1) I componenti
Il raddrizzatore
L’inverter
Regolatore di frequenza
2) Raddrizzatori
3) Inverter
4) Generazione onda quadra (modulatore)
Il “Ponte ad H” (La commutazione)
La tecnica PWM (Creare l’onda sinusoidale)
5) Regolatore della frequenza e ampiezza
6) Il controller del motore
7) Sintesi
8) Conclusione
I componenti
I treni elettrici sono alimentati sia da corrente continua (CC) sia da corrente alternata (CA), a seconda del tipo di linea ferroviaria.
Linee tradizionali (Corrente Continua): I treni regionali e intercity viaggiano su linee alimentate a 3.000 V (3 kV) in corrente continua. La rete aerea (catenaria) funge da polo positivo, mentre le rotaie completano il circuito a terra.
Linee ad Alta Velocità (Corrente Alternata): I treni moderni e veloci (come i Frecciarossa o Italo) utilizzano 25.000 V (25 kV) in corrente alternata monofase a 50 Hz. Questa altissima tensione è necessaria per fornire le enormi potenze richieste senza surriscaldare i cavi.
L’energia viene prelevata dalla linea aerea tramite il pantografo, un braccio meccanico flessibile montato sul tetto del treno che striscia sui cavi della catenaria. Una volta a bordo, i moderni sistemi elettronici di potenza trasformano questa corrente regolando tensione e frequenza in base alle necessità del motore.
Qualunque sia la alimentazione, l’inverter è l’organo fondamentale per alimentare il motore elettrico che funziona solo con un campo magnetico rotante generato da una corrente trifase.
I treni moderni non potendo avere una linea aere a tre cavi per trasportare la energia usano una sola fase.
Una rete monofase non è in grado di azionare un motore elettrici. La trasformano attraverso tre stadi principali a bordo del veicolo.
Se collegassimo una singola fase alternata direttamente al motore, il treno non si muoverebbe (mancanza di coppia) e il motore rischierebbe di bruciarsi in pochi secondi. Una sola fase genera un campo magnetico pulsante (oscilla avanti e indietro), ma non rotante. Questo sarebbe possibile solo con le tre fasi.
- Il raddrizzatore
- L’inverter
- Regolatore di frequenza
Conversione iniziale (Raddrizzamento): Se la linea fornisce corrente continua (ad esempio a 3 kV come nella rete tradizionale italiana), l’energia viene inviata ai circuiti di bordo. Nel caso di linee in corrente alternata (alta velocità a 25 kV), la tensione viene prima abbassata da un trasformatore e convertita in continua.
L’azione dell’inverter: L’inverter prende questa tensione continua e, attraverso l’apertura e la chiusura rapidissima di interruttori a semiconduttore di potenza (come tiristori, GTO o moderni IGBT), la “taglia” e la ricompone per generare una corrente alternata trifase.
Regolazione della frequenza (VVVF – Variable Voltage Variable Frequency): Variando la frequenza della corrente alternata in uscita, l’inverter controlla direttamente il campo magnetico rotante del motore asincrono trifase. Aumentando la frequenza, il treno accelera dolcemente; diminuendola, decelera.
Frenatura rigenerativa: Durante la frenata, l’inverter può funzionare “al contrario”: i motori diventano generatori (trasformando l’energia cinetica del treno in energia elettrica) e l’inverter restituisce questa energia pulita alla linea di contatto o la riutilizza per i servizi di bordo.
Raddrizzatori
Un raddrizzatore ha lo scopo di trasformare una corrente alternata in continua.
fondamentalmente è costituito da un trasformatore ed un ponte di diodi, chiamato Ponte di Graetz.
- Nella figura il trasformatore riduce la tensione da 220 V a 12 V
- I diodi in alto del rombo del Ponte fanno passare la semionda positiva e bloccano quella negativa. I diodi in basso del rombo del Ponte fanno passare la semionda negatica che va ad aggiungersi alla positiva.
- L’aggiunta di un condensatore a valle “spiana” le oscillazioni, generando una corrente avente una tensione abbastanza stabile.
In definitiva il “Ponte di Graetz” recupera le due semionde rovesciandone la polarità.
Inverter
Un motore elettrico non funziona a corrente continua o con una corrente alternata monofase, l’inverter simula un sistema a corrente alternata trifase.
Un inverter si occupa della trasformazione inversa: data una corrente continua genera una corrente alternata.
Un inverter trasforma la corrente continua (DC) della batteria in corrente alternata (AC) utilizzando interruttori elettronici ad altissima velocità (chiamati Transistor o MOSFET/IGBT) e una tecnica matematica chiamata PWM (Pulse Width Modulation – Modulazione di larghezza di impulso).
I transistor di potenza (IGBT) tagliano la tensione continua creando impulsi ad altissima velocità.
L’inverter non genera un sistema trifase necessario ad alimentare un motore elettrico. L’inverter per motori elettrici (noto anche come variatore di frequenza o VFD) serve a regolare la velocità, la coppia e la direzione di rotazione di un motore elettrico in corrente alternata (AC). Lo fa modificando in modo preciso la frequenza e la tensione dell’energia elettrica fornita al motore.
Nei sistemi tradizionali senza inverter, il motore gira sempre alla massima velocità consentita dalla frequenza fissa della rete elettrica (50 Hz in Europa). L’inverter agisce come un acceleratore intelligente, dosando l’energia in base alle reali necessità.
Generazione onda quadra (modulatore)
1. Il “Ponte ad H” (La commutazione)
Immagina la corrente continua come un flusso che va sempre in una direzione (+ verso -). Per creare la corrente alternata, la direzione del flusso deve invertirsi continuamente.
- L’inverter usa quattro interruttori elettronici disposti a forma di “H” attorno al carico (il motore).
- Chiudendo alternativamente due interruttori diagonali alla volta, l’inverter inverte la polarità della corrente che arriva al motore.
- Questo cambio di direzione continuo trasforma la linea retta della DC in un’onda quadra (avanti e indietro).
In linea di principio è un dispositivo molto semplice, realizzabile con degli interruttori come mostrato nella prossima figura,il “ponte H“. Vi è un generatore di corrente continua (es. una pila), quattro interruttori S1…S4 e una resistenza R ai capi della quale genereremo una corrente alternata:
Genera un’onda trifase simulata (PWM) modificando ampiezza e frequenza.
La modulazione di frequenza nei motori di trazione di un treno non avviene modificando direttamente un’onda sinusoidale pura, ma simulandola attraverso la tecnica PWM (Pulse Width Modulation, ovvero Modulazione a Larghezza di Impulso)
Fase A
Per un certo tempo (fase A) teniamo chiusi gli interruttori S1 e S2. La resistenza R (che simula in nostro carico) si troverà ad avere a sinistra il polo positivo e a destra quello negativo.
Fase B
Al termine del tempo dato, apriamo S1 e S2 e chiudiamo S3 e S4 (fase B). La resistenza R si troverà ora ad avere a sinistra il polo negativo e a destra quello positivo.
Dalla sovrapposizione delle due semionde otterremo una corrente alternata ad onda quadra.
In realtà al posto degli interruttori vengono usati dei tiristori.
2 . La tecnica PWM (Creare l’onda sinusoidale)
Il circuito vero è basato sui tiristori ed è un pochino più complesso (aggiunge condensatori [C] e induttanze [L] per migliorare la forma d’onda, e dei diodi [D]).
I motori elettrici non girano bene con un’onda quadra grezza; hanno bisogno di un’onda sinusoidale (morbida e fluida). L’inverter ottiene questa forma variando la durata dei singoli impulsi elettrici:
- Gli interruttori si aprono e si chiudono migliaia di volte al secondo (alta frequenza).
- Per simulare la cresta (altezza) dell’onda sinusoidale, l’inverter tiene l’interruttore aperto per più tempo (impulsi larghi), erogando molta energia.
- Per simulare la base (frequnza) dell’onda, l’interruttore rimane aperto per pochissimo tempo (impulsi stretti), erogando poca energia.
Il motore elettrico ha un’alta induttanza (funziona come un filtro naturale grazie ai suoi avvolgimenti di rame).
- Il motore non percepisce i singoli impulsi “acceso/spento” ad altissima velocità.
- Ne percepisce solo il valore medio.
- Il risultato è che la corrente all’interno del motore scorre in modo fluido, disegnando una perfetta onda alternata sinusoidale.
Il motore elettrico ha un condensatore di marcia/avviamento.
- Questo componente sfasa la corrente in un secondo avvolgimento del motore.
- Lo sfasamento crea un finto sistema bifase.
- Questo genera il campo rotante necessario per far partire e girare il motore.
Regolatore di frequenza e ampiezza
Eccoci alla questione più complessa: in linea di principio sappiamo come produrre una corrente alternata basata su una onda quadra. La frequenza della corrente è quella con cui apriamo e chiudiamo “le porte”.
Il compito di regoalre l’apertura e chiusura delle porte è delegato a un microprocessore.
E’ “lui” che decide – sulla base di un programma – in quale istante aprire e chiudere i rubinetti giusti.
Possiamo variare il comportamento del programma in fequenza e altezza. Possiamo generare anche onde di forma diversa facendo variare il tempo in cui il rubinetto è aperto o chiuso.
Nello schema riportato nel primo modulo (A) viene applicata tensione positiva. Nel module (B) una tensione negativa. entrambi aprono e chiudono rispettivamente gli interruttori S1, S2, S3, S4, variando la tensione V0 e frequenza e corrente i0 ai capi del carico R.
Possiamo quindi avere impulsi di durata variabile, in modo che la tensione effettiva (quella media generata dai “pieni” e “vuoti”) si avvicini alla sinusoide desiderata. A valle poi, i soliti filtraggi con condensatori e induttanze contribuiscono a “ripulire” il risultato.
In definitiva ci possiamo svincolare anche dalla frequenza di rete, perché possiamo decidere noi la frequenza di esercizio tramite l’inverter (e il suo controller).
Controller
Per gestire la modulazione in tempo reale durante la marcia, i computer di bordo utilizzano algoritmi avanzati. il controller varia istante per istante l’ampiezza della tensione e la frequenza della corrente inviata ai motori trifase asincroni
- Controllo Vettoriale (FOC): Calcola istantaneamente la posizione magnetica del rotore e regola gli impulsi PWM per mantenere la massima efficienza.
- Controllo Diretto della Coppia (DTC): Modifica la modulazione in pochi microsecondi senza bisogno di sensori di velocità tachimetrici, ideale per reagire immediatamente al pattinamento delle ruote sul binario bagnato.
In sintesi
1. La creazione degli impulsi (PWM)
L’inverter riceve in ingresso la corrente continua e la “taglia” in una serie di impulsi rettangolari ad alta frequenza (frequenza di portante, solitamente tra 1 e 5 kHz).
- Per generare la frequenza trifase desiderata, l’elettronica varia la durata (larghezza) di ogni singolo impulso.
- Impulsi più larghi equivalgono a una tensione media più alta.
- Impulsi più stretti equivalgono a una tensione media più bassa.
2. La ricostruzione dell’onda sinusoidale
Modificando progressivamente la larghezza degli impulsi nel tempo, l’inverter fa sì che la corrente media applicata agli avvolgimenti del motore segua l’andamento di un’onda sinusoidale.
- Frequenza di uscita: È determinata dalla velocità con cui l’inverter completa un intero ciclo positivo e negativo di impulsi. Più il ciclo è rapido, più la frequenza (Hz) è alta, più il treno va veloce.
- Controllo V/f: L’inverter non varia solo la frequenza, ma aumenta contemporaneamente la tensione in modo proporzionale. Questo evita che lo statore del motore si surriscaldi alle basse velocità o perda forza alle alte velocità.
Curiosità: Il “canto” dei treni in partenza
Hai mai fatto caso al suono a frequenze crescenti (simile a una scala musicale) che emettono alcuni treni o metropolitane quando partono? Quel rumore è causato proprio dalla variazione della frequenza di commutazione degli impulsi PWM all’interno dell’inverter, che fa vibrare magneticamente le lamere del motore a frequenze acustiche udibili dall’orecchio umano.
Conclusione
Nei treni moderni con motori asincroni trifase, la frequenza di alimentazione non è fissa, ma viene regolata in modo continuo da un inverter (da 0 Hz fino a oltre 100-250 Hz) per geneare un finto campo magnetico rotante, controllare con precisione la coppia di avviamento, la velocità del convoglio.
