Occorre, pertanto, riesaminare le tecniche di modulazione, ciò anche allo scopo, di ridurre le armoniche di corrente assorbite dal pantografo. L’ultimo motivo è legato alla differente influenza che le armoniche di corrente iniettate dall’inverter sulla linea di alimentazione producono sul sistema elettrico. Infatti, mentre negli azionamenti industriali ogni inverter, o ogni gruppo di inverter, è alimentato da un proprio convertitore ca-cc e le armoniche di corrente iniettate dall’inverter sulla linea in cc possono essere filtrate mediante un filtro capacitivo di modeste dimensioni, negli azionamenti di trazione le armoniche di corrente prodotte dall’inverter sarebbero iniettate, in assenza di un opportuno filtraggio, sulla catenaria, con effetti disastrosi sul segnalamento. Per rendere il contenuto armonico della corrente assorbita dal pantografo compatibile con le specifiche del segnalamento, occorre inserire, tra il pantografo e l’inverter, un filtro ingombrante ed oneroso. Ne segue che scegliere una tecnica di modulazione più opportuna risulta conveniente per privilegiare la riduzione delle armoniche introdotte sulla linea di alimentazione invece che quella delle armoniche applicate al motore.
L’obiettivo è di realizzare un prototipo in scala dell’azionamento per trazione presso il laboratorio dell’unità di Cassino, allo scopo di poter validare gli algoritmi per il controllo e le soluzioni di elettronica di potenza proposte.
– Obiettivo 3: interazione fra locomotore e rotaia.
Nella modellazione delle interazioni fra locomotore e rotaia, e in particolare nel caso di convogli ad alta velocità, le potenze in gioco sono molto rilevanti. Ne segue che anche l’interazione tra locomotore e rotaia può risultare critica per l’insorgere sistematico di fenomeni di slittamento, problema classico del quale da sempre si sono occupati gli esperti in trazione ferroviaria. La soluzione ideale è quella di riuscire a garantire comunque condizioni tali per cui si abbia sempre aderenza e non si generino slittamenti fra ruota e binario sottostante.
Due sono le condizioni operative in cui il fenomeno diventa più critico:
– allo spunto, quando è maggiore la coppia motrice disponibile;
– in alta velocità, quando la coppia motrice erogata è più bassa, ma è minore anche l’aderenza disponibile.
Per affrontare tali problemi si è prodotto un software dedicato, con l’ausilio del quale si pensa di esaminare in modo critico le tecniche di anti-slittamento usuali, allo scopo di proporre soluzioni innovative (unità di Pisa).
– Obiettivo 4: interazione fra convoglio e rotaia
Ai fini della qualità del trasporto e quindi del comfort per i passeggeri, è importante ridurre le vibrazioni. Viene esaminata la possibilità di abbattere le vibrazioni, utilizzando sospensioni attive.
L’uso di sospensioni attive per il controllo di vibrazioni in veicoli ferroviari ad alta velocità è un soggetto che ha ricevuto di recente notevole attenzione. I limiti delle tecniche passive di riduzione delle vibrazioni sono ormai stati raggiunti, ma c’è ancora la necessità di garantire una buona qualità di corsa con la crescente diffusione di veicoli sempre più leggeri e più veloci.
Negli anni Sessanta e Settanta c’è stato un proliferare di studi sul cosiddetto modello a due masse che ha prodotto un insieme di leggi di controllo per sospensioni attive. La crescente capacità di calcolo sviluppatasi negli anni Ottanta ha spostato l’obiettivo delle simulazioni verso modelli più complessi del treno. Tali modelli considerano un insieme di n-veicoli connessi da smorzatori, essendo tali smorzatori ormai una soluzione tecnologica usata su quasi tutti i treni ad elevata velocità come il Mk IV delle ferrovie britanniche, il Tgv di quelle francesi e lo Shinkansen di quelle giapponesi. Inoltre il modello considera anche sistemi di ammortizzamento primari e secondari.
Un altro fattore da considerare nell’incremento del comfort di corsa è la riduzione del rumore acustico prodotto dalla vibrazione delle strutture. L’approccio tradizionale alla soppressione del rumore acustico fa uso di tecniche passive quali l’adozione di materiali fono-assorbenti (silencer). Tuttavia l’attenuazione risultante dai silencer è esigua quando la lunghezza d’onda acustica è elevata rispetto alle dimensioni del silencer stesso, quindi l’efficacia delle tecniche passive a frequenze basse è limitata. Una soluzione proposta per risolvere questo inconveniente è l’uso di un controllo attivo di rumore, in cui sorgenti secondarie addizionali sono usate per cancellare il rumore dalla sorgente primaria mediante la generazione di un anti-rumore di ampiezza uguale e fase opposta al rumore stesso (unità di Napoli II).
Al crescere delle velocità sorgono inoltre problemi di instabilità meccanica dovuta all’interazione fra l’intero convoglio e le rotaie. A prescindere dal caso limite del deragliamento, occorre tenere conto che va garantita la stabilità dell’assetto. Tale stabilità può essere garantita alle alte velocità con l’introduzione di controlli attivi. Per quel che riguarda l’instabilità laterale per i treni ad alta velocità, si possono trovare numerosi riferimenti bibliografici, anche per quel che riguarda le possibilità di controllo. Una implementazione di tali tecniche di stabilizzazione resta comunque un problema tuttora aperto.
Coordinamento della ricerca
Gli obiettivi scientifici del programma si misurano con questo stato dell’arte. L’esperienza acquisita delle singole unità di ricerca e la disponibilità di cooperazioni con laboratori esterni (Cisam e Ferrovie dello Stato) consente di prevedere che la conclusione del programma dovrebbe portare a un significativo progresso di tipo scientifico e tecnologico.
Il programma si basa sulla complementarietà di sei unità operative, operanti presso diversi atenei. Tra queste le unità di Cassino e Palermo hanno competenze nella progettazione di dispositivi di controllo di azionamenti e nello studio di tecniche di modulazione.
L’unità di Napoli II ha notevole esperienza nel controllo attivo delle vibrazioni, l’unità di Cagliari ha competenza nella modellazione dell’interazione pantografo-catenaria e nel controllo attivo.
L’unità di Firenze ha già avuto precedenti esperienze nella realizzazione e strumentazione di pantografi attivi su banco.
L’unità di Pisa raccoglie invece competenze sia nel settore della modellazione e della qualificazione del sistema di captazione, che nel settore legato alle tecniche di anti-slittamento.
Una peculiarità del progetto è che, mentre è unificato dalla tematica comune, ha però una differenziazione netta tra gli obiettivi delle diverse sedi, per cui nessuno risulta vincolato o rallentato da eventuali e sempre possibili rallentamenti delle altre unità operative. E’ pertanto agevole anche la verifica dei risultati ottenuti dalle singole unità.
La ricaduta di ogni obiettivo della ricerca appare estremamente significativa: ad esempio nel caso dell’Obiettivo 1, una definizione dinamica affidabile dello stato del contatto pantografo-catenaria porterebbe a vantaggi evidenti per una gestione “mirata” della manutenzione delle linee di contatto e del pantografo e per una localizzazione esatta dei punti critici da parte dell’ente ferroviario, con indubbi e consistenti vantaggi economici.
Si presenta una vasta bibliografia utile per approfondire le tematiche di ricerca descritte in precedenza.