Effetto delle tecnologie e dell'esercizio sull'efficienza energetica dei sistemi ferroviari

FACOLTÀ DI INGEGNERIA CIVILE E INDUSTRIALE

Dottorato di Ricerca in Infrastrutture e Trasporti

Curriculum: Ingegneria Ferroviaria

Effetto delle tecnologie e dell'esercizio sull'efficienza

energetica dei sistemi ferroviari

CANDIDATO

Ing. Stefano Giulianelli

TUTOR

Prof. Ing. Gabriele Malavasi

2

1. Indice

1. Indice ... 2

2. Premessa ... 4

3. Inquadramento della ricerca ... 5

3.1 Principali obiettivi ... 7

4. Metropolitane ... 8

4.1 Descrizione... 8

4.1.1 Dati generali del treno ... 9

4.1.2 La Linea A della Metropolitana di Roma ed esecuzione delle prove ... 12

4.1.3 Il sistema elettrico di alimentazione ... 13

4.1.4 Metodo di calcolo ... 14

4.1.5 Calcolo delle resistenze al moto ... 15

4.2 Prove tipo A – Treno Isolato ... 18

4.2.1 Verifica mediante calcolo teorico delle misure di energia elettrica ... 18

4.2.1.1 Calcoli teorici degli assorbimenti energetici sulle tratte ... 18

4.2.1.2 Stima degli assorbimenti di energia cinetica ... 20

4.2.1.3 Assorbimento a bordo treno corsa 1: Cinecittà - Ottaviano ... 21

4.2.1.4 Assorbimento a bordo treno corsa 2: Ottaviano – Cinecittà ... 25

4.2.1.5 Analisi riepilogativa della prova ... 29

4.2.1.6 Confronto tra calcoli teorici e dati misurati: confronto tra stima della energia cinetica e misura dell’energia elettrica assorbita ... 31

4.3 Prove tipo B – Esercizio Controllato ... 33

4.3.1 Misure a bordo treno ... 34

4.3.2 Misure a bordo... 34

4.4 Prove tipo C – Esercizio Reale ... 41

4.4.1 Misura dell’energia: analisi mediante parametri elettrici ... 41

4.4.2 Misura dell’energia: analisi riepilogativa per tratta ... 46

4.4.3 Misura dell’energia: analisi riepilogativa per corsa ... 49

4.5 Elaborazione ed analisi dei dati da “Rilevamento Treno” ... 51

5. Linee Regionali ... 63

5.1.1 Descrizione ... 63

5.1.2 Metodologia... 66

5.1.3 Confronti ... 66

3

5.1.1 Scenario offset = 5” ... 70

5.1.2 Scenario offset = 15” ... 72

5.1.3 Scenario offset = 20” ... 74

5.1.4 Scenario offset = 30” ... 76

5.1.5 Riepilogo degli scenari analizzati... 79

6. Conclusioni e possibili sviluppi ... 81

7. Riferimenti ... 83

4

2. Premessa

Il tema del recupero dell’energia in ambito ferroviario è sempre stato considerato di grande importanza sin dagli albori della ferrovia. L’inerzia che hanno le grandi masse in movimento dei veicoli ha suggerito ai progettisti il riutilizzo di questa energia che altrimenti deve essere dissipata per l’arresto dei veicoli o tramite freni meccanici oppure elettricamente. Si è passati dai sistemi funicolari, dove il veicolo in discesa andava parzialmente a trainare il veicolo in salita, all’adozione di linee trifase nei valichi appenninici consentendo il recupero dell’energia generata dai motori in discesa a costo di una notevole complessità negli impianti fissi. Più recentemente, con l’avvento dell’elettronica di trazione, si è passati, in normali condizioni di esercizio, dove il recupero di energia tra veicolo e veicolo dipende dal distanziamento e dalla sincronizzazione delle fasi di trazione e frenatura, a sistemi che possano recuperare l’energia cedendola alla linea se è presente un utilizzatore in assorbimento, oppure dissiparla, parzialmente o per intero, nelle resistenze di frenatura. Ulteriori passi avanti sono stati fatti per consentire il recupero in condizioni di esercizio sfavorevoli: sono stati proposti sistemi meccanici a volano, sistemi di accumulo chimico e a super condensatori sia posizionati a bordo treno, sia in stazione e sistemi di riutilizzo dell’energia in rete tramite sottostazioni elettriche (SSE) reversibili.

In Di Mario [2] è stato analizzato l’impatto della frenatura a recupero sul consumo energetico, confrontando i valori di consumo con e senza recupero di energia in frenatura, comparando i risultati del coefficiente di recupero CR del modello con dei valori misurati, definito come rapporto tra Energia recuperata (ER) ed Energia assorbita (EF):

𝐶𝑅 =

𝐸

𝐸

=

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑐𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑎

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎𝑠𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑡𝑎

La ricerca ha riguardato in primis sulla capacità di recupero. La quantità di energia che può essere recuperata è stata quantificata andando a caratterizzare ciò che non può essere recuperato. Il calcolo da dati sperimentali della curva di resistenza al moto in funzione della velocità, durante le fasi di accelerazione e velocità costante, ha fornito una prima indicazione dell’energia che viene dissipata sotto forma di calore per attrito (Figura 1). L’energia meccanica corrispondente all’energia cinetica a velocità massima, al netto dei rendimenti e delle resistenze, è la massima energia recuperabile. Sono stati sperimentalmente ottenuti dei dati di energia meccanica recuperabile, relativi ad una convenzione di ricerca tra Atac spa ed il Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile ed Ambientale (Dicea) dell’Università di Roma La Sapienza.

5

Figura 1 Bilancio energetico tipico di un sistema ferroviario metropolitano, da González-Gil et alii.[17]

3. Inquadramento della ricerca

In [1] vengono analizzati due modelli di risparmio energetico nelle metropolitane. Il primo modello analizza i trasferimenti di energia da treno a treno partendo da semplificazioni come tempo di sosta alle fermate costante ed uguale tra tutti i treni e velocità massima ottenuta indipendentemente dalle caratteristiche del tracciato. Il secondo modello, applicato ad un caso generico ed al caso di studio della linea A di Roma, ha l’obiettivo di stimare il coefficiente di recupero in funzione del distanziamento temporale tra le partenze.

6

Figura 2 Metodi e tecnologie di efficienza energetica nei sistemi ferroviari. Da González-Gil et alii.[17].

In Figura 2 [17] viene illustrato uno schema che caratterizza lo stato dell’arte in quanto ad efficienza energetica nei sistemi ferroviari, mettendo in relazione i provvedimenti di esercizio (Operation) e le tecnologie (Technologies) con l’ambito di applicazione (intero sistema, infrastruttura o materiale rotabile). In Figura 3 viene riproposto da [17] uno schema che illustra le diverse misure relazionando il costo di investimento e i benefici attesi. Si nota come le ottimizzazioni dell’orario, ovvero l’applicazione di provvedimenti organizzativi, offrono, insieme ai provvedimenti di eco-driving, delle soluzioni a medio potenziale ma costo contenuto. Gli investimenti sulle sottostazioni offrono invece alti potenziali di recupero ma a fronte di investimenti rilevanti.

In [4] vengono analizzati i diversi sistemi di recupero di energia (accumulatori al piombo, litio, nickel, supercondensatori, meccanici a volano, etc..) sia dal punto di vista delle prestazioni, come ad esempio l’efficienza e la durabilità in numero di cicli, sia dal punto di vista economico, inteso come costo per kWh e dal punto di vista dell’ingombro. Sono trattati i sistemi di recupero a terra sia con immagazzinamento di energia sia tramite riconversione in sottostazioni reversibili e vengono presentate brevemente delle applicazioni delle suddette tecnologie.

In [5] vengono illustrati vari casi riguardanti sia l’immagazzinamento di energia a terra e bordo treno, sia il riuso dell’energia in tempo reale. Viene poi illustrato un algoritmo genetico che ottimizza il coordinamento di tutti i treni con profili di velocità realistici senza incidere sul tempo giro e sul numero di treni. Il caso di studio riguarda la Yizhuang Line della rete metropolitana di Pechino.

7

Figura 3 Comparazione delle misure per sistemi ferroviari urbani già esistenti. Da González-Gil et alii.[17].

3.1

Principali obiettivi

Gli obiettivi principali dello studio è la valutazione della possibilità di recupero in funzione della tipologia di esercizio su linee ferroviarie alimentate in corrente continua. Questo in assenza di particolari provvedimenti tecnologici, come l’adozione di SSE reversibili o sistemi di accumulo di energia meccanici, chimici o a condensatori sia a bordo treno che a terra.

Si vuole indagare la possibilità di sincronizzare gli istanti di trazione e frenatura di treni che possano trovarsi in condizione di scambiarsi energia agendo in prima istanza sull’orario di servizio, applicando leggeri scostamenti agli istanti di partenza dalle stazioni, senza tuttavia andare a modificare le esigenze di esercizio. Il diagramma di potenza tipico di una tratta di una linea metropolitana, con stazioni molto ravvicinate, è illustrato in Figura 4, dove è rappresentata la potenza in viola e la velocità in arancio. In una prima fase si ha un aumento lineare della potenza fino ad un valore massimo ed una fase discendente comandata dal macchinista per rendere meno brusco il raggiungimento della velocità massima, raggiunta poco dopo il taglio della trazione. A questo punto si ha una fase di deriva o coasting, dove non viene applicata forza di trazione ma il treno procede nella marcia grazie all’inerzia. La velocità diminuisce per via delle resistenze al moto. In questa fase gli unici valori di potenza assorbita registrati sono riferiti al consumo dei gruppi ausiliari che alimentano le utenze del treno stesso: luci, aria condizionata, sistemi di bordo, ventilazione inverter, caricabatterie, tra i principali. Successivamente inizia la fase di frenatura: gli elettrotreni dotati di più assi motori sfruttano la possibilità di utilizzare i motori in modalità inversa per la frenatura elettrica.

8 Si vede come la velocità diminuisce e la potenza inizia ad assumere valori negativi, secondo la convenzione di segno per la corrente, questa volta uscente dai motori verso gli inverter e diretta, oltre che verso i gruppi ausiliari (recupero interno), verso i pantografi e la linea di contatto se sono presenti le condizioni di ricettività della linea, ovvero se si è in presenza di altri utilizzatori a distanza non troppo elevata, oppure verso i reostati di frenatura, in genere posti sull’imperiale del treno per la trasformazione di questa potenza in calore e permettere la sua dispersione nell’ambiente. Una volta raggiunto il picco negativo di potenza si ha un decremento della potenza comandato dal macchinista per avere una decelerazione più confortevole fino a veicolo fermo. In genere la frenatura elettrica è possibile fino a velocità prossime a quella nulla (in questo caso fino a 5 km/h) dopodiché è necessario far intervenire (in maniera del tutto automatizzata) la frenatura pneumatica.

Figura 4 Andamento di velocità e potenza assorbita e rigenerata di un convoglio CAF.

4. Metropolitane

Sono stati acquisiti ed elaborati dati riguardanti due casi di studio: il primo, trattato in questo capitolo, riguarda la metropolitana di Roma linea A, dove sono stati acquisiti dati a bordo treno in tre differenti campagne di misura. Il secondo, trattato nel capitolo successivo, riguarda la tratta metropolitana della linea ferroviaria FL3 Viterbo – Cesano – Roma, tra le stazioni di La Storta e Valle Aurelia con dati ottenuti tramite simulazione ed elaborazioni successive. Questi due casi di studio riguardanti ambiti differenti hanno permesso di analizzare il problema del recupero dell’energia di frenatura e di osservare gli effetti di un possibile lieve intervento alla programmazione del servizio.

4.1

Descrizione

I rilievi sperimentali sono stati condotti nelle ore notturne, in interruzione di servizio, e durante il servizio diurno in ora di punta e in ora di morbida. Sono stati effettuati rilievi, simulando il normale

9 servizio con sosta e apertura porte in tutte le stazioni, riguardanti la circolazione di un treno isolato e la circolazione di due soli treni in un tratto limitato della linea, nella zona di alimentazione di una sola SSE.

4.1.1 Dati generali del treno

L’unica tipologia di convoglio in esercizio sulla linea A della Metropolitana di Roma appartiene alla Serie CAF MA300: è costituito da due unità di trazione, ognuna delle quali è costituita da 2 Casse motrici (M1 ed M2) e su cui sono installati 8 motori asincroni trifase (2 motori per carrello, comandati e controllati dal sistema di azionamento della trazione in gruppi di 4), e 1 Cassa rimorchiata con cabina di guida (RCP) (Figura 5). La potenza totale del treno è di 2.8 MW continuativi (175 kW a motore per 16 motori a treno completo) e di 3.1 MW di potenza oraria (195 kW a motore). In Figura 6 è riportato il rilievo su test track.

Il carrello motore è dotato di due motori di trazione e di un sistema di frenatura con un disco freno per asse. Il carrello portante è invece dotato di due dischi freno per asse.

Nel suo complesso per il treno è stata considerata una massa di 180.21 t, mentre le masse rotanti ammontano a 21.988 t (valori desunti per analogia dal treno MA300 n°38 del quale era disponibile un dettagliato report di pesatura statica, mentre le masse rotanti sono state desunte dalla scheda tecnica di un rotabile del tutto analogo il CAF MB400 in uso sulla linea B della metropolitana di Roma). I dati utilizzati per le elaborazioni, elencati in Tabella 1, sono stati estratti dalle Vehicle Control Unit (VCU) in acquisizione continua su un pc portatile, con un intervallo di campionamento di default di 192ms. Le due VCU, poste nelle cabine di guida, alle estremità del treno, ricevono le informazioni sullo stato degli elementi del resto delle vetture. Da notare che il sistema diagnostico del treno prevede la presenza di contatori di assorbimento e di rigenerazione di energia per ognuno dei 4 azionamenti inverter. Tali contatori hanno una risoluzione di 10 kWh.

10

11

Figura 6 Caratteristica meccanica misurata in test track del CAF MA300. Tabella 1 Elenco dei parametri di esercizio registrati durante i test.

 Velocità − (𝑣);  Accelerazione – (𝑎);

 Tensione linea A, B − (𝑉 , 𝑉 );  Corrente linea A, B − (𝐼 , 𝐼 );

 Corrente gruppi ausiliari A, B − (𝐼 , 𝐼 );

 Tensione filtro inverter 1A, 1B, 2A, 2B − (𝑉 𝑐𝑜𝑛 𝑖 = {1𝐴; 2𝐴; 1𝐵; 2𝐵});  Corrente filtro Inverter 1A, 1B, 2A, 2B − (𝐼 𝑐𝑜𝑛 𝑖 = {1𝐴; 2𝐴; 1𝐵; 2𝐵});  Sforzo di trazione all’inverter 1A, 1B, 2A, 2B – (𝑆 𝑐𝑜𝑛 𝑖 = {1𝐴; 2𝐴; 1𝐵; 2𝐵});  Scatti contatore energia assorbita inverter 1A, 1B, 2A, 2B;

 Scatti contatore energia rigenerata inverter 1A, 1B, 2A, 2B;

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Sf or zo d i T ra zi on e [k N ] Velocità [km/h]

12 4.1.2 La Linea A della Metropolitana di Roma ed esecuzione delle prove

Figura 7 Le linee A e B della metropolitana di Roma. (Fonte: Atac)

Le prove sperimentali hanno riguardato la linea A della Metropolitana di Roma (Figura 7) con tre tipologie di prove:

 Prove di tipo A con marcia di un treno isolato in linea nel tratto Ottaviano – Cinecittà;  Prove di tipo B con due treni in Esercizio Controllato nel tratto Battistini – Ottaviano,

entrambe svolte in orario notturno in interruzione di esercizio;  Prove di tipo C, svolte su tutta la linea durante il normale esercizio.

Nel grafico in Figura 8 è rappresentato l’andamento altimetrico della Linea A, partendo da Battistini verso Anagnina. Le quote riportate sono in relazione al punto di minimo della linea ottenuto nei pressi della stazione Ottaviano.

13

Figura 8 Andamento altimetrico della linea (0 di riferimento a Ottaviano).

4.1.3 Il sistema elettrico di alimentazione

Il sistema di alimentazione della linea A, prevede che dalle sbarre di due cabine primarie dell’Azienda Elettrica Comunale (ACEA) di Val Cannuta e Cinecittà, siano derivati due collegamenti a 20 kV che si attestano nelle SSE terminali della linea rispettivamente di Battistini e Cinecittà.

Dalle due SSE si diparte la rete di distribuzione a 20 kV, che alimenta in “entra – esce” le restanti 4 SSE di Cipro, Flaminio, Vittorio Emanuele e Arco di Travertino che costituiscono il sistema (Figura 9).

Figura 9 Sistema elettrico di alimentazione della linea A.

In caso di fuori servizio di uno dei centri ACEA presso le SSE terminali, subentra la resa ACEA di Flaminio - Villa Borghese baricentrica alla linea, mantenendo lo stesso livello di fornitura elettrica. La linea di contatto della linea A, di tipo a catenaria elastica, costituita da fili, corde ed alimentatori, presenta una sezione complessiva di 860 mm².

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 qu ot a [m ] progressive [km]

14 4.1.4 Metodo di calcolo

Partendo dai dati misurati è stato possibile calcolare i valori di interesse per le valutazioni energetiche oggetto dello studio. In particolare sono state calcolate le potenze assorbite a livello dei pantografi, dei convertitori statici per i servizi ausiliari e degli inverter di trazione (misura eseguita a livello dei filtri in ingresso agli inverter), ed i relativi consumi energetici in relazione al periodo di acquisizione. I valori ottenuti sono stati analizzati in forma grafica e se ne riportano i più significativi.

Le relazioni utilizzate per ottenere i valori nei grafici sono:1

𝑃 = 𝑉 × 𝐼 + 𝑉 × 𝐼 𝑐𝑜𝑛 𝑃 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑉 , 𝑉 = 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑑𝑖 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 𝑟𝑖𝑙𝑒𝑣𝑎𝑡𝑎 𝑛𝑒𝑙𝑙 𝑢𝑛𝑖𝑡à 𝑑𝑖 𝑡𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝐴 𝑜 𝐵 𝐼 , 𝐼 = 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑖 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 𝑟𝑖𝑙𝑒𝑣𝑎𝑡𝑎 𝑛𝑒𝑙𝑙 𝑢𝑛𝑖𝑡à 𝑑𝑖 𝑡𝑟𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝐴 𝑜 𝐵 𝑃 = 𝑉 × 𝐼 { ; ; ; } 𝑐𝑜𝑛 𝑃 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑎𝑠𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑡𝑎 𝑎𝑖 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑖 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑒𝑟 𝑉 = 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑟𝑖𝑙𝑒𝑣𝑎𝑡𝑎 𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑒𝑟 𝑖 − 𝑒𝑠𝑖𝑚𝑜 𝐼 = 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑟𝑖𝑙𝑒𝑣𝑎𝑡𝑎 𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑒𝑟 𝑖 − 𝑒𝑠𝑖𝑚𝑜 𝑃 = 𝑆 × 𝑣 { ; ; ; } 𝑐𝑜𝑛 𝑃 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑚𝑒𝑐𝑐𝑎𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑆 = 𝑆𝑓𝑜𝑟𝑧𝑜 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑒𝑟 𝑖 − 𝑒𝑠𝑖𝑚𝑜 𝑣 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡à 𝑃 = 𝑉 × 𝐼 + 𝑉 × 𝐼 𝑐𝑜𝑛 𝑃 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑧𝑎 𝑎𝑠𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑡𝑎 𝐴𝑢𝑠𝑖𝑙𝑖𝑎𝑟𝑖 𝐼 , 𝐼 = 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑎𝑢𝑠𝑖𝑙𝑖𝑎𝑟𝑖 𝐴, 𝐵

È stata calcolata dalla potenza assorbita ai pantografi per il tempo del test.

𝐸 = (𝑃 ) 𝑑𝑡 ≅ 𝑉 × 𝐼 × ∆𝑡

{ ; }

𝑐𝑜𝑛 𝐸 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎𝑠𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑡𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑇 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑣𝑎

L’andamento della resistenza al moto (R) del treno è stato ottenuto a partire dall’equazione del moto: 𝐹 = 𝑚(1 + 𝛿)∆𝑣

∆𝑡+ 𝑅 Da cui si ricava:

𝑅 = 𝐹 − 𝑚(1 + 𝛿)∆𝑣

∆𝑡 𝑐𝑜𝑛 𝐹 = { , }𝑆

La massa, e la relativa maggiorazione dovuta alle masse rotanti (𝛿), sono state assunte, per analogia, pari a quelle del treno n°38, del quale si disponeva di dettagliata documentazione di pesatura statica,

1 _{Si rammenta che le lettere A e B fanno rifermento ai valori registrati nelle rispettive unità di trazione; ad esempio il}

valore “Tensione Linea A” fa riferimento al valore di tensione della linea di contatto letto dal trasduttore al pantografo dell’Unità di Trazione (semitreno) A.

15 mentre il termine F è la somma degli sforzi di trazione dedotti dalla VCU. L’accelerazione è calcolata come rapporto delle differenze di velocità (∆𝑉) nell’unità di tempo (∆𝑡).

La resistenza teorica adottata, con la quale confrontare i dati sperimentali, è comunemente usata in applicazioni metropolitane. La formulazione seguente, proposta da Borisowski, è di tipo trinomio ed esprime la resistenza specifica (per unità di peso) di rotabili per servizi di metropolitana

𝑟 N

kN = 3.37 + 0.0648 𝑉 + 0.001345 𝑉 dove la velocità del convoglio V è espressa in [km/h].

La resistenza propria del treno MA300, è il prodotto della resistenza specifica per il peso dello stesso (𝑚 × 𝑔 con massa espressa in tonnellate)

𝑅 [𝑘𝑁] =𝑟 × 𝑚 × 𝑔 1000 4.1.5 Calcolo delle resistenze al moto

In Figura 10 e Figura 11 sono riportati gli andamenti delle resistenze al moto rilevate nelle ultime due corse della sessione di prova sul test track in deposito, percorse in direzione opposta e la resistenza teorica di Borisowski per confronto.

Dall’analisi degli andamenti dei risultati sperimentali si notano differenze relative ai due versi di percorrenza probabilmente dovute all’andamento plano altimetrico (del quale non si conosce l’effettivo andamento). Inoltre si nota una variabilità intorno ai 35 – 40 km/h analoga a quella rilevata nei valori della caratteristica meccanica (cfr. Figura 6) dove si ha una zona di transizione caratterizzata da segnale rumoroso. Tale variabilità ha certamente una origine di natura elettrica, essendo da escludere la possibilità di variazione così repentina di parametri meccanici. Per questo motivo, i segnali relativi agli sforzi di trazione utilizzati per il calcolo delle resistenze sono stati filtrati in media mobile a 15 periodi.

L’andamento rilevato risulta crescente con la velocità coerentemente con la formula teorica. Le differenze tra i valori teorici e valori rilevati potrebbero essere attribuite alle incertezze sui valori degli sforzi di trazione registrati.

Da entrambe le figure però pare evidente come i valori di resistenza siano per larga parte negativi. A livello di equazione della trazione ciò vuol dire che la componente inerziale 𝑚(1 + 𝛿)∆

∆ è maggiore

della somma degli sforzi di trazione F.

Si è dunque ipotizzato, in questa specifica analisi, che i valori di sforzo misurati dalla VCU, siano incrementati di un valore che permetta ai valori di resistenza calcolati di assumere segno positivo, ed essere coerenti con i rispettivi valori teorici. Per questo motivo nelle figure successive (Figura 12 e

16 Figura 13) viene riportato un ulteriore grafico di resistenze con la forza di trazione F incrementata del 6.5%.

Figura 10 Resistenze al moto su Test Track corsa 9

Figura 11 Resistenze al moto su Test Track corsa 10

-10.0 -7.5 -5.0 -2.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Re si st en za [k N ] Velocità [km/h]

resistenza teorica [kN] RESISTENZA R = F -m'*a [kN]

-10 -5 0 5 10 15 20 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Re si st en za [k N ] Velocità [km/h]

17

Figura 12 Resistenze al moto con sforzo di trazione incrementato del 6.5%. Prova su Test Track, corsa 9

Figura 13 Resistenze al moto con sforzo di trazione incrementato del 6.5%. Prova su Test Track, corsa 10

-10.0 -7.5 -5.0 -2.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Re si st en za [k N ] Velocità [km/h]

resistenza teorica [kN] RESISTENZA R = c*F -m'*a [kN] con c = 1.065

-10 -5 0 5 10 15 20 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Re si st en za [k N ] Velocità [km/h]

18

4.2 Prove tipo A – Treno Isolato

Le prove di Tipo A hanno previsto l’effettuazione di 3 corse di andata e ritorno sulla linea A, effettuate nella notte tra il 31 marzo ed il 1 aprile 2016 in regime di sospensione dall’esercizio simulando il normale esercizio con arresto e ripartenza in tutte le fermate. Questa condizione, insieme al requisito che ulteriori treni presenti in stabling nei tronchini non avessero i pantografi in presa, garantisce l’attribuzione esclusiva degli assorbimenti energetici dalla linea di contatto al solo treno oggetto della prova, rendendo inoltre impossibile la possibilità di recupero all’esterno del treno stesso.

Sono state acquisite misure dei parametri dinamici ed energetici per 3 corse-prova di andata e ritorno2_.

Le corse-prova sono state effettuate sulla parte della linea che si estende tra le fermate Cinecittà e Ottaviano.

4.2.1 Verifica mediante calcolo teorico delle misure di energia elettrica 4.2.1.1 Calcoli teorici degli assorbimenti energetici sulle tratte

Al fine di ottenere valori di riferimento teorici, è stata calcolata l’Energia totale teoricamente necessaria per un ciclo di moto semplificato, costituita dalle seguenti componenti: Energia Cinetica (Ecin nell’ipotesi di accelerazione costante nello spazio di avviamento); l’energia utilizzata per vincere

le resistenze al moto (Er con resistenza specifica al rotolamento pari a 3.37 N/kN supposta costante

con la velocità, agente su tutta la lunghezza della tratta (L)) e l’Energia utilizzata per affrontare le livellette (Ei, supposta costante per tutta la tratta tra due stazioni successive) che, nel caso di discese

(i<0) assume segno negativo e viene sottratta dal computo dell’Energia totale (Etot). Le formule con

le quali sono state ottenuti questi valori di energia sono: 𝐸 = 𝑚 × 𝑎 × 𝐿 3600 [𝑘𝑊ℎ] 𝐸 = 𝑟 × 𝑚 × 𝑔 3600 × 𝐿 1000 [𝑘𝑊ℎ] 𝐸 =𝑖 × 𝑚 × 𝑔 × 3600 × 𝐿 1000[𝑘𝑊ℎ] 𝐸 = 𝐸 + 𝐸 + 𝐸 [𝑘𝑊ℎ] 𝑐𝑜𝑛 𝐿 = 𝑆𝑝𝑎𝑧𝑖𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑜𝑟𝑠𝑜 𝐿 = 𝑆𝑝𝑎𝑧𝑖𝑜 𝑑𝑖 𝑎𝑣𝑣𝑖𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜

dall’energia totale, dividendo per lo spazio percorso, si è ricavato l’assorbimento specifico per chilometro:

𝐸 = 𝐸

𝐿/1000 [𝑘𝑊ℎ/𝑘𝑚]

Sono state calcolate anche la Forza di trazione necessaria e la Potenza Meccanica, secondo le formule: 𝐹 = 𝑚 × 𝑎 + (𝑟 + 𝑖) × 𝑚 × 𝑔

1000 [𝑘𝑁]

𝑃 = 𝐹 × 𝑉

3.6[𝑘𝑊]

A causa della pendenza prevalentemente ascendente nel senso dispari, l’assorbimento specifico totale risulta maggiore in direzione Anagnina, con punte fino a oltre 28 kWh/km per le tratte più brevi, mentre nel senso pari si superano i 25 kWh/km solo in un caso. Va considerato inoltre, che questo

19 calcolo, riportato in Tabella 2, è riferito esclusivamente alla quota di assorbimenti energetici necessari alla realizzazione del moto, e non vengono considerate né la quota relativa agli assorbimenti per i servizi ausiliari né l’eventuale recupero di energia.

Tabella 2 Assorbimento di energia cinetica teorico a partire dalle velocità massime mediamente tenute nelle tre corse prova per senso di marcia.

a [m/s²] m [t] δ m'[t] r [N/kN] V PCost [km/h]

1.0 180.21 12% 202.2 3.37 60

Spazio [m] Savv [m] V [km/h] Ecin [kWh] Er [kWh] i [‰] Ei [kWh] Etot [kWh] Ekm [kWh/km]

1 Anagnina Cinecittà 1315 247 80 12.4 2.2 -6.7 -4.8 9.7 7

2 Cinecittà Subaugusta 621 224 80 13.9 1.1 -1.4 -0.2 14.8 24

3 Subaugusta Giulio Agricola 631 224 80 13.9 1.1 1.2 0.1 15.1 24

4 Giulio Agricola Lucio Sestio 470 177 70 10.9 0.8 7.5 0.7 12.5 26

5 Lucio Sestio Numidio Quadrato 477 208 75 12.8 0.8 1.9 0.2 13.9 29

6 Numidio Quadrato Porta Furba 497 187 75 11.5 0.9 10.1 1.0 13.4 27

7 Porta Furba Arco di Travertino 1072 99 55 6.1 1.8 -3.2 -0.2 7.8 7

8 Arco di Travertino Colli Albani 549 187 75 11.5 0.9 4.5 0.5 13.0 24

9 Colli Albani Furio Camillo 974 224 80 13.9 1.7 9.8 1.2 16.8 17

10 Furio Camillo Pontelungo 449 135 60 8.3 0.8 -4.8 -0.4 8.7 19

11 Pontelungo Re di Roma 491 167 70 10.3 0.8 10.1 0.9 12.1 25

12 Re di Roma S. Giovanni 605 187 75 11.5 1.0 2.7 0.3 12.9 21

13 S. Giovanni Manzoni 502 88 50 5.4 0.9 1.5 0.1 6.4 13

14 Manzoni Vittorio Emanuele 565 224 80 13.9 1.0 -5.3 -0.7 14.2 25

15 Vittorio Emanuele Termini 812 187 75 11.5 1.4 -2.5 -0.3 12.7 16

16 Termini Repubblica 375 81 50 5.0 0.6 23.5 1.0 6.7 18 17 Repubblica Barberini 744 144 65 8.9 1.3 19.0 1.5 11.7 16 18 Barberini Spagna 404 131 60 8.1 0.7 -2.4 -0.2 8.6 21 19 Spagna Flaminio 910 213 80 13.2 1.6 -5.0 -0.6 14.2 16 20 Flaminio Lepanto 923 84 50 5.2 1.6 12.5 0.6 7.4 8 21 Lepanto Ottaviano 697 148 65 9.2 1.2 1.0 0.1 10.4 15 22 Ottaviano Cipro 1003 117 55 5.8 1.7 10.8 5.3 12.8 13

23 Cipro Valle Aurelia 765 189 70 9.5 1.3 14.5 5.4 16.2 21

24 Valle Aurelia Baldo degli Ubaldi 699 247 80 12.4 1.2 2.9 1.0 14.5 21

25 Baldo degli Ubaldi Cornelia 727 217 75 10.9 1.2 24.4 8.7 20.8 29

26 Cornelia Battistini 1140 217 75 10.9 1.9 3.6 2.0 14.7 13

18417 4553 69 266.8 31.3 4.60 23.5 321.6 17.46

Spazio [m] Savv [m] V [km/h] Ecin [kWh] Er [kWh] i [‰] Ei [kWh] Etot [kWh] Ekm [kWh/km]

26 Battistini Cornelia 1140 163 65 8.2 1.9 -3.6 -2.0 8.0 7

25 Cornelia Baldo degli Ubaldi 727 24 25 1.2 1.2 -24.4 -8.7 -6.3 -9

24 Baldo degli Ubaldi Valle Aurelia 699 189 70 9.5 1.2 -14.1 -4.8 5.8 8

23 Valle Aurelia Cipro 765 217 75 10.9 1.3 -12.6 -4.7 7.4 10

22 Cipro Ottaviano 1003 117 55 5.8 1.7 -2.4 -1.2 6.3 6 21 Ottaviano Lepanto 697 148 65 9.2 1.2 1.0 0.1 10.4 15 20 Lepanto Flaminio 923 84 50 5.2 1.6 12.5 0.6 7.4 8 19 Flaminio Spagna 910 213 80 13.2 1.6 -5.0 -0.6 14.2 16 18 Spagna Barberini 404 131 60 8.1 0.7 -2.4 -0.2 8.6 21 17 Barberini Repubblica 744 144 65 8.9 1.3 19.0 1.5 11.7 16 16 Repubblica Termini 375 81 50 5.0 0.6 23.5 1.0 6.7 18

15 Termini Vittorio Emanuele 812 187 75 11.5 1.4 -2.5 -0.3 12.7 16

14 Vittorio Emanuele Manzoni 565 224 80 13.9 1.0 -5.3 -0.7 14.2 25

13 Manzoni S. Giovanni 502 88 50 5.4 0.9 1.5 0.1 6.4 13

12 S. Giovanni Re di Roma 605 187 75 11.5 1.0 2.7 0.3 12.9 21

11 Re di Roma Pontelungo 491 167 70 10.3 0.8 10.1 0.9 12.1 25

10 Pontelungo Furio Camillo 449 135 60 8.3 0.8 -4.8 -0.4 8.7 19

9 Furio Camillo Colli Albani 974 224 80 13.9 1.7 9.8 1.2 16.8 17

8 Colli Albani Arco di Travertino 549 187 75 11.5 0.9 4.5 0.5 13.0 24

7 Arco di Travertino Porta Furba 1072 99 55 6.1 1.8 -3.2 -0.2 7.8 7

6 Porta Furba Numidio Quadrato 497 187 75 11.5 0.9 10.1 1.0 13.4 27

5 Numidio Quadrato Lucio Sestio 477 208 75 12.8 0.8 1.9 0.2 13.9 29

4 Lucio Sestio Giulio Agricola 470 177 70 10.9 0.8 7.5 0.7 12.5 26

3 Giulio Agricola Subaugusta 631 224 80 13.9 1.1 1.2 0.1 15.1 24

2 Subaugusta Cinecittà 621 224 80 13.9 1.1 -1.4 -0.2 14.8 24 1 Cinecittà Anagnina 1315 247 80 12.4 2.2 6.7 4.8 19.4 15 18417 4276 67 253.0 31.3 0.70 -10.6 273.6 14.86 Tratta Tratta Totale Totale

20 4.2.1.2 Stima degli assorbimenti di energia cinetica

La stima dell’energia cinetica, assorbita dal treno, può essere considerato un valido indicatore dell’energia elettrica necessaria per alimentare le fasi di trazione del rotabile. Il valore dell’energia cinetica spesa per il moto dipende dalla massa del convoglio MA300 e dalla velocità massima stimata. In Figura 14 e in Figura 15 sono state riportate le velocità registrate durante le prove di tipo A tra Subaugusta e Ottaviano. Le lievi differenze di velocità al variare delle sei corse sono dovute al comportamento del macchinista. Un’unica differenza si nota in Figura 15 nella corsa 6 sulla tratta Subaugusta - Cinecittà al termine della quale il convoglio ha proseguito in direzione del deposito. Una differenza sostanziale nei grafici di si nota tra i valori massimi calcolati in funzione della velocità, al variare del senso di marcia probabilmente dovuto all’andamento plano altimetrico.

Figura 14 Analisi dei valori delle velocità medie pesate su ogni tratta percorsa dal convoglio MA300 tra le fermate di Cinecittà e di Ottaviano. 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 Ve lo ci tà M as si m a Su lla T ra tt a [k m /h ]

Velocità massima sulla tratta Cinecittà-Ottaviano

21

Figura 15 Analisi dei valori delle velocità medie pesate su ogni tratta percorsa dal convoglio MA300 tra le fermate di Ottaviano e di Cinecittà.

4.2.1.3 Assorbimento a bordo treno corsa 1: Cinecittà - Ottaviano

A seguire sono mostrate le elaborazioni, in forma di diagramma in funzione del tempo, relative alla prima delle sei corse effettuate, nello specifico, nella tratta tra le stazioni di Cinecittà ed Ottaviano. In Figura 16 si evidenziano le fasi di moto rilevate nel diagramma velocità - tempo.

In Figura 17 è evidenziato il diagramma della potenza totale assorbita durante la corsa. La relazioni adoperate per generare i grafici seguenti sono analoghe a quelle introdotte ed utilizzate nei paragrafi precedenti.

In Figura 18, è evidenziato il diagramma della potenza totale misurata in corrispondenza degli inverter del convoglio MA300 durante la corsa in funzione del tempo. Si nota in questo diagramma come siano presenti valori di potenza a segno negativo relativi al recupero di energia interno al treno stesso, non essendo possibile la reimmissione di energia in linea proprio per le caratteristiche della prova. In Figura 19 ed in Figura 20 sono riportati rispettivamente il diagramma della potenza meccanica calcolata dal prodotto tra sforzo di trazione e velocità del treno, e il diagramma della potenza elettrica calcolata sulla base dei dati misurati a bordo del convoglio e relativi ai convertitori ausiliari.

Infine in Figura 21 è riportato il diagramma della energia totale assorbita durante la corsa in funzione del tempo e, in rosso, la velocità corrispondente.

Da questi andamenti si può notare una breve sosta nella stazione Termini durante la quale è stato disposto un salvataggio dei file acquisiti. Da notare che l’ingresso nella stazione Ottaviano è avvenuto in deviata con conseguente riduzione di velocità all’approccio degli scambi.

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 Ve lo ci tà M as si m a Su lla T ra tt a [k m /h ]

Velocità massima sulla tratta Ottaviano-Cinecittà

22

Figura 16 Velocità corsa 1 in funzione del tempo [s]

Figura 17 Potenza totale al pantografo corsa 1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 Ve lo ci tà [k m /h ] -5250 -5000 -4750 -4500 -4250 -4000 -3750 -3500 -3250 -3000 -2750 -2500 -2250 -2000 -1750 -1500 -1250 -1000-750 -500 -2500 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 Po te nz a [k W ] Tempo [s]

23

Figura 18 Potenza filtri corsa 1

Figura 19 Potenza meccanica (sforzo x velocità) corsa 1

-5250 -5000 -4750 -4500 -4250 -4000 -3750 -3500 -3250 -3000 -2750 -2500 -2250 -2000 -1750 -1500 -1250 -1000-750 -500 -2500 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 Po te nz a [k W ] Tempo [s] -5250 -5000 -4750 -4500 -4250 -4000 -3750 -3500 -3250 -3000 -2750 -2500 -2250 -2000 -1750 -1500 -1250 -1000-750 -500 -2500 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 Po te nz a [k W ] Tempo [s]

24

Figura 20 Potenza ausiliari corsa 1

Figura 21 Energia -Velocità corsa 1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 Po te nz a [k W ] Tempo [s] 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 Tempo [s] Ve lo ci tà [k m /h ] En er gi a [k W h]

25 4.2.1.4 Assorbimento a bordo treno corsa 2: Ottaviano – Cinecittà

A seguire, analogamente a quanto già visto per la corsa 1, viene riportata la medesima analisi svolta per la corsa 2. Nell’ordine sono proposti i seguenti andamenti in funzione del tempo: in Figura 22 l’andamento delle velocità nel tempo, in Figura 23 l’andamento della potenza assorbita dalla linea, in Figura 24 la potenza assorbita ai filtri Inverter di trazione, in Figura 25 l’andamento della potenza meccanica funzione dello sforzo di trazione e della velocità, in Figura 26 l’andamento della potenza assorbita dai convertitori statici per i servizi ausiliari, infine in Figura 27 l’andamento dell’energia confrontato con l’andamento delle velocità sulla tratta.

Anche in questo caso alla fermata Termini vi è stata una breve sosta per la memorizzazione dei dati acquisiti durante il moto. Da notare che l’ingresso nella stazione Cinecittà è avvenuto in deviata con conseguente riduzione di velocità nell’approccio ai deviatoi di variazione dell’itinerario.

26

Figura 22 Velocità corsa 2 in funzione del tempo [s]

Figura 23 Potenza totale ai pantografi corsa 2

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 En er gi a [k W h] -5250 -5000 -4750 -4500 -4250 -4000 -3750 -3500 -3250 -3000 -2750 -2500 -2250 -2000 -1750 -1500 -1250 -1000-750 -500 -2500 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 Po te nz a [k W ] Tempo [s]

27

Figura 24 Potenza filtri corsa 2

Figura 25 Potenza meccanica (sforzo x velocità) corsa 2

-5250 -5000 -4750 -4500 -4250 -4000 -3750 -3500 -3250 -3000 -2750 -2500 -2250 -2000 -1750 -1500 -1250 -1000-750 -500 -2500 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 Po te nz a [k W ] Tempo [s] -5250 -5000 -4750 -4500 -4250 -4000 -3750 -3500 -3250 -3000 -2750 -2500 -2250 -2000 -1750 -1500 -1250 -1000-750 -500 -2500 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 Po te nz a [k W ] Tempo [s]

28

Figura 26 Potenza ausiliari corsa 2

Figura 27 Energia velocità corsa 2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 Po te nz a [k W ] Tempo [s] 0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Tempo [s] Ve lo ci tà [k m /h ] En er gi a [k W h]

29 4.2.1.5 Analisi riepilogativa della prova

Per ognuna delle due corse qui riportate, è stata svolta un’analisi degli assorbimenti energetici di bordo, differenziando sia le fasi di moto, sia il valore a livello di UdT.

Le tabelle che seguono offrono una visione di dettaglio delle energie, espresse in kWh.

Le misure effettuate hanno condotto alla misurazione energetica a bordo treno nelle varie fasi del moto. Le tabelle sono divise in tre gruppi sia verticalmente che orizzontalmente. Le righe indicano l’unità di trazione, o semitreno, al quale si fa riferimento, con l’ultima riga che raccoglie i totali di treno.

Le formule utilizzate, riportate in maniera sintetica con le sigle indicanti i trasduttori (cfr. Figura 5) sono: 𝑇𝐴 ∗ 𝑇𝑉 ∗ ∆𝑡 = 𝐸 = (𝑉 × 𝐼 ) { ; } 𝑑𝑡 ≅ (𝑉 × 𝐼 ) × ∆𝑡 { ; } 𝑇𝐴𝐹 ∗ 𝑇𝑉𝐹 ∗ ∆𝑡 = 𝐸 = 𝑉 × 𝐼 { ; : ; } 𝑑𝑡 ≅ ≅ 𝑉 × 𝐼 × ∆𝑡 { ; : ; } 𝑇𝐴𝐴 ∗ 𝑇𝑉 ∗ ∆𝑡 = 𝐸 = (𝑉 × 𝐼 ) { ; } 𝑑𝑡 ≅ (𝑉 × 𝐼 ) × ∆𝑡 { ; }

Le colonne disaggregano questo valore a seconda delle condizioni espresse, che possono riguardare: fasi di moto:

 fase di trazione a velocità non nulla (F>0, V≠0);  fase di frenatura (F<0)

condizioni elettriche:

 corrente circolante misurata dal trasduttore con segno positivo (𝐼 ≥ 0)

 corrente circolante misurata dal trasduttore con segno negativo (𝐼 < 0)

Durante la fase di assorbimento di corrente da parte dei motori si misura al trasduttore una corrente positiva.

Il primo gruppo di colonne raccoglie i valori totali su tutte le fasi di moto, il secondo gruppo di colonne riguarda le fasi di trazione, con assorbimento di corrente da parte dei motori, ed infine il terzo gruppo di colonne riguarda le fasi di moto a sforzo di trazione negativo e quindi nella condizione di generazione di corrente da parte dei motori. In ogni gruppo dei precedenti la colonna “EAUX” indica

l’energia assorbita dai servizi ausiliari, le colonne “EINV” indica l’energia assorbita (𝐼 ≥ 0) o rigenerata

dai motori (𝐼 < 0, viene qui riportata con segno negativo), rilevata a livello di inverter e infine le

30

Tabella 3 Report corsa 1 Cinecittà - Ottaviano.

Totale Fase di assorbimento corrente da parte dei motori (F>=0), V≠0 Fase di Frenatura - Generazione corrente da parte dei motori _(F<0)

Ausiliari 𝐼 ≥ 0 𝐼 < 0 Subtotale Ausiliari 𝐼 ≥ 0 𝐼 < 0 𝐼 ≥ 0 𝐼 < 0 Ausiliari 𝐼 ≥ 0 𝐼 < 0 𝐼 ≥ 0 𝐼 < 0

𝐸 𝐸 𝐸 𝐸 𝐸 𝐸 𝐸 𝐸 𝐸

UdT A _{15.1 111.7 -11.5 123.0 5.5 109.8 0.0 114.1 0.0 7.1 1.9 -11.5 8.8 0.0}

UdT B _{4.6 115.2 -0.3 117.9 1.6 110.3 0.0 111.3 0.0 2.2 4.9 -0.3 6.6 0.0}

UdT A + B _{19.6 227.0 -11.8 240.9 7.1 220.1 0.0 225.4 0.0 9.3 6.9 -11.8 15.4 0.0}

Tabella 4 Report corsa 2 Ottaviano - Cinecittà.

Totale Fase di assorbimento corrente da parte dei motori (F>=0), V≠0 Fase di Frenatura - Generazione corrente da parte dei motori _(F<0)

Ausiliari 𝐼 ≥ 0 𝐼 < 0 Subtotale Ausiliari 𝐼 ≥ 0 𝐼 < 0 𝐼 ≥ 0 𝐼 < 0 Ausiliari 𝐼 ≥ 0 𝐼 < 0 𝐼 ≥ 0 𝐼 < 0

𝐸 𝐸 𝐸 𝐸 𝐸 𝐸 𝐸 𝐸 𝐸

UdT A 15.3 112.5 -8.6 123.1 6.6 110.9 0.0 116.2 0.0 5.7 1.5 -8.6 6.8 0.0

UdT B 5.5 115.7 -0.3 118.8 2.4 112.0 0.0 113.6 0.0 2.0 3.7 -0.3 5.2 0.0

UdT A + B 20.8 228.1 -8.9 241.9 9.0 222.9 0.0 229.9 0.0 7.6 5.2 -8.9 12.0 0.0

Dall’esame delle tabelle precedenti si nota, come non vi sia energia restituita alla linea da parte del treno, e come sia nulla anche l’energia recuperata durante le fasi di trazione (colonne Linea (i<0)). Si osserva inoltre che la tabella riporta valori complessivi dell’intera corsa per evidenziarne il bilancio energetico. L’analisi di congruenza elettrica può comunque essere verificata istante per istante. La Tabella 5 offre un riepilogo degli assorbimenti energetici misurati durante le sei corse in linea. Sono riportati gli scatti misurati dai contatori di bordo sia di energia assorbita che di quella rigenerata, gli assorbimenti totali ai pantografi in kWh, e il loro rapporto alla distanza percorsa, ovvero l’assorbimento specifico chilometrico. Tali valori risultano essere in linea con i calcoli teorici precedentemente esposti.

Gli assorbimenti per i servizi ausiliari sono stati disaggregati a seconda delle fasi di moto, che siano a sforzo positivo (F>=0) o misurati durante le fasi di frenatura (F<0). È stata riportata la parte di energia impiegata per la sola trazione sia in valore assoluto, sia in quota chilometrica e l’energia meccanica prodotta in frenatura calcolata come integrale sul tempo della somma degli sforzi inverter per la velocità: 𝐸𝑚𝑓 = 𝑆𝑖 × 𝑉 { ; ; ; } 𝑑𝑡 ≅ 𝑆𝑖 × 𝑉 { ; ; ; } × ∆𝑡 con:

31 𝐸𝑚𝑓 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑚𝑒𝑐𝑐𝑎𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑜𝑡𝑡𝑎 𝑖𝑛 𝑓𝑟𝑒𝑛𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎;

𝑆𝑖 = 𝑆𝑓𝑜𝑟𝑧𝑜 𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑒𝑟 𝑖 − 𝑒𝑠𝑖𝑚𝑜; 𝑉 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑡à

Trattandosi di energia meccanica, per poter essere utilizzata come energia elettrica si dovranno considerare i relativi fattori di conversione.

Le ultime tre colonne della tabella presentano valori di energia disponibile a bordo treno, le quali formule sono specificate nell’intestazione, utili a comprendere e valutare l’energia potenzialmente recuperabile in linea e a bordo treno in esercizio.

La prima di queste colonne (B-C) mostra la differenza tra l’energia meccanica prodotta in frenatura e l’energia assorbita, durante la stessa fase di moto, dai convertitori statici ausiliari.

La penultima colonna della tabella mostra il rapporto (C/B) tra l’energia assorbita dagli ausiliari nelle fasi di frenatura e l’energia meccanica prodotta allo stesso tempo. Questo rapporto indica la quota percentuale dell’energia prodotta che viene impiegata per il fabbisogno energetico del treno stesso. L’ultima colonna della tabella indica il rapporto tra il valore calcolato (B-C) e l’assorbimento energetico totale.

I valori di energia riportati sono relativi alle energie complessive cumulate a bordo. L’effettiva trasmissibilità di energia dal treno verso la linea dipende dall’equilibrio elettrico che si ha, istante per istante, durante la marcia dei treni, cioè dipende, da un lato dalla capacità di fornire energia da parte del treno e dall’altro dalla capacità della linea di ricevere l’energia prodotta.

Tabella 5 Tabella riepilogativa energie prove di tipo A in linea.

4.2.1.6 Confronto tra calcoli teorici e dati misurati: confronto tra stima della energia cinetica e misura dell’energia elettrica assorbita

Le energie cinetiche calcolate sulla base delle velocità massime raggiunte dal convoglio MA300, hanno evidenziato valori massimi che si attestano nell’intorno dei 14÷18 kWh per tratta (cfr. Tabella 2). I valori relativi alla energia elettrica assorbita durante l’esercizio del treno isolato in marcia sulla linea, tra le fermate di Ottaviano e di Cinecittà, sono riferiti invece alle misure effettuate sul trasduttore relativo al pantografo. Conseguentemente tali valori comprendono anche l’assorbimento di energia che riguarda anche i servizi ausiliari (illuminazione, pannelli informativi, climatizzazione,

Corsa Tratta Durata corsa [s] Scatti contatore assorbimento Scatti contatore recupero (A) Consumi totali [kWh] Consumi totali Kmetrici [kWh/km] Energia Ausiliari (F>=0) [kWh] Consumi trazione [kWh] Consumi trazione Kmetrici [kWh/km] (B) Energia Meccanica prodotta in frenatura [kWh] (C) Energia Ausiliari (F<0) [kWh] (B)-(C) [kWh] (C)/(B) [(B)-(C)] / (A) 9599 140 6 1500 - 51 1417 - 1053 53 1000 - -1600 23 1.00 250.00 19.58 8.48 236.21 18.50 175.48 8.78 166.70 5.0% 66.8% 12767 76602

Lunghezza tratta Cinecittà - Ottaviano [m] Lunghezza totale delle sei corse [m] 1617 1595 1666 1605 1610 Totale Media 9.29 7.59 10.36 7.63 10.37 227.44 228.87 216.49 17.81 17.93 16.96 179.92 150.60 174.48 177.23 178.19 192.44 21 1 23 7.09 9.04 240.87 1 18.87 18.95 241.88 18.14 8.08 26 1 22 1 27 1 255.32 7.42 254.81 234.35 4.2% 63.7% 170.77 20.00 19.96 182.07 18.36 20.98 19.55 21.00 9.54 8.19 8.97 1 2 3 4 5 70.8% 59.1% 70.9% 63.3% 72.9% 5.2% 5.0% 5.9% 4.3% 5.4% 170.63 143.01 164.12 169.60 6 267.91 249.65 268.15 1506 21 1 231.55 Cinecittà - Ottaviano Ottaviano - Cinecittà Cinecittà - Ottaviano Ottaviano - Cinecittà Cinecittà - Ottaviano Ottaviano - Cinecittà

32 ventilazione inverter, ecc.). I valori relativi alla energia cinetica utilizzata per trazione sono quindi posti a confronto con i relativi dati elettrici per tutte le corse effettuate durante la sessione di test in linea del treno isolato (Figura 28).

Ogni dato identifica, per ogni tratta e per verso di marcia (corsa 1, 3 e 5 – colore rosso: da Cinecittà a Ottaviano; corsa 2, 4 e 6 – colore blu: da Ottaviano a Cinecittà), la coppia di valori dell’energia cinetica (ascissa) e della energia elettrica (ordinata). In linea del tutto generale i dati confermano l’incremento di energia elettrica all’aumentare dell’energia cinetica. Mediamente si nota che i valori relativi alle corse 2, 4 e 6 a parità di energia cinetica sono superiori alle corse 1, 3 e 5. Ciò dipende dall’andamento plano altimetrico. Infatti da Ottaviano a Cinecittà si ha un’ascesa media del 4‰. Tale aspetto si evidenzia per corse con velocità massima fino a circa 70 km/h.

Figura 28 Confronto tra dati energetici meccanici calcolati per la sola trazione e dati energetici elettrici misurati al pantografo durante la sessione di test d’esercizio del treno isolato sulla linea A

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 En er gi a M isu ra ta A Bo rd o Tr en o [k W h] EnergiaCinetica[kWh]

Confronto Energia Cinetica - Energia Elettrica - tutte le corse

Corsa1 Corsa3 Corsa5 Corsa2 Corsa4 Corsa6

33

4.3 Prove tipo B – Esercizio Controllato

Le prove sono state effettuate nella notte tra il 28 ed il 29 luglio 2016 (dalle ore 23:00 circa alle ore 03:30 circa), imponendo a due treni (treno 37 e treno 39) di effettuare corse in simulazione di esercizio sulla porzione della linea tra Ottaviano e Battistini.

Il moto del treno 39 è iniziato da Battistini in direzione Ottaviano, mentre il treno 37 ha iniziato la marcia da Ottaviano verso Battistini. È stato misurato anche un Pre Test, relativo alla corsa di posizionamento del treno 37 da Battistini a Ottaviano.

Il treno 37 ha iniziato la fase di avviamento in contemporaneità all’inizio della fase di frenatura del treno 39. Questa procedura è stata coordinata mediante collegamento telefonico ed è stata ripetuta per 4 volte (4 Test). Un quinto Test è stato effettuato in assenza di coordinamento (assenza di sincronizzazione tra fase di frenatura del treno 39 e fase di avviamento del treno 37). Infine un sesto Test ha previsto il ritorno del solo treno 39, dalla stazione Ottaviano alla stazione Battistini. Un riepilogo della modalità di svolgimento dei Test è riportato in Figura 29 con un dettaglio delle fasi di sincronizzazione in Figura 30.

Figura 29 Schema esemplificativo dello svolgimento delle prove: sono riportate in linea continua l’orario grafico del treno 37, in linea tratteggiata l’orario grafico del treno 39 (in rosso sono evidenziate le fasi di trazione ed in blu le fasi di frenatura, di durata convenzionale).

34

Figura 30 Particolare nella corrispondenza di contemporaneità della fase di frenatura del treno 39 e della fase di trazione del treno 37 (le frecce indicano gli istanti di inizio sincronizzazione delle fasi di frenatura e trazione).

4.3.1 Misure a bordo treno

I dati relativi alle misure effettuate a bordo del treno 37 e 39 sono stati rappresentati in formato di diagramma, focalizzando l’attenzione sugli andamenti di velocità di percorrenza e di potenza dei test 1÷5 per il treno 37 e dei test 1÷6 per il treno 39. L’asse temporale di questi grafici è rappresentativo del tempo di registrazione di ogni singolo Test, non comprendendo i tempi di inversione banco nelle stazioni di Battistini e di Ottaviano. Nelle registrazioni sono comunque conteggiati i tempi di sosta nelle stazioni intermedie (simulazione del servizio passeggeri con apertura e chiusura delle porte). È da notare come la tratta da Cornelia a Baldo degli Ubaldi sia stata soggetta a prescrizione di rallentamento con riduzione della velocità massima di transito a 15 km/h. Tale prescrizione non valeva nella tratta di percorso inverso (dalla fermata Baldo degli Ubaldi alla fermata Cornelia).

4.3.2 Misure a bordo

Come esempio dei risultati delle misure si illustra quanto ottenuto nel Test 4, che è stato caratterizzato da un analogo sviluppo avuto per il Test 2. Il Test ha avuto inizio con la partenza del treno 39 dalla stazione Ottaviano (diagrammi dalla Figura 35 alla Figura 38) mentre il treno 37 ha iniziato la marcia in direzione opposta dalla stazione Battistini in contemporaneità con l’istante di inizio della fase di frenatura del treno 39 (diagrammi dalla Figura 31 alla Figura 34). I treni hanno simulato il regolare servizio nelle stazioni, con apertura e chiusura porte.

Nei grafici sono riportati i diagrammi di marcia, i diagrammi di potenza totale misurata in corrispondenza dei filtri inverter, di potenza richiesta dai dispositivi ausiliari di bordo, ed infine i diagrammi in cui è mostrata la somma delle due potenze. I valori positivi corrispondono a potenza in entrata agli inverter (assorbita), quelli negativi corrispondono a potenza in uscita (generata). Per il treno 39 sono evidenti le fasi di potenza negativa nel momento in cui inizia la fase di frenatura

35 (convertendo i motori di trazione in generatori). Tali eventi non sono presenti con la stessa intensità nell’analogo grafico del treno 37, poiché nell’ambito dell’intera sessione di prove in linea, questo è stato considerato come treno di ricezione della potenza prodotta in frenatura dal treno 39.

Figura 31 Velocità treno 37 - Test 4.

36

Figura 33 Potenza totale Ausiliari treno 37 – Test 4.

Figura 34 Potenza totale treno 37 – Test 4.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 Po te nz a to ta le A us ili ar i [ kW ] Tempo [s]

37

Figura 35 Velocità treno 39 - Test 4.

Figura 36 Potenza totale Inverter treno 39 - Test 4.

Figura 37 Potenza totale Ausiliari treno 39 – Test 4.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 9 69 129 189 249 309 369 429 489 549 609 669 729 789 849 Po te nz a to ta le A us ili ar i [ kW ] Tempo [s]

38

Figura 38 Potenza totale treno 39 - Test 4.

I dati nella Tabella 6 riepilogano lo sviluppo della sessione di Prove. La tabella è divisa in due parti: la parte superiore è riferita al treno 37, mentre la parte inferiore, al treno 39. Per ogni riga (una per Test) sono riportati:

 i dati identificativi del Test stesso;  i valori di durata di registrazione;

 il numero complessivo di scatti dei contatori di assorbimento (S) e di rigenerazione (recupero) inverter (R) (1 scatto = 10 kWh);

 L’energia assorbita complessivamente dagli inverter (D);  Il consumo specifico chilometrico relativo all’energia;  L’energia rigenerata complessivamente dagli inverter (E)

 Il consumo energetico dei convertitori ausiliari nelle fasi di moto a sforzo di trazione non negativo (𝐹 ≥ 0) (F);

 L’energia assorbita senza frenatura a recupero, ottenuta come somma dell’energia assorbita dagli inverter (D) e il consumo degli ausiliari nelle fasi di moto a sforzo di trazione non negativo (F);

 L’energia assorbita con frenatura a recupero, ottenuta come somma dell’energia assorbita dagli inverter (D) e il consumo degli ausiliari nelle fasi di moto a sforzo di trazione non negativo (F) a meno dell’energia rigenerata dagli inverter in frenatura (E);

 Il consumo specifico chilometrico relativo all’energia assorbita con frenatura a recupero;  L’energia meccanica prodotta in frenatura, al lordo dei rendimenti di conversione in energia

elettrica (B);

 Il consumo energetico dei convertitori ausiliari nelle fasi di moto a sforzo di trazione negativo (𝐹 ≤ 0) (C);

39  Il coefficiente di recupero (Er/Ef), individuato dal rapporto tra l’energia rigenerata

complessivamente dagli inverter (Er) e l’energia assorbita (Ef).

 Il coefficiente di recupero (Er/Ef), calcolato utilizzando il rapporto tra il numero di scatti del contatore di energia rigenerata e di energia assorbita dagli inverter (R)/(S).

Per ognuno di questi valori è stato calcolato il valore medio ed il valore totale quando possibile, per ognuno dei due treni e, nelle ultime due righe, il valore medio per senso di percorrenza della linea (pari/dispari).

I valori totali e medi del coefficiente di recupero sono riferiti rispettivamente al rapporto dei valori totali dei sei Test condotti su ogni treno e alla media dei valori dei singoli Test.

Come atteso, il contatore di energia recuperata per il treno 39 ha misurato un valore circa doppio del corrispondente relativo al treno 37 (rispettivamente 9 e 5 scatti), mentre il contatore di energia assorbita ha evidenziato valori simili, 34 e 38 scatti, rispettivamente per il treno 39 e per il treno 37. Risultano simili, tra i due treni, i valori totali relativi ai consumi degli ausiliari (circa 30 kWh con 𝐹 ≥ 0 e 29 kWh in media con 𝐹 ≤ 0) e l’energia meccanica prodotta in frenatura (mediamente tra i due treni 244kWh in totale).

Il coefficiente di recupero, definito dal rapporto tra l’energia rigenerata e l’energia assorbita (Er/Ef), evidenzia l’effetto della sincronizzazione delle fasi di avvio e frenatura dei due treni. Infatti i valori del coefficiente sono sensibilmente maggiori per il treno 39 in quasi tutti i casi. In particolare, durante il Test 2, a causa di una sincronizzazione parziale tra i treni, il valore del coefficiente è maggiore per il treno 37 che non per il 39.

Durante i Test condotti a treno isolato (Pre Test – treno 37; Test 6 – treno 39) si possono notare gli effetti dell’andamento altimetrico sul valore del coefficiente di recupero: il tratto di linea percorso in senso dispari (treno 37) con andamento prevalentemente discendente, ha consentito il recupero del 20% di energia; il tratto di linea percorso in senso pari (treno 39) con andamento prevalentemente ascendente, ha consentito il recupero del 2%.

Il confronto tra i valori dei coefficienti di recupero, calcolati in tabella come ( )

( ) ( ) totali e come

(R)/(S), ha evidenziato una similitudine per ciò che riguarda il treno 37 (12.8% vs 13.2%), mentre per il treno 39 la differenza tra i due indici è più elevata (20.7% vs 26.5%). Per quanto riguarda il coefficiente (R)/(S) si può notare come il valore relativo al treno 39 sia circa il doppio (26.5%) di quello relativo al treno 37 (13.2%), coerentemente con le modalità di esecuzione delle Prove.

40

Tabella 6 Tabella riepilogativa energia

Te st Tr at ta T re no 3 7 D ur at a re gi st ra zi on e [s ] Sc at ti co nt at or e as so rb im en to Sc at ti co nt at or e re cu pe ro En er gi a As so rb ita In ve rt er [k W h] Co ns um i t ra zi on e ch ilo m et ric i [ kW h/ km ] En er gi a Ri ge ne ra ta In ve rt er [k W h] En er gi a Au si lia ri (F >= 0) [k W h] En er gi a As so rb ita [k W h] E ne rg ia a ss or bi ta c on fr en at ur a a re cu pe ro [k W h] Co ns um i t ot al i ch ilo m et ric i [ kW h/ km ] En er gi a M ec ca ni ca pr od ot ta in fr en at ur a [k W h] En er gi a Au si lia ri (F <0 ) [k W h] Co ef fic ie nt e di Re cu pe ro Er /E f

- (S) (R) (D) - (E) (F) (D)+(F) (D)+(F)–_(E) (B) (C) (E)

(D) + (F) (R)/(S)

Pre Battistini - Ottaviano 661 4 1 35.73 8.18 8.38 4.89 40.62 32.24 7.38 39.00 7.35 20.6%

- 1 Ottaviano - Battistini 781 7 0 64.01 14.66 3.75 4.29 68.30 64.55 14.78 29.06 2.81 5.5% 2 Battistini - Ottaviano 806 4 1 44.37 10.16 8.58 4.36 48.73 40.15 9.20 46.84 7.22 17.6% 3 Ottaviano - Battistini 851 9 0 88.40 20.25 5.90 5.78 94.18 88.28 20.22 43.69 3.06 6.3% 4 Battistini - Ottaviano 877 4 1 46.73 10.70 8.33 3.99 50.72 42.39 9.71 49.36 6.67 16.4% 5 Ottaviano - Battistini 610 10 2 96.78 22.17 11.11 7.44 104.22 93.11 21.33 43.13 3.52 10.7% Totale 4586 38 5 376 - 46 31 407 361 - 251 31 12.8% 13.2% Media 764 6 0.83 62.67 14.35 7.68 5.13 67.80 60.12 13.77 41.85 5.11 11.3% - Te st Tr at ta T re no 3 9 D ur at a re gi st ra zi on e [s ] Sc at ti co nt at or e as so rb im en to Sc at ti co nt at or e re cu pe ro En er gi a As so rb ita In ve rt er [k W h] Co ns um i t ra zi on e ch ilo m et ric i [ kW h/ km ] En er gi a Ri ge ne ra ta In ve rt er [k W h] En er gi a Au si lia ri (F >= 0) [k W h] En er gi a As so rb ita [k W h] E ne rg ia a ss or bi ta c on fr en at ur a a re cu pe ro [k W h] Co ns um i t ot al i ch ilo m et ric i [ kW h/ km ] En er gi a M ec ca ni ca pr od ot ta in fr en at ur a [k W h] En er gi a Au si lia ri (F <0 ) [k W h] Co ef fic ie nt e di Re cu pe ro Er /E f

- (S) (R) (D) - (E) (F) (D)+(F) (D)+(F)–_(E) (B) (C) (E)

(D) + (F) (R)/(S) 1 Battistini - Ottaviano 842 3 1 37.47 8.58 8.81 5.46 42.93 34.12 7.81 40.77 6.36 20.5% - 2 Ottaviano - Battistini 834 7 2 77.89 17.84 12.26 5.30 83.19 70.93 16.25 34.59 2.34 14.7% 3 Battistini - Ottaviano 747 4 2 40.83 9.35 16.74 4.06 44.89 28.15 6.45 45.65 6.28 37.3% 4 Ottaviano - Battistini 849 8 1 78.88 18.07 14.60 5.13 84.01 69.41 15.90 35.70 2.26 17.4% 5 Battistini - Ottaviano 654 4 3 42.27 9.68 14.70 3.73 46.00 31.30 7.17 46.51 7.13 32.0% 6 Ottaviano - Battistini 553 8 0 77.97 17.86 1.74 5.89 83.86 82.12 18.81 33.63 2.37 2.1% Totale 4479 34 9 355 - 69 30 385 316 - 237 27 20.7% 26.5% Media 747 6 1.50 59.22 13.56 11.48 4.93 64.15 52.67 12.06 39.48 4.46 17.9% -

Lunghezza tratta Battistini - Ottaviano [m] 4366 Lunghezza totale delle sei corse [m] 26196

Media dispari 655 3 1.29 35.34 8.10 9.36 3.78 39.13 29.76 6.82 38.30 5.86 23.9%

41

4.4 Prove tipo C – Esercizio Reale

A differenza di quanto sviluppato nelle prove di tipo B, con due treni sincronizzati nelle fasi di frenatura e di accelerazione, questa sessione di misure non ha previsto alcuna programmazione di sincronizzazione tra le fasi di frenatura e le fasi di accelerazione dei treni presenti in servizio, i quali hanno svolto il loro normale esercizio giornaliero.

I rilievi sono stati effettuati in esercizio in data 19 ottobre 2016, dalle ore 05:30 alle ore 12:30 circa, comprendendo sia fasce di punta che di morbida.

I dati funzionali di esercizio sono stati monitorati su un treno durante otto corse effettuate lungo tutta la linea. Il treno durante l’esercizio ha svolto il convenzionale servizio passeggeri, operando in entrambi i versi di marcia e procedendo all’inversione del verso di marcia ai capolinea di Battistini e Anagnina.

Figura 39 Diagramma Orario del servizio in linea del treno n. 6, monitorato dalle ore 05:30 alle 12:30 circa; i dati sono ottenuti a bordo del treno durante l’esercizio.

I rilievi sul treno sono iniziati con la corsa 1 che rappresenta la quarta corsa del giorno effettuata sul binario pari (da Anagnina a Battistini) dall’inizio del servizio. La frequenza di transito dei treni nella fascia oraria (che ha inizio dalle ore 5:30, orario di inizio servizio) è riconducibile alle caratteristiche di un servizio in orario di morbida, con un treno ogni 5 minuti circa. In Figura 39 viene riportato l’andamento rilevato del treno per tutta la durata delle prove.

4.4.1 Misura dell’energia: analisi mediante parametri elettrici

In Figura 40 è riportato l’andamento della potenza utilizzata dal treno in funzione del tempo durante la corsa 1. I valori positivi rappresentano la potenza assorbita dagli inverter di trazione e dagli ausiliari. I valori negativi rappresentano la potenza rigenerata in uscita dagli inverter al netto della potenza assorbita dagli ausiliari nelle fasi di frenatura. Nel diagramma sono segnalate le fermate per una più facile localizzazione ed interpretazione del comportamento del convoglio in linea.

Anagnina Cinecittà Subaugusta Giulio Agricola Lucio Sestio Numidio Quadrato Porta Furba Arco di Travertino Colli Albani Furio Camillo Ponte Lungo Re di Roma S Giovanni Manzoni Vittorio Emanuele Termini Repubblica Barberini Spagna Flaminio Lepanto Ottaviano Cipro Valle Aurelia Baldo degli Ubaldi Cornelia Battistini 0 750 1500 2250 3000 3750 4500 5250 6000 6750 7500 8250 9000 9750 10500 11250 12000 12750 13500 14250 15000 15750 16500 17250 18000 18750 5:00 5:30 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 Pr og re ss iv a [m ]

42 In Figura 41 è mostrato l’andamento delle velocità in funzione del tempo, con l’indicazione delle fermate effettuate (serie in rosso). Nello stesso grafico è riportato in blu l’andamento complessivo dell’energia assorbita durante la corsa.

Dall’analisi congiunta dei due grafici (Figura 40 e Figura 41) si nota come all’aumentare della velocità aumentino gli assorbimenti di potenza e di energia. Viceversa, nelle tratte percorse a minor velocità (si veda ad esempio dalla fermata San Giovanni alla fermata Manzoni) la potenza assorbita (ad esclusione di un picco comunque modesto se confrontato con altri casi), tende ad essere inferiore, e di conseguenza anche il consumo energetico.

Nella Tabella 7 è riportato il dettaglio, per ogni singola tratta, dei flussi energetici per la prima corsa acquisita. Le prime due colonne riportano dati plano-altimetrici della linea: lunghezza tra le fermate e pendenza, calcolata come media pesata sulla lunghezza della tratta.

Dall’analisi dei dati si osserva che l’energia assorbita è maggiore nelle tratte a maggior estensione (per esempio Porta Furba – Arco di Travertino 18.7 kWh). Il dato è naturalmente influenzato dalla velocità di marcia oltre che dalle pendenze delle tratte. Infatti, si nota come, a fronte di una velocità e distanze percorse pressoché identiche, nella tratta Repubblica - Barberini (726 m) in discesa, si abbia un assorbimento di 5.28 kWh, mentre in Baldo degli Ubaldi – Cornelia (727 m) in salita, si assorbano 18.51 kWh.

A seguire sono riportati i valori degli assorbimenti degli ausiliari nelle fasi di frenatura (in corrispondenza di sforzi di trazione negativi, F<0) e la differenza tra questi e l’energia rigenerata agli inverter, che indica la quota di energia che viene inviata in linea dal treno nelle fasi di rigenerazione. La lunghezza delle tratte e le dinamiche dei diagrammi di marcia (accelerazione, coasting, frenatura) hanno influenza sui valori di energia assorbita per km. L’intervento del segnalamento può condizionare la marcia, con ripetute fasi di accelerazione e coasting, che si ripercuotono nel consumo di energia.

L’influenza della pendenza si riscontra anche nel recupero di energia. Nelle stesse due tratte Repubblica – Barberini e Baldo degli Ubaldi – Cornelia si hanno rispettivamente dei valori di energia rigenerata agli inverter di 9.11 kWh e di 3.72 kWh.

Si consideri, come Indice di energia recuperata, il rapporto tra l’energia rigenerata, al netto dei consumi di bordo per i servizi ausiliari, e l’energia assorbita. Per effetto della pendenza, si possono presentare casi ove questo rapporto sia maggiore dell’unità. Nello specifico ciò accade, per la Corsa 1, nelle due tratte in discesa a maggior pendenza (Termini – Repubblica e Repubblica – Barberini), dove risulta maggiore l’energia prodotta dal treno in frenatura di quella assorbita nella trazione, per effetto dell’energia potenziale dovuta alla differenza di quota.

Nella tabella è evidenziato anche, tratta per tratta, il calcolo dell’energia meccanica di frenatura. I valori sono stati ottenuti, per intervallo di tempo, dal prodotto, dello sforzo meccanico, rilevato dalla DCU3_{, della velocità e dell’intervallo di tempo. Tali valori sono influenzati dal valore del rendimento,}

a priori non noto.

L’ultima colonna della tabella presenta un indicatore formato dal rapporto tra l’energia recuperata e l’energia meccanica prodotta in frenatura come descritto sopra: tale valore costituisce in ogni caso un riferimento relativo anche se non assoluto. Dal confronto tra tratte si nota come i valori vadano da un minimo del 39.6% (tra Ponte Lungo e Re di Roma) ad un massimo di 84.5% (tra Giulio Agricola e Lucio Sestio). La variabilità di questi valori può essere ricondotta alla ricettività della linea ovvero dalla presenza di altri treni in prossimità del treno considerato, che si trovino in trazione.

43

Figura 40 Potenza Inverter di trazione e Ausiliari in funzione del tempo, Corsa 1.

Figura 41 Velocità e Assorbimento Energetico Totale in funzione del tempo, Corsa 1.

An ag ni na Ci ne ci tt à Su ba ug us ta G iu lio A gr ic ol a Lu ci o Se st io N um id io Q ua dr at o Po rt a Fu rb a Ar co d i T ra ve rt in o Co lli A lb an i Fu rio C am ill o Po nt e Lu ng o Re d i R om a Sa n G io va nn i M an zo ni Vi tt or io E m an ue le Te rm in i Re pu bb lic a Ba rb er in i Sp ag na Fl am in io Le pa nt o O tt av ia no Ci pr o Va lle A ur el ia Ba ld o de gl i U ba ld i Co rn el ia Ba tt is tin i -6000 -5500 -5000 -4500 -4000 -3500 -3000 -2500 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440 1620 1800 1980 2160 2340 2520 2700 Po te nz a to ta le In ve rt er + A us ili ar i [ kW ] Tempo [s] An ag ni na Ci ne ci tt à Su ba ug us ta G iu lio A gr ic ol a Lu ci o Se st io N um id io Q ua dr at o Po rt a Fu rb a Ar co d i T ra ve rt in o Co lli A lb an i Fu rio C am ill o Po nt e Lu ng o Re d i R om a Sa n G io va nn i M an zo ni Vi tt or io E m an ue le Te rm in i Re pu bb lic a Ba rb er in i Sp ag na Fl am in io Le pa nt o O tt av ia no Ci pr o Va lle A ur el ia Ba ld o de gl i U ba ld i Co rn el ia Ba tt ist in i 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 180 360 540 720 900 1080 1260 1440 1620 1800 1980 2160 2340 2520 2700 Ve lo ci tà [k m /h ] En er gi a As so rb ita T ot al e [k W h] Tempo [s]