra la ferrovia. Un raccoglitore di corrente, dotato di una striscia conduttrice, è montato sulla locomotiva. Questa striscia conduttrice scivola lungo il conduttore di alimentazione, mantenendo così il contatto elettrico tra l'alimentazione e la locomotiva. Il conduttore di alimentazione è comunemente noto come filo di contatto. Per garantire un collegamento affidabile tra il raccoglitore di corrente e il filo di alimentazione, vengono utilizzati cavi catenaria e cavi pendenti.

Nei treni ad alta velocità, viene utilizzato un raccoglitore a pantografo. A forma di pentagono, questo design unico gli dà il nome. Il raccoglitore presenta una striscia conduttrice premuta saldamente contro il filo di contatto mediante molle. Solitamente realizzata in acciaio, questa striscia conduttrice svolge un ruolo cruciale nel mantenere una pressione costante tra sé e il filo di contatto. Questa pressione costante è essenziale per prevenire le oscillazioni verticali, assicurando un collegamento elettrico stabile e affidabile mentre il treno ad alta velocità viaggia a velocità elevate. Questo collegamento stabile è vitale per il fornitura ininterrotta di energia ai sistemi elettrici del treno, consentendo un funzionamento fluido ed efficiente.

Un sistema di alimentazione monofase è installato lungo l'intera linea ferroviaria. La corrente elettrica entra nella locomotiva attraverso il raccoglitore. Poi passa attraverso la bobina primaria di un trasformatore riduttore e ritorna alla terra dell'alimentazione attraverso le ruote della locomotiva. La bobina secondaria del trasformatore di potenza fornisce energia al modulatore di potenza, che a sua volta aziona il motore di trazione. Inoltre, l'uscita secondaria del trasformatore alimenta dispositivi ausiliari come ventilatori di raffreddamento e sistemi di climatizzazione.

Treni suburbani
I treni suburbani, anche comunemente noti come treni locali, sono progettati per viaggi a breve distanza. Questi treni fanno frequenti fermate a intervalli relativamente ravvicinati. Per migliorare le prestazioni di accelerazione e decelerazione, i treni suburbani incorporano carrozze motorizzate. Questa configurazione aumenta la proporzione del peso del treno sostenuto dalle ruote motrici rispetto al peso totale del treno.

Ogni carrozza motorizzata è dotata di un sistema di trazione elettrica e di un raccoglitore a pantografo. Tipicamente, le carrozze motorizzate e non motorizzate sono utilizzate in un rapporto di 1:2. Per i treni suburbani ad alta potenza, questo rapporto può essere aumentato a 1:1. I treni composti da carrozze motorizzate e rimorchiate sono noti come treni Elettromotrice Multipla (EMU). Il meccanismo di alimentazione per i treni suburbani è simile a quello dei treni di linea, con una notevole eccezione: i treni sotterranei suburbani.

I treni sotterranei utilizzano un sistema di alimentazione in corrente continua (CC). Questa scelta è principalmente dovuta al fatto che i sistemi di alimentazione in CC richiedono meno spazio libero tra il conduttore di alimentazione e il corpo del treno. Inoltre, i sistemi in CC semplificano la progettazione del modulatore di potenza, riducendone sia la complessità che il costo. A differenza dei treni in superficie, i treni sotterranei non utilizzano linee di trasmissione aeree. Al contrario, l'energia viene fornita attraverso i binari di corsa o da conduttori installati su un lato del tunnel.

Autobus, tram e trolley elettrici
Questi tipi di veicoli elettrici presentano tipicamente un design a singola carrozza motorizzata. Attingono energia da linee aeree in corrente continua a bassa tensione installate lungo la strada. Dato il relativo basso fabbisogno di corrente, il meccanismo di raccolta della corrente spesso consiste in un'asta con una ruota scanalata all'estremità, o due aste collegate da un arco di contatto. Il sistema di raccolta è progettato per essere altamente flessibile e include un conduttore aggiuntivo per facilitare il ritorno della corrente elettrica, assicurando un fornitura stabile e continua di energia per il funzionamento del veicolo.

I tram sono un tipo di veicolo a propulsione elettrica che viaggia su rotaie e tipicamente consiste in una singola carrozza motorizzata. In alcuni casi, due o più carrozze rimorchiate senza motore sono attaccate per aumentare la capacità di passeggeri. Il loro sistema di raccolta della corrente è simile a quello degli autobus elettrici. Notabilmente, il percorso di ritorno della corrente elettrica può essere stabilito attraverso uno dei binari. Poiché i tram operano su rotaie fisse, i loro percorsi lungo la strada sono predeterminati, fornendo un servizio di trasporto affidabile e costante.

I trolley elettrici sono principalmente impiegati per il trasporto di materiali all'interno di miniere e fabbriche. Questi veicoli viaggiano prevalentemente su rotaie e condividono molte somiglianze con i tram, con la principale differenza che risiede nella loro forma fisica.

Caratteristiche importanti delle trazioni elettriche

Le caratteristiche chiave delle trazioni elettriche sono elaborate di seguito

• Esigenza di elevato coppia: Le trazioni devono generare un'elevata coppia durante le fasi di avvio e accelerazione per muovere la massa pesante del veicolo. Questa alta richiesta di coppia garantisce che il treno o altro veicolo di trazione possa superare l'inertial e raggiungere la velocità desiderata in modo efficiente.

• Alimentazione monofase in CA per la trazione in CA: Per motivi economici, un sistema di alimentazione monofase è comunemente utilizzato nei sistemi di trazione in corrente alternata. Questa scelta aiuta a ridurre i costi legati all'infrastruttura, alla generazione e alla distribuzione di energia, rendendo l'operazione complessiva più vantaggiosa dal punto di vista finanziario.

• Fluttuazioni di tensione: L'alimentazione elettrica nei sistemi di trazione elettrica subisce significative fluttuazioni di tensione. Queste fluttuazioni sono particolarmente pronunciate quando la locomotiva si sposta da una sezione di alimentazione all'altra, spesso causando interruzioni momentanee. Tali variazioni di tensione possono rappresentare una sfida per il funzionamento stabile dell'equipaggiamento di trazione e richiedono progetti e strategie di controllo accurati per mitigarne gli effetti.

• Interferenze armoniche: Sia i sistemi di trazione in CA che in CC iniettano armoniche nella fonte di energia. Queste armoniche possono interferire con le linee telefoniche e i sistemi di segnalamento nelle vicinanze, potenzialmente causando interruzioni alle infrastrutture di comunicazione e segnalamento. Misure di filtraggio e mitigazione adeguate sono essenziali per minimizzare queste interferenze e garantire il corretto funzionamento di questi servizi critici.

• Sistemi di frenatura: Le trazioni elettriche si basano principalmente sul frenaggio dinamico, che converte l'energia cinetica del veicolo in moto in energia elettrica, dissipandola sotto forma di calore o reinserendola nella rete elettrica. Inoltre, i freni meccanici vengono utilizzati quando il veicolo è fermo per fornire capacità di arresto e tenuta affidabili, garantendo la sicurezza in tutte le condizioni operative.

Ciclo di lavoro delle trazioni elettriche

Il ciclo di lavoro di una trazione elettrica può essere efficacemente compreso attraverso l'analisi delle curve velocità-tempo e dei diagrammi potenza-coppia-tempo. Consideriamo una trazione elettrica che opera tra due stazioni consecutive su un tracciato pianeggiante. All'inizio, il treno accelera utilizzando la massima coppia raggiungibile. Durante questa fase di accelerazione, il consumo di potenza della trazione aumenta linearmente con l'aumento della velocità, riflettendo l'energia necessaria per superare l'inertial e far avanzare il veicolo.

Al tempo t1, la trazione elettrica raggiunge la sua velocità base, e simultaneamente, viene raggiunto il massimo potenza consentita. Successivamente, l'accelerazione continua in condizioni di potenza costante. Mentre la velocità continua ad aumentare durante questa fase, sia la coppia che l'accelerazione diminuiscono gradualmente.

Al tempo t2, la coppia della trazione diventa uguale alla coppia di carico, a quel punto viene raggiunta una velocità costante. Il processo di accelerazione da 0 a t2 può essere diviso in due fasi distinte. Da 0 a t1, l'accelerazione è caratterizzata da una coppia costante, dove la trazione applica una forza rotazionale costante per rapidamente costruire velocità. Quindi, da t1 a t2, l'accelerazione avviene in regime di potenza costante. Qui, man mano che la velocità aumenta, la trazione sacrifica la coppia per mantenere l'uscita di potenza fissa, risultando in una diminuzione del tasso di accelerazione fino all'equilibrio con la coppia di carico a t2.

Tra il tempo t2 e t3, il treno mantiene una velocità costante operando con una potenza di trazione costante. Questo periodo è noto come fase di marcia libera. Durante questa fase, il treno scorre fluidamente lungo la ferrovia, con la forza di trazione che bilancia precisamente le forze resistive, assicurando un movimento costante ed efficiente.

Quando arriva il momento opportuno al tempo t4, il sistema di frenatura viene attivato. Questa azione inizia un processo di decelerazione controllato, riducendo gradualmente la velocità del treno fino a quando si ferma completamente alla stazione successiva, pronto a servire il prossimo gruppo di passeggeri o a trasportare il suo carico alla destinazione prevista.