[Parzialmente OT/Archeologia] Trazione elettrica

[Astro]

Ciao a tutti!
Qualcuno sa quali tipi di motori erano utilizzati sui treni viaggianti su linee alimentate in monofase prima dell'avvento dell'elettronica di potenza? E sulle linee in corrente continua?

La questione mi e' sorta leggendo l'ottimo articolo di Giorgio Stagni sul motore trifase, e pensando che il motore DC a spazzole (che nonostante il nome funziona anche in monofase) fosse una scelta poco oculata, visti i grossi problemi di rendimento e di usura delle spazzole e del collettore in seguito alla commutazione che si presentano gia' per correnti abbastanza basse.
L'articolo mi ha anche fatto nascere domande sull'alimentazione tetrafase, ma ho una mezza idea di come fosse risolta in modo abbastanza semplice.

[S-Bahn]

Non ho le conoscenze storiche da appassionato e nemmeno le specifiche competenze.
Mi aspetto che ne sappiano qualcosa i forumisti legati a Svizzera e Germania, ma anche l'evoluzione del TGV sotto questo aspetto è interessante e mi pare di ricordare che la prima serie, il TGV du sudest, avesse motori in corrente continua.

Detto questo ho qualche buona ragione di supprre che prima dell'avvento dell'elettronica di potenza sulle reti con alimentazione alternata monofase si usassero motori in CC, ovviamente con trasformatore e raddrizzatore a bordo della locomotivam ma sentiamo la tua ipotesi e vediamo se qualcuno ha conoscenze maggiori.

[Astro]

So che il TGV Atlantique utilizzava motori sincroni, ma alimentati attraverso un inverter.
Il problema dei motori DC a spazzole (con statore non a magneti permanenti) e' che hanno rendimenti massimi attorno al 70%, per cui se parliamo di potenze intorno ai 2 MW (http://www.miol.it/stagniweb/evoluz3.htm), si parla di almeno 600 kW trasformati in potenza termica, e quindi calore. Smaltire tale quantita' e' abbastanza difficile.
Viceversa gli attuali treni, con potenze intorno ai 10 MW, dotati di motori asincroni ed inverter, devono dissipare meno della meta', e sono aiutati dalle maggiori velocita' raggiunte.

[S-Bahn]

L'Atlantique utilizzava motori sincroni, ricordo anch'io, ma qui siamo già nel campo dell'elettroncia di potenza. Il Sudest è stato il primo TGV con ancora una parte di impostazione tradizionale. All'inizio dell'ideazione della rete TGV si pensava di non costruire la rete elettrica e di generare la corrente con una turbina a bord, e fu costruito un prototipo. Poi considerazioni su rumore e inquinamento e i ripensamenti post crisi energetica del '73 consgliarono di ritornare alla catenaria.

[indaco1]

Non ho le conoscenze storiche da appassionato e nemmeno le specifiche competenze.
Mi aspetto che ne sappiano qualcosa i forumisti legati a Svizzera e Germania...

La prima linea al mondo a elettrificazione trifase e' stata quella della Valtellina, se non ricordo male.

[fra74]

Ho l'impressione che in svizzera avrebbero da ridire su questa affermazione

Però in realtà la cosa è abbastanza insignificante visto che si chiedeva che motori si usassero sulle linee in monofase

[Astro]

L'Atlantique utilizzava motori sincroni, ricordo anch'io, ma qui siamo già nel campo dell'elettroncia di potenza. Il Sudest è stato il primo TGV con ancora una parte di impostazione tradizionale. All'inizio dell'ideazione della rete TGV si pensava di non costruire la rete elettrica e di generare la corrente con una turbina a bord, e fu costruito un prototipo. Poi considerazioni su rumore e inquinamento e i ripensamenti post crisi energetica del '73 consgliarono di ritornare alla catenaria.

La curva di coppia del TGV Sudest, reperibile sulla scheda tecnica, mostra chiaramente che e' azionato ad inverter.
Potrebbero essere i cosiddetti BLDC (Brushless DC), che sono sostanzialmente dei motori sincroni trifase a magneti permanenti alimentati da un inverter.

[fra74]

Non è il mio campo ma mi permetti di avere qualche dubbio sul fatto che treni progettati e costruiti a fine anni '70-inizio anni '80 fossero già motorizzati in tal modo?

Inoltre nella scheda tecnica che tu stesso hai linkato non vedo traccia di inverter...

Ad ogni modo i motori sono 12 TAB 676 C1, se ti può essere utile... di più non so

[Astro]

Il progretto dell'ETR500 mi pare risalga al 1985 (e infatti non usa gli IGBT ma i GTO). Il primo tiristore e' uscito nel 1956, qualche anno dopo sono arrivati quelli di potenza. Per cui si', la cosa e' plausibile: certo, non sono gli "inverter" attuali e non hanno la loro efficienza, ma la curva di coppia e' inequivocabile. Difatti solo con l'ausilio dell'elettronica di potenza (che permette di variare il valore efficace della tensione in modo continuo) puoi ottenere una curva di coppia con parti piatte (ovvero coppia/sforzo di trazione/ecc. costante al variare della velocita').

[S-Bahn]

Leggo (e traduco perché è in francese) dal libro "PRODIGIEUX TGV!" che i motori sono a 4 poli, a collettore, autoventilanti, senza riduzione di campo e la tensione è regolata da tiristori in due diverse configurazioni a seconda se si circola sotto il 25k monofase o sotto la contina da 1500V.
L'eccitazione è in serie nella fase di trazione e indipendente in frenatura.

Largo agli esperti

[fra74]

però ripeto che nello schema di trazione non c'è nessuna traccia di inverter, mentre risulta ben presente nello schema di trazione sotto la CC la presenza di un chopper (haucher)

[Astro]

Ok, sono motori CC a spazzole (che poi, collegando insieme armatura ed eccitazione, possono funzionare pure in monofase http://en.wikipedia.org/wiki/Universal_motor).
I tiristori fanno da chopper, ma possono anche essere utilizzati come inverter o come ti pare: nel caso specifico probabilmente no, ma non e' detto. Comunque c'e' elettronica di potenza
Essendo autoventilanti devono partire in fretta, se no fondono: e' il piu' grosso problema di questo tipo di motori.

L'eccitazione in serie permette (nel caso non ci fosse l'elettronica di potenza) di ottenere una curva di coppia a potenza quasi costante, ovvero tanta coppia a bassa velocita', poca coppia ad alta velocita'. E' necessaria l'eccitazione indipendente in frenatura pena il malfunzionamento dovuto alla saturazione magnetica del ferro (ovvero, se si esagera col campo magnetico, crescente con la corrente, lo statore satura, il motore funziona male e continua a funzionare male anche dopo che il campo si e' riportato al di sotto del valore di soglia).

Curiosita', si parla di "poli" o "coppie polari"?

[fra74]

Ma non ho mai messo in dubbio che si ricorresse all'elettronica di potenza, avevo dubbi invece che si ricorresse, specie dovendo girare anche sotto alla CC ad una soluzione che ancora non era per la maggiore... dopo tutto sono gli anni in cui in italia si stava appena iniziando ad adottare l'elettronica di potenza nella trazione ferroviaria, con i treni GAI ed il progetto delle 633/632

[S-Bahn]

Nombre de poles: 4.
Per quanto riguarda i tiristori copio pari pari
Le réglage de la tension s'effectue par des ensambles à thyristores fonctionnant:
- en pont mixte pour la circulation sous 25 kV monophasé
- en hacheur puor la circulation sous 1.5 kV continu

Riassumendo da quanto capisco con le mie limitate conoscenze, mi sembra che la prima serie di TGV sia stata piuttosto conservativa e tradizionale sulla parte di trazione utilizzando motori in CC e con l'elettronica praticamente limitata a sostituire i resistori e le combinazioni serie/parallelo, ed è logico considerando la progettazione anni '70.
Quindi niente inverter e motori trifase ma motori in CC pilotati da chopper. Viceversa l'Atlantique, la seconda serie di TGV, avrebbe addirittura ecceduto in innovazione con i motori sincroni di pilotaggio piuttosto complesso, a quanto mi pare di capire.

[Astro]

OT:
Concettualmente un gruppo di 4 tiristori ad H puo' essere usato "as is" sia come chopper da DC (commutando insieme gli SCR alla stessa "altezza"), sia come inverter/raddrizzatore (commutando insieme gli SCR agli angoli opposti, e ovviamente a seconda del fatto che si voglia trasformare DC in AC o viceversa). Che poi un chopper a 4 sia sprecato e' un altro discorso, a meno che tu non abbia SCR con corrente nominale sufficiente, ragion per cui potresti metterli in parallelo.

IT:
Ho pero' appena sbrogliato lo schema elettrico: se non ho interpretato male, nell'alimentazione AC, la tensione per i servizi di bordo e' fornita dal raddrizzatore/chopper a 4 SCR sulla sinistra, mentre i motori sono alimentati separatamente attraverso il trasformatore e gli SCR forniscono una sinusoide raddrizzata a valor medio regolabile. Per caso i TGV Sudest avevano problemi di vibrazioni a bassa frequenza?

@S-Bahn
No, non e' che sostituisse i resistori e le combinazioni serie/parallelo (anche perche' nello schema non e' prevista la connessione in serie dei motori). Il sistema che usano e' completamente diverso: al posto di regolare la corrente (reostati/serie-parallelo) e quindi controllare direttamente la coppia si regola la tensione di alimentazione, controllando contemporaneamente coppia e velocita'. Tale sistema e' tremendamente piu' efficiente dal punto di vista energetico.
I sincroni effettivamente sono di controllo molto piu' difficile: quello che per gli asincroni e' opzionale (il controllo della frequenza di alimentazione) per i sincroni e' necessario, perche' altrimenti non partono. Per il resto, se si opta per un azionamento a inverter, asincrono a rotore non accessibile e sincrono a magneti permanenti non hanno sostanziali differenze dal punto di vista del funzionamento del circuito di alimentazione (le differenze si rilevano nel comportamento meccanico).