Introduzione
ii
L’unico grado di libertà per mantenere la tensione a livelli compatibili con il corretto
funzionamento dell’azionamento, è costituito dal chopper di frenatura. Soltanto agendo su di
esso si riesce a stabilizzare la tensione di alimentazione dell’inverter.
Si tratta di analizzare una situazione che non trova precedenti negli studi finora fatti in questo
campo.
Aspetti innovativi.
Il presente lavoro costituisce una valida soluzione al problema del funzionamento in emergenza,
con un singolo invertitore. Gli aspetti innovativi sono riassumibili nei seguenti punti:
™ studio dei requisiti del controllo in emergenza per la Locomotiva E464;
™ analisi del circuito di trazione;
™ linearizzazione del sistema e studio delle funzioni di trasferimento in anello aperto;
™ analisi della stabilità del circuito di trazione in anello chiuso;
™ progettazione di regolatori rispondenti ai requisiti del sistema. Oltre al classico regolatore
proporzionale integrale (PI), si è sintetizzato un regolatore denominato “new_reg”, in grado
di ottimizzare al massimo le prestazioni statiche e dinamiche del sistema. Accanto a questi
due regolatori, si sono analizzate e sviluppate, strategie di regolazione in grado di migliorare
ancor più, le prestazioni del sistema. Tali azioni sono: il feedforward, che permette una
rapida risposta alle sollecitazioni di carico, e l’anticontrollo, utile per ridurre il contenuto
armonico della corrente di linea, ma anche indispensabile per il rispetto della maschera FS
quando l’azionamento lavora in DSC_CF. Ciò è quanto è emerso nel successivo punto;
™ implementazione delle simulazioni e analisi dei risultati. L’enorme mole di simulazioni che
hanno visto, per ciascuna prova, l’uso combinato dei diversi regolatori (solo PI,
PI+feedforward, PI+anticontrollo, PI+feedforward+anticontrollo, solo new_reg,
new_reg+feedforward, new_reg+anticontrollo, new_reg+feedforward+anticontrollo) hanno
fornito importanti informazioni che hanno consentito la sintesi del regolatore che attualmente
è implementato nel software di controllo della Locomotiva E464.
™ misure in laboratorio di potenza sul convertitore di trazione.
Introduzione
iii
Uno sguardo al lavoro.
Definito il problema, si può dividere il lavoro in due grandi sezioni: una prima sezione
costituisce la base teorica di studio e modellizzazione del sistema in esame, mentre la seconda
descrive le simulazioni e le misure sperimentali a conferma del modello.
Vediamo subito la prima sezione nelle sue linee fondamentali.
Nel primo capitolo si presentano le prestazioni, le caratteristiche tecniche e lo schema circuitale
di potenza, secondo il capitolato di fornitura della locomotiva E464. Dalle caratteristiche dei
componenti impiegati si realizza un modello del circuito di potenza poi implementato su
calcolatore.
Nel secondo capitolo si procede all’analisi delle funzioni di trasferimento, che caratterizzano il
sistema linearizzato, al fine di cogliere tutte le informazioni possibili per lo studio successivo.
Nel terzo capitolo si affronta l’analisi e la sintesi di un regolatore, visto come analogico, il quale
consente di stabilizzare la tensione di alimentazione. Prima si propone la sintesi del classico
regolatore proporzionale integrale (PI), largamente diffuso in ambito industriale, dopodiché
laddove ha senso proporlo, si procede alla sintesi di un regolatore ad hoc che consente
prestazioni migliori rispetto al PI.
Nel quarto capitolo si esamina il problema legato al comando del chopper di frenatura con la
tecnica PWM, considerando anche i tempi minimi di accensione e spegnimento delle valvole
GTO.
Nel quinto capitolo si passa dal regolatore di tipo analogico a quello digitale, affrontando tutte le
problematiche che ne derivano.
Infine nel sesto capitolo, per giungere ad un compromesso tra prestazioni dinamiche e rispetto
dei limiti imposti dalla maschera FS, si propongono strategie di controllo aggiuntive, quali il
feed-forward e l’anticontrollo, definendo così la struttura finale del controllo, del quale è
riportato una sorta di pseudocodice di più chiara e immediata comprensione del programma in
linguaggio C.
Questa naturale evoluzione nella sintesi del regolatore, è accompagnata in ogni suo passo dalla
realizzazione del modello del controllo e dalle simulazioni che danno sempre conferma della
teoria delle funzioni di trasferimento.
La seconda sezione del lavoro è dedicata alle simulazioni e alle prove di potenza.
Nel settimo capitolo, si integra il modello del circuito di potenza e del controllo del chopper di
frenatura, con il modello dell’azionamento, realizzando così un unico sistema riconfigurabile,
rappresentativo del comportamento in emergenza dell’intera locomotiva E464. Si sono realizzate
Introduzione
iv
le simulazioni in diversi punti di lavoro, a coppia o potenza massima, ma si è riportato il
comportamento in uno solo di essi, data la ripetitività degli andamenti, privilegiando invece il
confronto fra le diverse strategie di regolazione esaminate in questo lavoro, più utile e
interessante per una valutazione finale di quale controllo implementare.
Nell’ottavo capitolo si presentano le prove realizzate in potenza nel laboratorio di Vado Ligure.
L’impossibilità di assorbire potenza oltre un certo limite, non ha permesso di verificare gli
andamenti a massima potenza. Si è quindi fatto lavorare il sistema nei limiti di potenza consentiti
e, per ciascuna prova, definito a posteriori il punto di lavoro, si è tornati alla simulazione al
computer valutando la correttezza dei risultati ottenuti in laboratorio, entro i limiti
ingegneristicamente accettabili. Per il principio di induzione, è allora possibile affermare che il
sistema reale si comporta alla massima potenza, come quello simulato nel settimo capitolo.
CAPITOLO 1
Capitolo 1
2
1.1 La locomotiva E464 delle Ferrovie dello Stato Italiane.
Nel 1996, in conformità con le nuove tendenze internazionali, le Ferrovie dello Stato Italiane
(FS) ordinarono 50 elettromotrici, chiamate E464 (fig. 1-1). Tali locomotive opereranno
nell’ambito del servizio regionale a partire dalla fine del 1999.
Questa locomotiva a media potenza è interamente prodotta nello stabilimento di Vado Ligure
(Savona), di proprietà AD-tranz.
Il nuovo concetto modulare del design consente di ridurre il tempo di assemblaggio e quindi
consente una riduzione dei costi di gestione.
L’insieme della locomotiva è rappresentato nelle figure 1-2 e 1-3.
Le soluzioni tecnologiche avanzate, come l’impiego di un sistema di trazione ad inverter
raffreddato ad acqua, consente di ridurre i costi operativi del veicolo e contemporaneamente di
Figura 1-1 – Locomotiva E464 con carrozza oscillografica. Foto scattata durante i test per il collaudo e
la messa in servizio da parte delle FS. Sala prove prototipi AD-tranz, Vado Ligure, maggio 1999.
Capitolo 1
3
ridurre le perdite di potenza. La locomotiva, con 72 tonnellate di massa a piena aderenza, può
sviluppare una potenza continuativa alle ruote di 3000 kW, fino alla velocità di 160 km/h.
La struttura è a due carrelli (quattro assi motori), ognuno dei quali equipaggiato con due motori
asincroni trifasi a doppia stella. L’azionamento è completato con due inverter a due livelli di
tensione, ciascuno alimentante una stella dei quattro motori. Questo consente il servizio alla
tensione nominale di 3000 V c.c.; è possibile anche l’alimentazione a 1,5 kV c.c. ma con una
riduzione nelle prestazioni.
La frenatura elettrica può essere realizzata sia a recupero che reostatica. In quest’ultimo caso
essa è affidata al chopper di frenatura, costituito da due resistori e quattro valvole GTO. Un GTO
in serie ad un resistore viene chiamato “Mub”.
Gli schemi funzionali di principio del circuito di potenza della locomotiva sono rappresentati in
figura 1-4, 1-5 ed 1-6.
1.2 Configurazione d’emergenza.
La configurazione d’emergenza si verifica quando un inverter non funziona correttamente per
via di un guasto interno, che in generale riguarda una o più valvole GTO. In questa condizione,
la locomotiva si trova a funzionare con un unico inverter, il quale può alimentare una sola stella
statorica di ciascun motore. Le prestazioni sono necessariamente ridotte e, se vogliamo, questa
situazione è concettualmente simile a quella che si ha con alimentazione a 1,5 kV. Tuttavia,
mentre in quest’ultimo caso il sistema resta bilanciato sui due inverter, in emergenza il
funzionamento si complica per il pesante sbilanciamento che il circuito di potenza è costretto a
subire. La situazione è la stessa dal punto di vista delle prestazioni, in quanto alimentando a 1,5
kV, vuol dire che ciascun inverter è sottoposto ad una tensione di 750 V ed i motori funzionano a
doppia stella; il tutto equivale agli effetti esterni, ad un unico inverter sottoposto a 1500 V
alimentante motori in parallelo a singola stella. Tale situazione è proprio quella d’emergenza
anche se il valore di tensione a cui è alimentato l’inverter è 2000 V.
Capitolo 1
9
1.3 Caratteristiche tecniche e prestazioni.
La locomotiva è costituita da un’unica cassa dotata di una sola cabina di guida e di un comparto
apparecchiature a corridoio centrale. Le caratteristiche principali sono riassunte nella tabella
seguente.
Scartamento 1435 mm
Rodiggio Bo – Bo
Lunghezza tra i respingenti 15750 mm
Interperno 7540 mm
Larghezza massima 2950 mm
Passo del carrello 2650 mm
Diametro ruote 1100 mm
Rapporto di trasmissione 1/5
Massa totale 72 t
Massima velocità 160 km/h
Numero motori di trazione 4
1.3.1 Prestazioni di trazione.
Le prestazioni di trazione richieste, con ruote a media usura, sono riportate nella tabella
seguente.
PRESTAZIONI DI TRAZIONE
Alimentazione a 3 kV c.c.
nominali
Alimentazione a 1,5 kV c.c. o
funzionamento degradato
Potenza continuativa alle ruote 3 MW
(60 ÷ 160 Km/h)
1,5 MW
(29 ÷ 92 Km/h)
Potenza oraria alle ruote 3,5 MW
(72 ÷ 138 Km/h)
1,75 MW
(34 ÷ 78 Km/h)
Sforzo allo spunto alle ruote 200 kN 200 kN
Sforzo a 160km/h alle ruote 67,5 kN 20 kN
Capitolo 1
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1.3.2 Prestazioni di frenatura.
La frenatura rapida deve essere effettuata con il solo freno meccanico. Il freno pneumatico deve
essere protetto da un adeguato dispositivo antipattinante.
La frenatura elettrodinamica reostatica, considerata nel tratto a sforzo massimo della
caratteristica, deve impegnare un’aderenza non superiore a 0,12, anche la frenatura
elettrodinamica deve essere protetta da un’opportuna regolazione antipattinaggio.
Le prestazioni di frenatura elettrica richieste sono riportate nella tabella seguente.
PRESTAZIONI DI FRENATURA ELETTRICA a 3000 V c.c. nominali
Reostatica A recupero
Potenza 2350 kW
(160 ÷ 100 km/h)
3 MW
(160 ÷ 127 km/h)
Sforzo 85 kN
(100 ÷ 40 km/h)
85 kN
(127 ÷ 40 km/h)
PRESTAZIONI DI FRENATURA ELETTRICA a 1500 V c.c. nominali o in condizioni
degradate
Reostatica A recupero
Potenza 880 kW
(a 160 km/h)
1770 kW
(a 75 km/h)
Non prevista
Forzo 85 kN
(75 ÷ 40 km/h)
Non prevista
L’andamento della caratteristica meccanica di trazione e di frenatura per tensione di linea di
3000 V c.c. nominale è riportato in figura 1-7 e 1-8; quella di trazione e frenatura per tensione di
linea di 1500 V c.c. nominali o in condizioni degradate (con tensione di linea di 3000 V c.c.
nominali) sono riportate, rispettivamente, in figura 1-9 e 1-10.
Capitolo 1
11
Vista la tipologia dello schema di trazione, assimilabile ad un unico azionamento che comanda i
quattro assili della locomotiva, le prestazioni richieste, relative alla caratteristica meccanica,
devono essere mantenute anche per una differenza di 3 mm del diametro delle ruote di uno stesso
assile, rispetto al diametro delle ruote degli altri tre assili.
Le prestazioni della locomotiva devono garantire, nelle ipotesi di traino/spinta di un treno di 210
t, esclusa la locomotiva, e con il 50% della trazione efficiente, l’avviamento su una pendenza del
3% fino a raggiungere e mantenere senza limiti temporali almeno la velocità di 30 km/h.
In ambito dell’inquinamento armonico, in nessuna condizione di funzionamento è ammesso lo
sfondamento della maschera FS [2], riportata in appendice A.
0
500
1000
1500
2000
2500
0,0 500,0 1000,0 1500,0 2000,0 2500,0 3000,0 3500,0 4000,0 4500,0
Cmax [Nm]
giri/1'
(per 3000 V<=VDC-link<= 4000 V)
2683 Nm
1232 Nm
2363,4 Nm
822,5 Nm
*
*
**
**
P = 3500 kW
P=3500 kW*(3459/(giri/1'))
Figura 1-7 – Coppia massima di un motore in funzione della velocità in trazione.
Capitolo 1
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0
500
1000
1500
2000
2500
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
giri/1'
Cm [Nm]
2184Nm
VDC-link <= 3800 V
1655 Nm
P=cost.
Figura 1-8 – Caratteristica meccanica di un motore in frenatura.
Capitolo 1
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Caratteristica meccanica di trazione in emergenza per singolo motore
0
500
1000
1500
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
C [Nm]
Giri/1'
(per 1500 V<=VWR<= 2000 V)
407,4 Nm
621,5 Nm
1181,7 Nm
1341 Nm
*
*
P= 1750 kW
**
**
P= 1750*3430/ (giri/1')
continuativa
oraria
Figura 1-9 – Caratteristica meccanica in emergenza per singolo motore in trazione.
Caratteristica meccanica di frenatura in emergenza
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
1400 V<=V WR<=2000 V
giri/1'
Cm (Nm)
1092 Nm
828 Nm
Figura 1-10 – Caratteristica meccanica di frenatura in emergenza per singolo motore.
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