I controlli nel trasporto ferroviario ad alta velocità.

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Controlli innovativi nei sistemi di trasporto ad alta velocità

Nel progetto nazionale di ricerca “Controlli innovativi nei sistemi di trasporto ad alta velocità” ovviamente non era possibile comprendere tutte le tematiche a cui si è brevemente accennato in precedenza.
Le sei distinte unità operative.

– Obiettivo 2: azionamenti ad alte prestazioni per la trazioneuniversitarie svolgono comunque un lavoro coordinato su un sottoinsieme di tematiche che, sia per scelta politica sia per vocazione propria del gruppo locale di ricerca, sono state ritenute significative e capaci di portare a risultati di interesse.
Si è ritenuto opportuno distinguere problematiche relative a:
– captazione di corrente (criticità dell’interazione pantografo-catenaria in alta velocità);
– azionamenti ad alte prestazioni (allo scopo di limitare le interferenze elettromagnetiche sul segnalamento);
– interazione fra locomotore e rotaia (ad esempio problemi dovuti allo slittamento);
– interazione fra convoglio e rotaia (problemi di instabilità dinamica laterale, problemi di soppressione o riduzione delle vibrazioni e del rumore acustico).
Il progetto si articola suddividendo tra le diverse unità operative lo studio delle problematiche indicate in precedenza.
Operativamente le unità, partendo da esperienze precedenti, utilizzano le proprie risorse in termini umani e le disponibilità di laboratori, per sviluppare nuove soluzioni, capaci di migliorare la qualità complessiva del sistema di trasporto, sia in termini di comfort, sia di sicurezza e affidabilità.
Va messo in rilievo che in fase di completamento della ricerca è prevista una verifica sul campo delle soluzioni proposte presso i laboratori attrezzati delle ex Ferrovie dello Stato, oggi Trenitalia, grazie alla collaborazione attiva di ingegneri dell’Unità Tecnologie e Materiale Rotabile-Sperimentazione-Prove Elettriche della sede ferroviaria di Firenze, inseriti nel gruppo di lavoro dell’unità di Pisa.

– Obiettivo 1: la captazione di corrente.

La captazione di corrente mediante pantografo è un elemento critico del sistema di trasporto ad alta velocità. In effetti, l’interazione fra pantografo e catenaria è un fenomeno estremamente complesso. Volendo simularla, si richiede una accurata modellazione meccanica della linea e del contatto strisciante, tenendo conto degli effetti dovuti all’alta velocità e delle tipologie di catenaria e dei diversi pantografi impiegati. Per velocità superiori a 200 km/h sorgono problemi legati a una corretta captazione della corrente; infatti, diventa critico assicurare il contatto continuo e regolare dello strisciante con il conduttore di alimentazione.
Le perdite di contatto portano alla formazione di archi elettrici che possono ostacolare una corretta captazione di corrente, ma soprattutto determinano deterioramenti severi sui materiali striscianti e pertanto originano una maggiore frequenza di disservizi e costi di manutenzione gravosi.
La soluzione classica per ridurre frequenza e intensità degli archi consiste nell’incrementare la spinta del pantografo: in tal modo la forza di contatto cresce, ma purtroppo può generare l’insorgere di oscillazioni non tollerabili sulla catenaria e usure severe dovute al contatto strisciante, che talora portano alla caduta della linea in punti critici o alla distruzione del pantografo, con intollerabili interruzioni del servizio.
Per ovviare a ciò il progetto esamina soluzioni che ricorrono a pantografi non convenzionali, dotati di controllo attivo, e prevede la sperimentazione di un prototipo di pantografo innovativo, opportunamente controllato (unità operative di Firenze e di Cagliari)
Per la realizzazione di un controllo attivo risulta indispensabile poter disporre di una misura di qualità della captazione stessa. Tali misure sono ottenibili per via indiretta: è esaminata la possibilità di utilizzare sistemi di rilevazione mediante telecamera a infrarosso e/o sensori distanziometrici della qualità del contatto fra pantografo e catenaria (unità operativa di Pisa).
I risultati saranno confrontati con quelli derivanti da tecniche alternative basate sull’uso di sensori a ultrasuoni o a fototubo. Le diverse soluzioni sono in corso di verifica sia in condizioni ideali di laboratorio, che in condizioni operative.
La possibilità di rilevare la qualità della captazione durante il funzionamento in linea dovrebbe permettere di migliorare la sicurezza e l’affidabilità. Infatti, l’attività di monitoraggio consente di avere disponibile lo stato della linea, essenziale per programmare interventi di manutenzione efficienti, sia sul pantografo, che sulla catenaria.

– Obiettivo 2: azionamenti ad alte prestazioni per la trazione

Gli azionamenti per trazione ferroviaria presentano problemi ben diversi da quelli tipici degli azionamenti industriali principalmente per quattro motivi. Il primo è legato all’elevato livello di potenza necessario per la trazione e comporta la necessità di impiegare inverter caratterizzati da frequenze massime di commutazione inferiori a quelle realizzabili con gli inverter usualmente impiegati negli azionamenti industriali. Ad esempio la tecnica di controllo ad orientamento di campo, che permette di ottenere ottime prestazioni, statiche e dinamiche, non può venire direttamente applicata.
Un secondo motivo, che non consente di impiegare le tecniche di controllo sviluppate in ambito industriale, è connesso alla necessità di alimentare con lo stesso inverter, due o più motori che presentano valori istantanei della velocità diversi.
Un terzo motivo è dovuto all’elevato valore della tensione continua prelevata al pantografo, che fa preferire una struttura dell’inverter diversa da quella tradizionale. Infatti, per evitare di dover impiegare semiconduttori di potenza connessi in serie, si preferisce ricorrere a strutture di inverter del tipo Npc (Neutral Point Clamped), che impiega 12 interruttori statici, al fine di ottenere 27 diverse configurazioni degli stati di conduzione degli interruttori statici e 19 diversi vettori di tensione.

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