Un convertitore ad hoc per la ferrovia

Dalla rivista:
Automazione Oggi

 

Nelle ferrovie viene utilizzata un’ampia gamma di convertitori c.c.–c.c. I nuovi semiconduttori di potenza migliorano la loro efficienza e contribuiscono a rendere i viaggi in treno ancora più rispettosi del clima. Inoltre, i convertitori di ingresso con intervallo di tensione ultra-ampia possono essere utilizzati in tutto il mondo 

Pier Paolo Mazza 

Non c’è quasi altro mezzo di trasporto più efficiente della ferrovia dal punto di vista energetico. Secondo uno studio dell’Agenzia europea dell’ambiente (AEA), il trasporto su lunghe distanze è responsabile di meno di un quarto delle emissioni di carbonio rilasciate dalle automobili, mentre il contributo del trasporto pesante di merci è ancora più basso, con un fattore pari a 5,7. Di conseguenza, le reti ferroviarie contribuiscono in modo significativo alla sostenibilità del settore dei trasporti. Ciononostante, il trasporto ferroviario è ancora responsabile di un consumo molto elevato di elettricità. Per questo motivo, in tutto il mondo, si sta lavorando per aumentare ulteriormente l’efficienza energetica. In particolare, occorre agire su più fronti.

• Convertitori c.c.-c.c. per una maggiore efficienza

Un elemento fondamentale su cui lavorare per arrivare a una maggiore efficienza energetica del trasporto ferroviario è costituito dai sistemi di trazione: lo sviluppo di convertitori e inverter con minore dissipazione di potenza per sistemi di trazione è fondamentale per ridurre il consumo energetico e le emissioni di carbonio associati al trasporto ferroviario. Ciò è dovuto al fatto che nei moderni sistemi ferroviari, per alimentare le unità di monitoraggio e controllo, viene utilizzata un’ampia gamma di convertitori c.c.-c.c.

• Nuovi materiali per sostituire il silicio

Per aumentare l’efficienza sono necessari nuovi dispositivi a semiconduttore ad alte prestazioni e condensatori a basse perdite. Oggi, carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN) vengono utilizzati sempre più spesso come materiali per semiconduttori di potenza. Rispetto ai semiconduttori a base di silicio, consentono di raggiungere velocità di commutazione più elevate e prevedono l’uso di induttanze e capacità di valore inferiore, con conseguente riduzione delle perdite di commutazione e delle dimensioni dei componenti.

 

Sfide e soluzioni

 

Una delle sfide nella progettazione dei convertitori c.c.-c.c. per il mercato globale delle locomotive è legata al fatto che i vari sistemi ferroviari operano con tensioni diverse. Nella maggior parte dei Paesi, come Germania, Stati Uniti, Francia e India, i sistemi di controllo interni richiedono tensioni di alimentazione di 24, 28, 36, 48, 72, 96 e 110 V. I convertitori c.c.-c.c. con un ingresso di tensione ultra-ampio offrono una soluzione che evita di dover progettare e gestire un convertitore specifico per ogni singolo livello. Questi convertitori, infatti, coprono tutte le possibili tensioni utilizzate a bordo.

Per rispettare i requisiti della norma EN50155, riconosciuta a livello internazionale per la progettazione, la fabbricazione e il collaudo delle apparecchiature elettroniche installate nel materiale rotabile, i produttori di convertitori hanno dovuto superare due sfide.

Innanzitutto, il modulo di alimentazione c.c. deve fornire ai dispositivi back-end un’alimentazione stabile entro l’intervallo di fluttuazione della tensione di ingresso. In concreto, secondo la norma EN50155, ciò significa che gli alimentatori devono funzionare stabilmente in un intervallo di tensione da 0,7 a 1,25 volte la tensione di alimentazione, ovvero da 16,8 a 137,5 V. Per soddisfare i requisiti dei sistemi ferroviari di tutto il mondo in termini di alimentazione e certificazione, l’intervallo di ingresso dei moduli di potenza ultra-wide deve essere compreso tra 14 e 160 V.

Inoltre, per quanto riguarda l’affidabilità, il trasporto ferroviario deve soddisfare requisiti molto elevati. In caso di interruzione dell’alimentazione, i dispositivi back-end devono comunque essere in grado di memorizzare i dati sullo stato attuale e di passare all’alimentazione di emergenza nel modo corretto. Per questo motivo, il modulo di potenza è abbinato a un condensatore che garantisce la necessaria compensazione in caso di mancanza di tensione. A tale proposito, la norma EN50155 ha definito le classi di interruzione della tensione di alimentazione, suddivise in S1, S2 e S3: se il convertitore mantiene stabile la tensione di uscita, quando la tensione di ingresso scende a 0 V e torna alla normalità dopo 10 ms, soddisfa i requisiti della classe S2; se la tensione di ingresso scende a 0 V per un massimo di 20 ms e la tensione di uscita rimane stabile, soddisfa i requisiti della classe S3. Lo standard prevede anche criteri ‘pass-fail’, suddivisi in 4 livelli: i criteri A e B sono considerati accettabili, mentre i criteri C e D sono considerati non accettabili. In questo caso il sistema non si ripristina autonomamente da un’interruzione.

Le soluzioni più moderne combinano il modulo di accumulo di energia con un modulo per la commutazione automatica durante il processo di bypass delle interruzioni di alimentazione dipendente dalla tensione di alimentazione. I moduli aggiuntivi di pre-accumulo dell’energia riducono al minimo il volume del condensatore e massimizzano l’accumulo di energia. Ciò è particolarmente importante, in quanto anche la riduzione dell’ingombro e del peso sono aspetti fondamentali nel contesto ferroviario.

 

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