Introduzione
Il treno `e il mezzo di trasporto che pi`u di tutti rispetta l’ambiente e il clima. Produce basse quantit`a di gas serra, consente risparmi energetici e incide solo in minima parte sul riscaldamento del pianeta.
I dati forniti dalle indagini scientifiche disponibili non lasciano dubbi.
Riferendoci al territorio italiano, ogni passeggero che viaggia sulle ferrovie italiane produce il 76% di gas serra in meno rispetto a chi usa l’aereo e il 66% in meno di chi usa la strada. L’anidride carbonica emessa da un viaggio sui binari, in Europa, `e circa un terzo di quella prodotta su strada e in volo.
Ed `e inferiore di un terzo anche l’energia necessaria per un viaggio in treno rispetto al corrispondente su strada, di un undicesimo se confrontato con il percorso aereo. In questo scenario nasce in Europa il consorzio Railenergy a cui aderiscono tutti i maggiori costruttori di veicoli ferroviari operanti sul ter- ritorio europeo (Ansaldo-Breda, Siemens, Bombardier, Alstom ...) e tutte le societ`a ferroviarie d’Europa. Questo consorzio nasce per promuovere progetti fra le aziende costruttrici e le societ`a ferroviarie per migliorare ulteriormente l’impatto ambientale che i sistemi ferroviari hanno sull’ambiente (in termini di risorse sfruttate). L’idea di questa tesi nasce da uno di questi progetti, in cui cooperano anche Ansaldo-Breda e Siemens, che punta a ridurre il peso
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delle locomotive, in modo tale da richiedere potenze minori per il proprio fun- zionamento, cos`ı da ridurre le richieste di energia dalla linea. Il trasformatore principale di una locomotiva `e un vincolo progettuale importante, dato che influisce sull’ingombro, peso e efficienza di una locomotiva. Specialmente per un sistema a frequenza 16 2/3 Hz, ma anche per un sistema politensione, che (come dice il nome stesso), `e in grado di funzionare su pi`u sistemi fer- roviari, il trasformatore domina tutte le fasi della realizzazione di un veicolo ferroviario (dalla concezione, alla progettazione e alla realizzazione). Con il passare degli anni le caratteristiche di un trasformatore di questo tipo non sono cambiate, e si pu`o dire che la sua efficienza pu`o variare tra il 90% al 94%. Per ovviare a questi due problemi si pu`o intervenire in due modi, o con trasformatori fatti con superconduttori, oppure utilizzando altre topologie circuitali che prevedono l’utilizzo di trasformatori a media frequenza. Men- tre la prima soluzione viene scartata perch´e i superconduttori hanno costi di manutenzione molto elevati, la seconda `e una scelta progettuale pi`u per- corribile. Negli ultimi anni, il settore dell’elettronica di potenza, ha goduto di un notevole sviluppo, riuscendo a produrre dispositivi di potenza a semi- conduttore fino a tensioni di 6.5 kV. Per usare le topologie con trasformatori a media-frequenza, si devono mettere in serie dei dispositivi a semicondut- tore; per minizzare i costi e la complessit`a di queste architetture, il fattore
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chiave `e la tensione massima sopportabile dai dispositivi di potenza a semi- conduttore utilizzati, dato che pi`u questa `e alta, pi`u permette di ridurre il numero dei dispositivi connessi in serie e quindi di ridurre la complessit`a totale dell’architettura. In questo lavoro di tesi si cercher`a di ottimizzare un’architettura di un sistema politensione basata su trasformatore a media frequenza e nuovi dispositivi di potenza a semiconduttore. Come trasforma- tore a media frequenza, si `e modellizzato un prototipo realizzato da Siemens e come dispositivi i nuovi IGBT INFINEON che arrivano fino a tensioni di 6.5 kV.
L’obiettivo che si vuole realizzare `e quello di avere un modello circuitale di un sistema di trazione che una volta realizzato sia di dimensioni ridotte rispetto a quello con un trasformatore classico e che riesca a funzionare su pi`u sistemi di alimentazione ad alta tensione rispettando le norme sulle emissioni condotte relative alla linea di alimentazione prese in esame (25 kV 50 Hz e 15 kV 16 2/3 Hz).
Organizzazione della tesi
La presente tesi si compone di cinque capitoli. Si inizia anzitutto con una descrizione dei sistemi di alimentazione AC per sistemi ferroviari descrivendo anche le problematiche relative al loro utilizzo.
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Nel secondo capitolo vengono poi illustrati lo schema circuitale di partenza e il principio di funzionamento che sta dietro alla soluzione pro- posta.
Nel terzo capitolo, invece, si illustrano le implementazioni dei dispositivi utilizzati con le relative modellizzazioni circuitali.
Nel quarto capitolo vengono presentati i risultati ottenuti dalle simu- lazioni effettuate.
Infine nel quinto capitolo vengono evidenziati le metodologie per ottimiz- zare il circuito, e renderlo conforme alle normative che regolano l’emissione condotta per sistemi 25 kV 50 Hz e 15 kV 16 2/3 Hz
In appendice sono riportati le modellizzazioni e tutti i file necessari per la simulazione circuitale con PSPICE del sistema realizzato.
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