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Potrebbe sorprendere sapere che nei treni elettrici, l’energia elettrica prelevata dalle linee aeree finisce nel cavo di messa a terra del binario dopo essere passata attraverso le ruote. Conversione dell’alimentazione in trifase, frenata rigenerativa e linee aeree a zig-zag: tutti questi elementi rendono la tecnologia dei treni elettrici davvero unica. Vediamo tutti i segreti ingegneristici dei treni elettrici partendo dal progetto più semplice possibile.
La versione più semplice di un treno elettrico è mostrata qui. In questo caso, un singolo filo scorrevole raccoglie energia elettrica dalle linee aeree. Questa energia viene alimentata a un motore asincrono monofase. Il rotore del motore asincrono è collegato alle ruote. Per completare il circuito, l’altro terminale del motore è collegato a terra. Questo collegamento a terra è possibile perché il filo è connesso prima alle ruote tramite una spazzola d’assale. La ruota è sempre in contatto con il binario, e il binario è messo a terra, come mostrato. Si può vedere come la corrente proveniente dalla linea aerea (OHL) fluisca verso terra. Passa prima attraverso il motore asincrono, poi alle spazzole d’assale, quindi alle ruote e infine al binario e alla terra. Quando la corrente passa, il rotore del motore asincrono gira, assieme alle ruote. Tuttavia, una ruota che gira si muoverà in avanti, il che significa che il circuito di messa a terra successivo deve essere disponibile a una distanza molto breve dal precedente.
Ora, vediamo qualche dettaglio delle spazzole d’assale. Le spazzole d’assale sono montate sulla ruota in rotazione e la corrente viene trasferita alle ruote tramite queste spazzole in carbonio, che scorrono su un disco collegato all’assale della ruota. Ancora una volta, questo è il progetto più semplice di un treno elettrico.
Ora miglioriamo questo progetto per rendere il nostro treno più funzionale. La tensione usata nella linea aerea è di 25 kilovolt, una tensione elevatissima. I motori richiedono una tensione molto più bassa per funzionare. Per questa ragione, è necessario alimentare l’energia a un trasformatore di discesa, che trasforma la tensione al livello desiderato. L’alimentazione dalla linea aerea passa inizialmente attraverso il primario del trasformatore, e qui il circuito è completato grazie alla messa a terra. Per effetto del funzionamento del trasformatore, la corrente sarà indotta nell’avvolgimento secondario e la potenza a tensione ridotta sarà fornita al motore.
Per una trazione elevata, come quella necessaria per un treno, il motore deve fornire una coppia elevata. Inoltre, la curva di coppia deve essere uniforme, anche se la velocità del motore varia. I motori asincroni trifase sono la scelta perfetta per ottenere requisiti di coppia elevata e uniforme. Stendere fili trifase per alimentare questo motore non è una buona idea, perché è altamente antieconomico. Ecco perché si utilizza un raddrizzatore e un inverter per convertire l’alimentazione monofase in alimentazione trifase. Un raddrizzatore converte l’alimentazione AC monofase in corrente continua (DC), e poi l’inverter converte la DC in corrente alternata trifase. Ora questo motore è pronto a viaggiare sui binari.
Possiamo aumentare ulteriormente la coppia in uscita se aggiungiamo un sistema di trasmissione con un certo rapporto di ingranaggio tra l’albero motore e l’assale delle ruote. A questo punto, il motore che abbiamo realizzato sembra perfetto.
Tuttavia, se costruiamo un treno completo collegando diverse carrozze a questo motore, diventa evidente che il motore singolo che abbiamo sviluppato non ha abbastanza potenza per trainare tutte queste carrozze. Aggiungiamo quindi più coppie motore-ruota per rendere il motore più potente. Un carrello motore è costruito con tre motori asincroni trifase, ovviamente per azionare tre coppie di ruote. In un motore, generalmente si utilizzano due carrelli motore. In questo motore completo si può vedere come sono posizionati i trasformatori e i raddrizzatori.
Finora abbiamo mostrato come trasferiamo energia al treno usando un singolo filo sospeso. Tuttavia, questo metodo non è pratico. A volte non è possibile mantenere costante la distanza tra il treno e la linea aerea, il che significa che per una corretta raccolta di energia si deve usare un meccanismo con variazione di altezza. I pantografi svolgono questa funzione. Un pantografo moderno ha questo aspetto. Si può osservare che, in base alla pressione di un sistema pneumatico, il pantografo può regolare la propria altezza. Se osservate attentamente, potete vedere che durante questa regolazione di altezza, il collettore di corrente rimane orizzontale. Il collettore di corrente deve rimanere perfettamente orizzontale; altrimenti, la trasmissione di potenza sarà compromessa. Speriamo che da questa animazione possiate capire perché il collettore rimane sempre orizzontale; per ulteriori dettagli, guardate il nostro video dedicato al pantografo. Ora, vediamo il pantografo in azione. Se per qualche motivo il pantografo perde il contatto con il filo, il treno continuerà a muoversi liberamente per qualche chilometro grazie alla sua elevata inerzia.
La versione più semplice di un treno elettrico è mostrata qui. In questo caso, un singolo filo scorrevole raccoglie energia elettrica dalle linee aeree. Questa energia viene alimentata a un motore asincrono monofase. Il rotore del motore asincrono è collegato alle ruote. Per completare il circuito, l’altro terminale del motore è collegato a terra. Questo collegamento a terra è possibile perché il filo è connesso prima alle ruote tramite una spazzola d’assale. La ruota è sempre in contatto con il binario, e il binario è messo a terra, come mostrato. Si può vedere come la corrente proveniente dalla linea aerea (OHL) fluisca verso terra. Passa prima attraverso il motore asincrono, poi alle spazzole d’assale, quindi alle ruote e infine al binario e alla terra. Quando la corrente passa, il rotore del motore asincrono gira, assieme alle ruote. Tuttavia, una ruota che gira si muoverà in avanti, il che significa che il circuito di messa a terra successivo deve essere disponibile a una distanza molto breve dal precedente.
Ora, vediamo qualche dettaglio delle spazzole d’assale. Le spazzole d’assale sono montate sulla ruota in rotazione e la corrente viene trasferita alle ruote tramite queste spazzole in carbonio, che scorrono su un disco collegato all’assale della ruota. Ancora una volta, questo è il progetto più semplice di un treno elettrico.
Ora miglioriamo questo progetto per rendere il nostro treno più funzionale. La tensione usata nella linea aerea è di 25 kilovolt, una tensione elevatissima. I motori richiedono una tensione molto più bassa per funzionare. Per questa ragione, è necessario alimentare l’energia a un trasformatore di discesa, che trasforma la tensione al livello desiderato. L’alimentazione dalla linea aerea passa inizialmente attraverso il primario del trasformatore, e qui il circuito è completato grazie alla messa a terra. Per effetto del funzionamento del trasformatore, la corrente sarà indotta nell’avvolgimento secondario e la potenza a tensione ridotta sarà fornita al motore.
Per una trazione elevata, come quella necessaria per un treno, il motore deve fornire una coppia elevata. Inoltre, la curva di coppia deve essere uniforme, anche se la velocità del motore varia. I motori asincroni trifase sono la scelta perfetta per ottenere requisiti di coppia elevata e uniforme. Stendere fili trifase per alimentare questo motore non è una buona idea, perché è altamente antieconomico. Ecco perché si utilizza un raddrizzatore e un inverter per convertire l’alimentazione monofase in alimentazione trifase. Un raddrizzatore converte l’alimentazione AC monofase in corrente continua (DC), e poi l’inverter converte la DC in corrente alternata trifase. Ora questo motore è pronto a viaggiare sui binari.
Possiamo aumentare ulteriormente la coppia in uscita se aggiungiamo un sistema di trasmissione con un certo rapporto di ingranaggio tra l’albero motore e l’assale delle ruote. A questo punto, il motore che abbiamo realizzato sembra perfetto.
Tuttavia, se costruiamo un treno completo collegando diverse carrozze a questo motore, diventa evidente che il motore singolo che abbiamo sviluppato non ha abbastanza potenza per trainare tutte queste carrozze. Aggiungiamo quindi più coppie motore-ruota per rendere il motore più potente. Un carrello motore è costruito con tre motori asincroni trifase, ovviamente per azionare tre coppie di ruote. In un motore, generalmente si utilizzano due carrelli motore. In questo motore completo si può vedere come sono posizionati i trasformatori e i raddrizzatori.
Finora abbiamo mostrato come trasferiamo energia al treno usando un singolo filo sospeso. Tuttavia, questo metodo non è pratico. A volte non è possibile mantenere costante la distanza tra il treno e la linea aerea, il che significa che per una corretta raccolta di energia si deve usare un meccanismo con variazione di altezza. I pantografi svolgono questa funzione. Un pantografo moderno ha questo aspetto. Si può osservare che, in base alla pressione di un sistema pneumatico, il pantografo può regolare la propria altezza. Se osservate attentamente, potete vedere che durante questa regolazione di altezza, il collettore di corrente rimane orizzontale. Il collettore di corrente deve rimanere perfettamente orizzontale; altrimenti, la trasmissione di potenza sarà compromessa. Speriamo che da questa animazione possiate capire perché il collettore rimane sempre orizzontale; per ulteriori dettagli, guardate il nostro video dedicato al pantografo. Ora, vediamo il pantografo in azione. Se per qualche motivo il pantografo perde il contatto con il filo, il treno continuerà a muoversi liberamente per qualche chilometro grazie alla sua elevata inerzia.
Vi siete mai chiesti perché la linea aerea è tesa in modo ondulato (zig-zag)? Questo schema garantisce che la testa del collettore del pantografo non tocchi il filo sempre nello stesso punto. Grazie a questo accorgimento, l’usura viene ridotta al minimo.
Possiamo controllare la velocità modificando la frequenza dell’alimentazione al motore asincrono. Questo viene fatto tramite il raddrizzatore e l’inverter. Il conducente imposta la leva su una diversa posizione per cambiare la frequenza e quindi la velocità del motore.
L’aspetto più importante per il treno, dopo l’accelerazione, è la frenata: come si ottiene? Dovremmo spegnere direttamente i motori asincroni? In tal caso, il treno continuerebbe a correre sui binari per diversi chilometri prima di fermarsi completamente.
Un’altra idea è utilizzare la frenatura elettrica. In un motore asincrono normale, la velocità del rotore è inferiore alla velocità del campo magnetico rotante (RMF). Tuttavia, abbassando la frequenza dell’alimentazione si può invertire questa condizione. Curiosamente, quando la velocità dell’RMF è inferiore a quella del rotore, la direzione della corrente indotta nelle sbarre del rotore si inverte. Questo provoca una coppia indotta nel rotore in direzione opposta. Questo è un freno perfetto – un freno senza contatto metallo-metallo. In questa fase, il motore funziona in modalità generativa.
Tuttavia, questo metodo di frenata non può fermare completamente il treno. La frenata rigenerativa non funziona a bassa velocità. Il che significa che può rallentare il treno, ma per fermarlo completamente bisogna applicare i freni pneumatici.
Questo è un tipo diverso di freno meccanico. Qui la forza della molla e quella dell’aria compressa agiscono sul pistone in direzioni opposte. L’interessante è che quando il conducente rilascia l’aria dal cilindro, la molla allungata tira il pistone verso la ruota e il freno viene applicato. Questo sistema di frenata fornisce anche sicurezza in caso di perdita d’aria o guasto del compressore. Il freno si attiva automaticamente quando la pressione viene rilasciata. Il sistema di frenata pneumatica è montato sotto ogni carrozza per ciascuna coppia di ruote.
Ora vediamo come viene fornita energia a ciascuna carrozza. Un modo per fornire l’alimentazione ai servizi di ciascuna carrozza è l’autogenerazione. Un alternatore è montato sotto la cassa della carrozza ed è azionato da un albero cardanico, collegato a un cambio sull’assale. L’uscita è raddrizzata e carica una batteria da 110V DC, creando una fornitura continua di energia per le carrozze.
Ma questo metodo autogenerativo non è efficiente, poiché produce una potenza molto fluttuante; per questo motivo, il metodo più comune per fornire energia alle carrozze è la generazione frontale (head-on-generation). In questo metodo, un avvolgimento secondario supplementare è aggiunto nel trasformatore della locomotiva, che fornisce l’alimentazione a tutte le carrozze. Grazie per aver guardato il video.
Alla prossima.
Possiamo controllare la velocità modificando la frequenza dell’alimentazione al motore asincrono. Questo viene fatto tramite il raddrizzatore e l’inverter. Il conducente imposta la leva su una diversa posizione per cambiare la frequenza e quindi la velocità del motore.
L’aspetto più importante per il treno, dopo l’accelerazione, è la frenata: come si ottiene? Dovremmo spegnere direttamente i motori asincroni? In tal caso, il treno continuerebbe a correre sui binari per diversi chilometri prima di fermarsi completamente.
Un’altra idea è utilizzare la frenatura elettrica. In un motore asincrono normale, la velocità del rotore è inferiore alla velocità del campo magnetico rotante (RMF). Tuttavia, abbassando la frequenza dell’alimentazione si può invertire questa condizione. Curiosamente, quando la velocità dell’RMF è inferiore a quella del rotore, la direzione della corrente indotta nelle sbarre del rotore si inverte. Questo provoca una coppia indotta nel rotore in direzione opposta. Questo è un freno perfetto – un freno senza contatto metallo-metallo. In questa fase, il motore funziona in modalità generativa.
Tuttavia, questo metodo di frenata non può fermare completamente il treno. La frenata rigenerativa non funziona a bassa velocità. Il che significa che può rallentare il treno, ma per fermarlo completamente bisogna applicare i freni pneumatici.
Questo è un tipo diverso di freno meccanico. Qui la forza della molla e quella dell’aria compressa agiscono sul pistone in direzioni opposte. L’interessante è che quando il conducente rilascia l’aria dal cilindro, la molla allungata tira il pistone verso la ruota e il freno viene applicato. Questo sistema di frenata fornisce anche sicurezza in caso di perdita d’aria o guasto del compressore. Il freno si attiva automaticamente quando la pressione viene rilasciata. Il sistema di frenata pneumatica è montato sotto ogni carrozza per ciascuna coppia di ruote.
Ora vediamo come viene fornita energia a ciascuna carrozza. Un modo per fornire l’alimentazione ai servizi di ciascuna carrozza è l’autogenerazione. Un alternatore è montato sotto la cassa della carrozza ed è azionato da un albero cardanico, collegato a un cambio sull’assale. L’uscita è raddrizzata e carica una batteria da 110V DC, creando una fornitura continua di energia per le carrozze.
Ma questo metodo autogenerativo non è efficiente, poiché produce una potenza molto fluttuante; per questo motivo, il metodo più comune per fornire energia alle carrozze è la generazione frontale (head-on-generation). In questo metodo, un avvolgimento secondario supplementare è aggiunto nel trasformatore della locomotiva, che fornisce l’alimentazione a tutte le carrozze. Grazie per aver guardato il video.
Alla prossima.