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Tecnologia di un locomotore (1)

Pubblicato da Fabio il 18/07/2009 alle 16:31 in "Elettronica".
"Come funziona un treno?" Una domanda semplice, che riguarda un mondo dove fino agli anni '80 l'industria italiana godeva di grande considerazione. Ovviamente non mi riferisco a delle sbuffanti locomotive a vapore o dei rombanti locomotori diesel, parlo invece della tecnologia più comune, quella elettrica.
Un locomotore elettrico, ad una prima analisi, sembrerebbe qualcosa di semplice, in fondo il suo funzionamento si basa su: un sistema per captare l'alimentazione (pantografo), un motore elettrico ed un sistema di regolazione della velocità. In realtà non è così semplice.

Un locomotore elettrico è una macchina progettata per trainare convogli passeggeri che possono superare le 600 tonnellate, per non parlare dei lunghissimi treni merci, ancora più pesanti. Per svolgere questo genere di compiti, un locomotore deve avere una potenza dell'ordine dei MegaWatt.
Prendiamo ad esempio un e656, la sua potenza continua è di 4.2 MW, a cui corrisponde, data la tensione della linea di 3000V nominali, una corrente dell'ordine delle migliaia di ampere.
A questo punto, è facile comprendere come, la gestione di potenze e correnti di quest'ordine di grandezza, non sia per niente facile.

I locomotori, dal dopoguerra fino agli anni '80, hanno utilizzato esclusivamente motori in corrente continua (MCC)*.
Questo genere di macchine elettriche, presentano una coppia in avviamento molto elevata, che effettivamente è molto utile per un locomotore, ma a questa coppia elevata corrispondono correnti assorbite molto alte.
A causa di queste correnti, l'avviamento di un MCC di elevata potenza non può essere eseguito alimentandolo subito alla tensione nominale altrimenti, i fenomeni elettromagnetici conseguenti sarebbero talmente elevati da danneggiarlo meccanicamente.

I locomotori con MCC sono dotati di un apposito sistema elettrico che permette di regolare la tensione applicata all'armatura del motore, in modo da regolarne la velocità e allo stesso tempo limitare la corrente assorbita, perché non diventi pericolosa.
In presenza di più motori, la tecnica più semplice per variare la tensione applicata è quella di cambiare la loro modalità di connessione. Un classico locomotore italiano è dotato di 6 assi, ognuno motorizzato con uno (o due accoppiati) MCC, quindi in fase di avviamento i motori, attraverso interruttori di potenza, contattori, vengono connessi in serie in modo da far cadere, su ognuno di essi, un sesto della tensione di alimentazione. Una volta avviato il treno si potrà poi riconfigurare i contattori per connettere i motori in parallelo.

Nonostante la possibilità di variare la connessione dei motori, la tensione di avviamento e di conseguenza la corrente, è comunque troppo elevata e allora si può ridurre tale valore interponendo fra alimentazione e motore un reostato, cioè un dispositivo con resistenza regolabile.
Il reostato posto in serie ai motori agisce da partitore di tensione, maggiore è la sua resistenza e minore sarà la tensione applicata all'armatura dei motori e viceversa. Il reostato è composto da una serie di pacchi di resistenze di valore fisso, con posti in parallelo altri contattori. Il valore di resistenza massima si ha quando tutti i contattori sono aperti, via via che vengono chiusi la resistenza totale del reostato diminuisce. Quando tutti i contattori sono chiusi si ha la completa esclusione del reostato e quindi i motori risultano collegati direttamente alla tensione di alimentazione.

Schema a blocchi azionamento a reostato

Ricapitolando, in fase di avviamento il locomotore avrà i motori connessi in serie e il reostato completamente inserito, in questo modo, attivando la locomotiva, la corrente di spunto sarà elevata, ma comunque entro i limiti di funzionamento della macchina. In fase di avviamento le correnti sono dell'ordine delle centinaia di ampere e la potenza dissipata sul reostato può raggiungere i 500 kW.
Accelerando, la corrente sui motori inizierà a diminuire e si potrà iniziare ad escludere il reostato per aumentare progressivamente la tensione sui motori e quindi la velocità.
Una volta escluso completamente il reostato, per ottenere un ulteriore aumento di velocità sarà necessario cambiare la configurazione dei motori che passeranno al parallelo, con il reostato che verrà nuovamente reinserito. Il passo successivo vedrà la progressiva esclusione del reostato come già fatto per la configurazione serie.
In alcune locomotive una ulteriore variazione di velocità può essere attuata agendo sull'avvolgimento di eccitazione per mezzo di appositi shunt.
In fase di decelerazione i motori si trasformano in generatori e la potenza sviluppata viene dissipata sul reostato.

Come intuibile, l'accelerazione di un locomotore di questo tipo avviene a passi discreti, perché ogni azione sul reostato o sulla configurazione dei motori genera una brusca variazione di coppia.
Questo tipo di azionamento nonostante sia vecchio è ancora molto diffuso fra i rotabili nazionali, a causa probabilmente della notevole affidabilità.
I punti deboli di questi locomotori** si limitano: alla notevole dissipazione di potenza sul reostato ed all'uso di contattori, che devono essere dotati di appositi sistemi spegni arco per poter interrompere correnti continue di centinaia di ampere.

Nella prossima puntata l'azionamento a chopper serie...

*) In questo articolo, mi limito a spiegare il funzionamento di un locomotore, quindi non approfondirò la teoria dei motori elettrici e degli azionamenti e darò per scontato la conoscenza di alcune nozioni di base.
**) Tralascio gli svantaggi propri dei motori in corrente continua di cui parlerò più avanti.
Lascia un commento.

Commenti (2)

Gio | 23/07/2009 alle 20:53

Bene, bene. Tutto bello, però ora vogliamo gli schemi elettrici del Daitarn!

Fabio | 24/07/2009 alle 21:14

Gli schemi elettrici del Daitarn??? Ma sono tutti a valvole! Triodi, tetrodi, pentodi, è tutta roba superata! :-)

PS: Noto che hai usato un indirizzo e-mail diverso dal solito, hai avuto qualche problema di autenticazione?


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