Recenti studi stimano un contributo del traffico ferroviario in Europa entro il 2025 almeno pari al 10% per i passeggeri e del 15% per i veicoli, rispetto al totale della mobilità di persone e mezzi. Tale tendenza è evidente anche sul territorio nazionale, dove è continuo l'incremento di utenti del traffico ferroviario, sempre più competitivo rispetto a quello aereo (per le medie distanze) ed automobilistico (per le brevi distanze). D'altro canto, le politiche energetiche regionali e nazionali impongono un continuo sforzo nella direzione dell'ecosostenibilità e del risparmio energetico sia per i vettori di trasporto che nella gestione dell'infrastruttura stessa. L'articolo cerca di trattare tali concetti esplorando una semplice applicazione nel contesto ferroviario urbano spiegando l'importanza del recupero energetico attraverso l'utilizzo di supercapacitor. Modelli di dettaglio, nonché comparativi rispetto ai normali capacitori, forniscono al lettore i giusti strumenti per capire il contesto ed approfondire la trattazione.
Introduzione
Recenti studi stimano un contributo del traffico ferroviario in Europa entro il 2025 almeno pari al 10% per i passeggeri e del 15% per i veicoli, rispetto al totale della mobilità di persone e mezzi. Tale tendenza è evidente anche sul territorio nazionale, dove è continuo l'incremento di utenti del traffico ferroviario, sempre più competitivo rispetto a quello aereo (per le medie distanze) ed automobilistico (per le brevi distanze). D'altro canto, le politiche energetiche regionali e nazionali impongono un continuo sforzo nella direzione dell'ecosostenibilità e del risparmio energetico sia per i vettori di trasporto che nella gestione dell'infrastruttura stessa.
In tale scenario, l'articolo si pone l'obiettivo di presentare alcuni esempi di tecnologie e strategie innovative di gestione e controllo rivolte al miglioramento dell'efficienza energetica dei vettori di trasporto ferroviario su scala urbana e regionale, e dei sistemi di alimentazione di terra delle sottostazioni. I vettori di trasporto basati sull'alimentazione elettrica con componenti tradizionali presentano già una buona efficienza energetica, d'altro canto, margini di miglioramento possono essere ricercati nell'utilizzo di componenti innovativi e nello sviluppo di strategie di controllo e di gestione rivolte all'ottimizzazione energetica a livello di "sistema".
Nello studio del vettore di trasporto, i contenuti dell'articolo saranno focalizzati sulla descrizione di un sistema di propulsione innovativo che prevede:
- motori a magneti permanenti ad alta efficienza elettrica e meccanica con un'alta densità di potenza
- convertitore di potenza ottimizzato per l'alimentazione di motori a magneti permanenti
- supercapacitor di bordo da integrare con la linea per la gestione dei flussi energetici
- sistema di controllo ad alte prestazioni, basato su piattaforme hardware innovative ed algoritmi software per l'implementazione di controllori avanzati
Descrizione del problema
L'attività di ricerca alla base di questa tecnologia è finalizzata allo studio in frequenza e alla progettazione di sistemi di controllo per convertitori del supercapacitor, finalizzati alla riduzione, in termini di costo e ingombro dell'induttanza di linea, con un conseguente risparmio energetico. La riduzione corrisponde quindi ad una analisi di dimensionamento e la caratterizzazione frequenziale si riferisce soprattutto alle cosiddette "basse frequenze", cioè da 50 Hz a 100 Hz. Tale intervallo risulta infatti critico per le problematiche di segnalamento. Oggigiorno, nelle linee ferroviarie, rivestono un ruolo fondamentale gli aspetti legati al consumo energetico, all'impatto ambientale ed al comfort dei passeggeri. Alcuni di questi aspetti sono regolamentati da normative di carattere internazionale, le quali stabiliscono, in particolar modo, quali sono i vincoli di disturbo elettromagnetico (in termini di armoniche ed inter armoniche) che i veicoli devono rispettare. Nei veicoli ferroviari si hanno diverse cause di immissione di armoniche ed inter armoniche nella rete di alimentazione, fra esse le principali sono interazioni tra i diversi convertitori che operano a differenti frequenze di modulazione, le frizioni meccaniche e gli sbilanciamenti nelle fasi dei motori.
Un aspetto da tenere in considerazione è quello legato ai segnali relativi al segnalamento ferroviario, i quali viaggiano sulle stesse linee di alimentazione a frequenze ben definite ed in bande piuttosto strette. Le normative che regolano l'inquinamento delle linee di trasmissione tengono ben presente quest'ultimo aspetto prevedendo limiti molto stringenti, i quali rendono necessari forti accorgimenti in merito alla corrente iniettata al pantografo. Ad esempio, il sistema italiano di segnalamento ferroviario ha un'ampiezza di banda di circa 20 Hz nell'interno della frequenza a 50 Hz. Lo sforzo dei sistemi di controllo deve quindi essere diretto ad evitare problemi di interferenze con i sistemi di segnalamento ferroviario utilizzati per le linee metropolitane. I problemi legati, in generale, alle armoniche e inter armoniche sono molto complicati in quanto i sistemi ferroviari sono sistemi complessi, in cui una varietà di componenti (o sottosistemi) collaborano per realizzare il servizio di trasporto.
Un sistema ferroviario è forse uno dei sistemi reali più critici, dal punto di vista della sicurezza ed affidabilità. Il sistema infatti deve soddisfare le esigenze dei numerosi e complessi legami architettonici presenti tra i suoi vari sistemi. Basti pensare che, per ragioni storiche, parte della rete ferroviaria è in continua. Questo causa, ad esempio, all'ingresso in stazione, uno switch del treno tra i due sistemi (da alternata a continua, e viceversa), e conseguentemente un momento di stasi per il treno (gli utenti avvertono una momentanea interruzione della linea elettrica). L'utilizzo di un sistema di accumulo di energia come il supercapacitor migliora le problematiche legate al risparmio energetico dei disturbi condotti verso la linea di alimentazione dal veicolo ferroviario. Grazie allo sviluppo di tecnologie sempre più avanzate, oggi l'impiego di sistemi a supercapacitor consente, oltre al recupero energetico in frenatura, anche di compensare i disturbi prodotti dalla catena di trazione, supportando il filtro LC di linea (vedi Figura 1) nella funzionalità di stabilizzazione della tensione e filtraggio della corrente di linea.
Strategie di controllo
Prerequisito all'analisi in frequenza è la costruzione di un opportuno modello dinamico del sistema di conversione. Le metodologie di approccio alla modellazione dei convertitori possono essere riassunte in quattro categorie diverse:
- Approccio "classico": l'analisi del funzionamento dei convertitori viene effettuata dal punto di vista elettrotecnico di regime. Il principale limite di questa metodologia è che in essa non vengono descritte le dinamiche transitorie del sistema.
- Approccio "switched": l'analisi del funzionamento dei convertitori viene suddivisa nei singoli modi operativi del sistema, evidenziando le condizioni di commutazione. Il limite di questo approccio è che bisogna considerare tutti i modi di funzionamento del sistema (non banale).
- Approccio "average": l'analisi del funzionamento dei convertitori riguarda il comportamento medio del convertitore considerando un intervallo di tempo finito, tipicamente "molto maggiore" rispetto al periodo di commutazione. Condizione necessaria per l'utilizzo di questa metodologia è che la frequenza di accensione e spegnimento degli interruttori sia "molto maggiore" della banda passante della funzione di trasferimento associata al convertitore.
- Approccio "complementare": l'analisi del funzionamento dei convertitori viene eseguita considerando la topologia del circuito e le caratteristiche di tutti i dispositivi presenti. Attraverso tale metodologia è possibile avere una visione completa del funzionamento del convertitore senza considerare tutti i modi di funzionamento.
Architettura di un veicolo ferroviario e circuito equivalente
In questa sezione si riporta il modello di un generico sistema di trazione e del corrispondente circuito equivalente su cui si baserà la successiva analisi per l'introduzione del supercapacitor. Come descritto nelle sezioni precedenti, l'obiettivo delle attività di ricerca è limitare le armoniche della corrente di linea in un intervallo che va da 50 a 70 Hz, con valore efficace (RMS, Root Mean Square) nell'intorno dell'Ampere. [...]
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