BANCO DI CARICO

La gestione dei treni sulla linea metropolitana è ottimizzata dal posto di controllo e comando (PCC) al fine di recuperare l’energia dei treni durante la frenata. Ogniqualvolta un treno decelera il motore elettrico si converte in generatore recuperando l’energia cinetica derivante dalla frenata e convertendola in energia elettrica che viene immessa in linea. Quando un convoglio decelera, l’energia recuperata ed immessa in linea può essere assorbita da un treno in accelerazione.

Nel caso in cui l’energia elettrica recuperata ecceda quella richiesta dai treni in fase di accelerazione o se per fattori esterni viene meno il sincronismo tra i treni, per evitare sovratensioni pericolose per la linea, essa viene dissipata per effetto Joule attraverso opportune resistenze nel banco di carico sotto forma di calore.

In assenza di un sistema di accumulo termico dedicato al recupero di calore, il calore prodotto viene disperso verso l’esterno e non viene utilizzato in alcun modo.

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Sulla base delle informazioni fornite da GTT, la quantità di energia elettrica recuperata è attualmente il 20%

della totale prodotta in frenata dai treni, pertanto la maggior parte (80%) viene dissipata dal banco di carico.

Figura 23 Banco di carico

7.1.1.1 Misure banco di carico

Per avere un ordine di grandezza della quantità di energia dissipata dal banco di carico è stata effettuata una misura in continuo della potenza scartata dal banco di carico dalle 4:00 di giovedì 21 novembre 2019 fino alle 5:00 del mattino successivo.

Per semplicità la misura non è stata effettuata direttamente sulla linea di arrivo del banco di carico ma il rilevamento è stato eseguito su un trasduttore sito nella cabina PR/PS di Collegno. Il trasduttore traduce un segnale analogico di 4-20mA proveniente da un altro trasduttore installato nel banco di carico, denominato A50.5, in un segnale di tensione con intervallo –10V e 10V. Il trasduttore del banco di carico ha un fondo scala di 1900 kW perciò ad una misura di 0 kW corrisponde un segnale da 4mA che nella cabina PR/PS è letto come circa -10V. Per una potenza di 1900 kW il segnale in corrente sarebbe di 20mA e in tensione di 10V. Il trasduttore A50.5 traduce i segnali analogici proveniente dalle sonde di corrente e tensione direttamente installati sulla linea di alimentazione del banco di carico. La collocazione del misuratore alla fine del percorso di misura introduce un valore di incertezza non trascurabile, presumibilmente di qualche punto percentuale.

In Fig. 24 si riporta lo schema funzionale del sistema di raccolta e trasmissione dati (tavola DA del manuale del banco di carico). In alto a sinistra sono evidenziate le sonde di corrente e tensione, mentre in basso sono

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evidenziate, a sinistra l’amplificatore isolato A50.5 trasduttore dell’energia dissipata, a destra l’amplificatore isolato A50.5 trasduttore della potenza dissipata.

Figura 24 Tavola DA del quadro del banco di carico di Collegno

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Viene mostrato il collegamento delle due sonde di tensione e corrente all’interfaccia R100 fibre ottiche per la trasmissione del dato in remoto ad una piattaforma dedicata. I collegamento è mostrato in Fig. 25 nella tavola DB del quadro del banco di carico. I connettori sono J11 per la sonda di corrente e J12 per la sonda di tensione.

Figura 25 Tavola DB del quadro del banco di carico di Collegno

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Nella tavola UA, riportata in Fig. 26, sono mostrati i trasduttori di potenza ed energia dissipata dal banco di carico con i rispettivi fondo scala.

Figura 26 Tavola UA del quadro del banco di carico di Collegno

Nonostante la consapevolezza della maggiore imprecisione della misura si è adottata questa scelta per una questione di semplicità e immediatezza d’installazione del misuratore. In più la volontà del campionamento è avere un ordine di grandezza dell’energia dissipata, senza necessità di precisione assoluta.

Gli errori introdotti nel primo passo dell’acquisizione della misura sono legati alla sensibilità delle sonde di corrente e tensione e dall’accuratezza della traduzione analogica. In seguito si introduce l’incertezza data

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dalla sensibilità del trasduttore nella traduzione del dato analogico in segnale di corrente a cui si aggiunge l’incertezza del trasduttore che traduce il segnale di corrente in tensione. In fine ulteriore incertezza è introdotto dall’analizzatore stesso installato alla fine del circuito con delle pinze coccodrillo ai cavi provenienti dal trasduttore di tensione.

Lo strumento utilizzato, di proprietà del Politecnico di Torino, è il modello 8880-20 della Hioki. Il passo temporale di campionamento è di 100 ms. Si è adottato questo intervallo temporale per poter apprezzare al meglio i profili della potenza dissipata dal banco di carico. La dissipazione può essere molto breve e improvvisa.

Figura 27 Registratore Hioki 8880-20

Dalla misura pare evidente che il banco di carico entra in funzione poco dopo la messa in tensione della linea di trazione, prevista per le 4 di mattina, quando i treni iniziano a circolare. Allo stesso tempo vi è un periodo di inattività che corrisponde all’arresto della linea di trazione, misurato tra le 00:30 circa e le 4:30. I picchi registrati, che corrispondono alle dissipazioni attuate dal banco di carico, hanno un profilo irregolare con valori e durate variabili. Anche l’intervallo che intercorre tra una dissipazione e un’altra non ha regolarità.

Nelle 25 ore di misura si sono registrati diversi scostamenti del valore di tensione dal limite inferiore del fondo scala, circa -10 V. Si può notare che dopo la messa in tensione alle 4 di mattina c’è un periodo di

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inattività del banco di carico, poi si registrano dei picchi, e poi nuovamente un periodo senza dissipazioni fino a circa le 5:20. Questo comportamento può essere legato ad una prima movimentazione dei treni la mattina prima dell’entrata in funzione del servizio metropolitano, poi un arresto dei treni fino all’effettiva apertura delle stazioni e alle prime corse del mattino.

Il misuratore ha registrato dei picchi di potenza dissipata più fitti ed elevati nelle ore in cui i treni in servizio sono di meno e la frequenza di passaggio varia tra i 4 e i 7 minuti (10:00-13:00 e 22:00-1:00). Proprio in queste ore l’energia immessa in rete dal sistema di recupero elettrico dalla frenata può essere assorbita da meno treni e quindi viene maggiormente dissipata dal banco di carico.

Nelle ore di picco della metropolitana il grafico si fa meno fitto e i valori dei picchi di potenza più contenuti.

Questo comportamento lo si registra nell’orario compreso tra le 16:00 e le 19:00 quando i treni in servizio garantiscono un passaggio ogni 3 minuti.

Lo scarto di tensione dal valore di base è stato tradotto in potenza, tramite la relazione riportata precedentemente. Per la potenza dissipata si ottengono grafici il cui profilo è confrontabile con quello delle tensioni, ed i valori oscillano tra gli 0 kW e più di 600 kW. La potenza è stata calcolata secondo le proporzione per cui una variazione di tensione da -10V a 10V corrisponde ad una variazione di potenza da 0 kW a 1900 kW. Nei momenti di inattività del banco di carico il valore registrato dallo strumento non è mai stato costante a -10V. Si è individuato un valore medio che si attesta a circa -9,87V. Qualora lo strumento registrasse un valore superiore a -9,81V (dato di tensione maggiore registrato nei periodi di inattività del banco di carico) si è confrontato lo scarto del valore registrato con la media sopra indicata e si è calcolato con la proporzione descritta la potenza equivalente registrata.

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Figura 28 Potenza ricavata da misura della tensione sul trasduttore del banco di carico di Collegno

Dai grafici della potenza in Fig. 28 si può vedere che si raggiungono livelli di potenza dissipata anche molto elevata. I valori registrati però hanno una durata molto breve e il profilo di dissipazione è incostante.

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Per apprezzare l’andamento di una dissipazione si riporta in Fig. 29 un ingrandimento di 100 decisecondi.

Il grafico mostra una dissipazione di media-lunga entità, il cui intervallo di tempo è circa 4 secondi.

Figura 29 Ingrandimento su una dissipazione

Si sono integrate le misure di potenza nel tempo con il metodo dei trapezi che consiste nell’approssimare l’integrale di una funzione positiva con l’area di un trapezio rettangolo che ha come vertici di base i punti dell’intervallo di integrazione posizionati sulle ascisse [a, 0] , [b, 0] e come vertici superiori i punti [a ,f(a)] e [b ,f(b)] dove f(a) è il valore che assume la funzione all’ascissa a. L’integrazione con la regola del trapezio è stata effettuata su ogni singolo intervallo di campionamento.

Si ottiene così un valore di energia dissipata nelle 25 ore di circa 390 kWh. Se si riporta alle 24 ore, non considerando l’ora che va dalle 4 alle 5 di mattina del secondo giorno di misure, l’energia dissipata risulta essere circa 384 kWh.

Figura 30 Energia dissipata dal banco di carico in 25 ore

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Se si considera il giorno misurato come esemplificativo dell’andamento annuale dell’energia dissipata si ottiene un valore complessivo di circa 140.193 kWh che rappresenta circa lo 0,85% dei consumi annui imputati alla trazione della metropolitana della linea 1 di Torino.