ITMI991126A1

ITMI991126A1 - Dispositivo per l'alimentazione di veicoli azionati in corrente continua

Info

Publication number: ITMI991126A1
Application number: IT1999MI001126A
Authority: IT
Inventors: Gerhard Linhofer
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1998-05-25
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2000-11-21
Also published as: SI9900129A; ZA993472B; DE19823233A1; NL1012134C2; NL1012134A1

Description

Riassunto del trovato

In linee ferroviarie in corrente continua la bassa tensione di esercizio porta a grandi perdite di trasmissione e richiede una pluralità di sottostazioni lungo le linee di traffico. Un booster di tensione compensa la caduta di tensione fra la sottostazione e il punto di installazione del booster introducendo nel cavo di contatto una tensione addizionale. In tal modo possono venire abbassate le perdite nei cavi, venire aumentate le distanze fra le sottostazioni nonché fatti circolare veicoli di maggiore potenza. Qualora nel punto di installazione del booster non esista un collegamento alla rete in corrente alternata a media tensione, come sorgente della tensione addizionale può venire utilizzato lo stesso sistema in corrente continua del sistema di alimentazione della linea ferroviaria. (Figura 1)

Descrizione del trovato

CAMPO TECNICO

Il presente trovato si riferisce alla fornitura di corrente a veicoli in corrente continua vincolati a un cavo. Esso riguarda un dispositivo per trasmettere la potenza di trazione a veicoli azionati in corrente continua secondo il preambolo della rivendicazione 1.

STATO DELLA TECNICA

In tutto il mondo i sistemi in corrente continua rappresentano una parte importante della trazione elettrica. Questi sistemi comprendono linee di filobus, linee di tram, linee di metropolitane sotterranee, linee ferroviarie urbane, linee ferroviarie industriali e linee ferroviarie interurbane. Le tensioni di esercizio nominali, oggi solitamente impiegate per tali linee, sono a 600, 750, 1500 e 3000 V. La fornitura dell'energia avviene, pressoché esclusivamente, a partire dalla rete in corrente alternata pubblica, mediante raddrizzatori a diodi. Nei cavi di alimentazione si determinano, a causa della bassa tensione di esercizio, grandi cadute di tensione dovute all'esercizio. Ciò porta, da un lato, a grandi perdite di trasmissione e determina, dall'altro lato - in quanto non si può andare al di sotto di una determinata tensione minima - una pluralità di sottostazioni con raddrizzatori di alimentazione lungo le vie di traffico. Al crescere della densità di traffico e al crescere delle potenze d'azionamento questo problema si accentua. Anche se le sottostazioni a raddrizzatori già esistenti sono in sé sufficientemente potenti per alimentare il traffico ferroviario, resta limitata la lunghezza ammissibile dei singoli tratti di alimentazione a causa della massima caduta di tensione ammissibile.

I risultati di un calcolo semplice rappresentati nella figura 5 illustrano l'entità della caduta di tensione e la crescita più che proporzionale delle perdite di potenza con la distanza del veicolo dalla sottostazione.

Come soluzione si offre un ampliamento notevole delle sezioni dei cavi di alimentazione oppure la posa di conduttori di alleggerimento parallelamente ai cavi di contatto. Ciò è possibile tuttavia soltanto con un grande dispendio e, corrispondentemente, con elevati costi. Il dispendio costruttivo addizionale necessario allo scopo può diventare molto grande soprattutto per tratti in tunnel. La stessa cosa vale per la costruzione di sottostazioni addizionali. Queste hanno un fabbisogno di spazio da non sottovalutare e richiedono una possibilità di collegamento alla rete a corrente alternata in media tensione. Entrambe le condizioni non sono talvolta presenti e possono richiedere investimenti che ammontano ad un multiplo dei costi dell'impianto a raddrizzatori.

RAPPRESENTAZIONE DEL TROVATO

È compito del presente trovato realizzare un dispositivo che compensi una parte delle cadute di tensione nei cavi di alimentazione e riduca le perdite di trasmissione, richieda un minimo di spazio e possa eventualmente trovare impiego anche là dove non esiste un collegamento alla rete in corrente alternata a media tensione.

Questo compito viene risolto in quanto mediante un cosiddetto booster di tensione inserito in serie fra due tratti del cavo di alimentazione, nel cavo di alimentazione viene introdotta una tensione addizionale regolata. Questa tensione addizionale compensa la caduta di tensione fra la sottostazione e il punto di installazione del booster di tensione. Il booster di tensione comprende un raddrizzatore che, tramite un trasformatore a raddrizzatori, viene alimentato con una tensione periodica da un convertitore. Quest'ultima non è sinusoidale ma è costituita, ad esempio, da impulsi di tensione di forma rettangolare. Questo segnale, tramite il trasformatore a raddrizzatori, viene introdotto nel cavo di alimentazione, raddrizzato mediante il raddrizzatore e livellato mediante una bobina di livellamento inserita in serie.

La superficie del diagramma tensione-tempo della tensione di uscita del convertitore autocondotto, è data, con ampiezza costante, dalla lunghezza e dalla frequenza degli impulsi di tensione e determina l'entità della tensione addizionale che viene applicata al cavo di alimentazione. Il convertitore viene regolato in modo che la tensione del cavo di alimentazione all'uscita del booster di tensione, e cioè sul lato opposto alla sottostazione, presenti un valore maggiore che all'ingresso del booster di tensione. Questo valore può essere, ad esempio, uguale al valore della tensione continua di marcia a vuoto della sottostazione che alimenta la linea.

Una prima forma di esecuzione preferita del trovato si caratterizza per il fatto che la tensione di ingresso del convertitóre viene derivata da un condensatore di supporto collegato direttamente al cavo di contatto. Un tale impiego come sorgente della tensione addizionale della linea in corrente continua della linea di alimentazione della ferrovia è economico e interessante soprattutto se nel punto di installazione considerato vantaggioso per il booster di tensione, non esiste alcuna adatta possibilità di collegamento alla rete in corrente alternata oppure questa può venire costruita soltanto con un elevato dispendio a livello di costi.

In un'altra forma di esecuzione del booster di tensione, la rete in corrente alternata funge da sorgente per la tensione addizionale. A seconda della potenza desiderata, l'applicazione della tensione addizionale può avvenire ad una fase, a due fasi o a tre fasi. Il convertitore è collegato, o direttamente o tramite un circuito intermedio a tensione continua, alla rete in corrente alternata. Quest'ultima realizzazione può essere allargata senza problemi allo scopo di ricondurre alla rete in corrente alternata l'energia prodotta da un veicolo durante la fase di frenatura. In tal modo equipaggiando successivamente una linea commerciale con booster di tensione, si può favorire contemporaneamente l'utilizzo elettrico della frenata di moderni veicoli di trazione.

Altre forme di esecuzione si hanno dalle rivendicazioni secondarie.

BREVE ILLUSTRAZIONE DELLE FIGURE

Il trovato verrà illustrato più in dettaglio nel seguito con l'ausilio di esempi di esecuzione e unitamente ai disegni. In essi:

la figura 1 mostra una linea alimentata su un lato; booster di tensione con circuito intermedio in tensione continua e alimentazione dell'energia della rete in corrente continua. La figura 2 mostra una linea alimentata su un lato; booster di tensione con alimentazione dell'energia dalla rete in corrente alternata.

La figura 3 mostra una linea alimentata su un lato; booster di tensione con, a scelta, alimentazione dell'energia dalla rete in tensione continua o dalla rete in corrente alternata e possibilità di reimmissione dell'energia.

La figura 4 mostra una linea alimentata su due lati; due booster di tensione.

La figura 5 mostra con a) la tensione U al prelevatore di corrente del veicolo con b) le perdite di potenza P e con c) la corrente I del veicolo in funzione della distanza d del veicolo dalla sottostazione con (linea tratteggiata) e senza (linea continua) booster di tensione.

REALIZZAZIONE DEL TROVATO

Nelle figure le parti uguali sono contrassegnate con gli stessi simboli di riferimento.

La figura 1 mostra la configurazione sostanziale di un dispositivo per l'alimentazione di veicoli azionati in corrente continua avvenendo, nel caso che stiamo trattando, l'alimentazione della linea su un lato. Il veicolo 1 viaggia lungo il corpo del binario 2 e preleva la potenza d'azionamento dal cavo di alimentazione 3 che può essere, ad esempio, un cavo di contatto o una rotaia. La potenza prelevata viene fornita, dalla rete 4 a corrente alternata e trasformata,da corrente alternata in corrente continua con la tensione desiderata, in una sottostazione con l'ausilio della unità 5 di alimentazione della linea che comprende un raddrizzatore di alimentazione 6. Ad una certa distanza dalla sottostazione è installato il dispositivo 10 secondo il trovato per immettere la tensione addizionale.

Nel cavo di alimentazione viene montato un tratto di separazione il isolante mediante il quale il cavo di alimentazione 3 viene suddiviso in due tratti 3a, 3b. Qualora il veicolo 1 si trovi sul tratto 3a opposto all'unità 5 di alimentazione della linea, l'intera corrente di alimentazione fluisce attraverso un raddrizzatore 12 inserito nel tratto di cavo e una bobina di livellamento 13 che bypassano il tratto di separazione 11. Il raddrizzatore 12 viene alimentato, tramite un trasformatore 14 a raddrizzatori, con una tensione regolata con l'ausilio del convertitore 15a autocondotto. La figura 1 mostra un'esecuzione nella quale il sistema in corrente continua viene utilizzato come sorgente per generare la tensione addizionale. In esso la tensione di ingresso per il convertitore 15a viene prelevata da un condensatore di supporto 17 collegato direttamente, in un punto qualsiasi, al cavo di alimentazione 3. Il convertitore 15a viene regolato in modo che la tensione del cavo dopo il tratto di separazione il presenti un valore maggiore della tensione prima del tratto di separazione. La tensione può venire fissata, ad esempio, al valore della tensione continua di marcia a vuoto della sottostazione.

Nella figura 2 è mostrata una variante esecutiva nella quale la rete 4 in corrente alternata funge da sorgente della tensione addizionale. Come per l'unità 5 di alimentazione della linea, anche qui l'inserimento della tensione addizionale avviene tramite un raddrizzatore a diodi 12. La regolazione della tensione avviene, in questo caso, con un regolatore 15b che comprende tiristori con collegamento antiparallelo. È pensabile anche un regolatore I5b con elementi disinseribili (quali, ad esempio, tiristori GTO) al posto di tiristor!. Come ulteriore variante esecutiva si può anche rinunciare al convertitore 15b e per l'introduzione della tensione addizionale al posto di un raddrizzatore a diodi 12 può venire impiegato un raddrizzatore comandabile (raddrizzatore a tiristori). Ciò ha tuttavia lo svantaggio, rispetto alle varianti con raddrizzatori a diodi, che in caso di caduta del comando a raddrizzatori, resta interrotto il cavo di alimentazione 3. Un importante aspetto dei moderni veicoli di trazione è l'utilizzo elettrico della frenata. In tal caso l'energia prodotta durante la fase di frenata viene messa a disposizione degli altri veicoli oppure viene reimmessa nella rete 4 di alimentazione a media tensione. Nel caso di una rete ferroviaria di ampie dimensioni con molti tratti di linea collegati è desiderabile distribuire questa potenza prodotta dalla frenata anche ad altri tratti di linea. Ciò comporta, eventualmente, flussi di corrente nella direzione di blocco del raddrizzatore 12. Al fine di liberare questa direzione della corrente, è necessario un dispositivo addizionale commutabile. Questo può essere o un interruttore rapido meccanico oppure un interruttore a semiconduttori 18 (ad esempio un interruttore a tiristori). Qualora tuttavia venga prodotta una potenza in frenata maggiore di quella che viene richiesta in quel momento da altri veicoli, questa potenza addizionale deve venire distrutta o in resistenze oppure venire ricondotta nella rete in corrente alternata. Nella figura 3 è mostrata una possibilità di esecuzione per un dispositivo per la produzione di una tensione addizionale combinato con una unità di rialimentazione per ricondurre l'energia nella rete 4 in corrente alternata. In questa configurazione c'è la possibilità di utilizzare, a scelta, il sistema in corrente continua o la rete in corrente alternata come sorgente per la tensione addizionale. Il circuito intermedio 16 in tensione continua comprende i condensatori di supporto 17 nonché un secondo convertitore 19 autoguidato, inoltre in questa realizzazione, opportunamente, il circuito intermedio 16 in tensione continua viene collegato al lato di uscita del raddrizzatore 12. Il secondo convertitore 19 è accoppiato alla rete in corrente alternata attraverso un trasformatore 20. Affinché alla rete in corrente alternata non venga prelevata in alcun caso più potenza di quella richiesta per generare la tensione addizionale, è opportuno disaccoppiare il condensatore di supporto 17 dal cavo di alimentazione 3 con l'ausilio di un diodo 21. Un altro vantaggio di questo diodo 21 di disaccoppiamento è che in caso di eventuali cortocircuiti nella linea di alimentazione, non può avvenire una alimentazione non voluta nel punto difettoso. L'introduzione della tensione addizionale è possibile naturalmente anche con alimentazione del tratto di linea sui due lati, come succede per un tratto di linea fra due sottostazioni 5, 5'. Una variante esecutiva è rappresentata nella figura 4. Dal momento che i booster di tensione 10, 10' agiscono soltanto in una direzione, è opportuno inserire in questo caso due o, più in generale, un numero pari di booster fra le due sottostazioni.

I vantaggi della compensazione conforme al trovato della caduta di tensione, in particolare la riduzione con esso ottenuta delle perdite nei cavi, diventano chiari dai risultati di una simulazione rappresentati nella figura 5. II calcolo della corrente e della tensione è basata sulle seguenti ipotesi:

l'azionamento del veicolo riceve, dal cavo di alimentazione, una potenza costante di 1200 kW.

- La tensione continua di marcia a vuoto dell'unità di alimentazione della linea ammonta a 820 V.

- La caduta ohmica e induttiva della tensione continua dell'impianto di alimentazione a raddrizzatori corrisponde ad una resistenza interna di 0,03 Ohm.

- L'intera resistenza specifica del cavo (cavo di alimentazione e cavo di ritorno) ammonta a 0,1 Ohm per chilometro. Con alimentazione su un lato e senza booster di tensione conforme al trovato si ottengono i risultati rappresentati tratteggiati nella figura 5. Qualora il veicolo sia distante 1 km dalla sottostazione, la tensione disponibile al suo organo di presa si abbassa da 773 a 520 V. Con prelievo costante di potenza, aumenta corrispondentemente la corrente di esercizio da 1550 a 2310 A.

Le perdite di trasmissione crescono più che proporzionalmente con la distanza del veicolo dalla sottostazione e ammontano già per 1 km di distanza, a 533 kW.

Con le stesse ipotesi relativamente alla potenza del veicolo nonché alle resistenze delle sottostazioni e della linea, i calcoli sono stati ripetuti considerando l'azione del booster di tensione. Immettendo la tensione addizionale ad una distanza di 0,4 km dalla sottostazione (conformemente al tratto di linea 3b della figura 1), si ottengono i risultati rappresentati nella figura 5. La tensione più bassa, nel cavo di contatto, compare dopo 0,4 km al raggiungimento del punto di separazione e ha ivi un valore di 700 V. Dopo 1 km la tensione del cavo di contatto ammonta ancora a 720 V. Con prelievo costante di potenza la corrente di esercizio aumenta da 1550 soltanto fino a 1710 A nel punto di separazione e a 1670 A dopo 1 km. Le perdite complessive di trasmissione (compresa la potenza convogliata al circuito booster) ammontano, ad 1 km di distanza dalla sottostazione, soltanto a 329 kW.

L'introduzione di una tensione addizionale nel cavo di contatto permette, con un investimento relativamente ridotto, a scelta:

- di aumentare la distanza di alimentazione (maggiori distanze fra le sottostazioni).

- Di ridurre le perdite nei cavi (riduzione del consumo energetico) con distanze fra le sottostazioni rimaste uguali e con uguale potenza dei veicoli motore.

- Di aumentare la densità di traffico o l'esercizio con veicoli di maggiore potenza senza andare al di sotto della minima tensione di esercizio mantenendo uguali le distanze fra le sottostazioni e le sezioni dei cavi di contatto. Le forme di esecuzione illustrate del dispositivo secondo il trovato per la compensazione della caduta di tensione in linee ferroviarie in corrente continua offrono i seguenti vantaggi:

- un aumento di flessibilità nella scelta del punto di installazione: se nel punto di installazione considerato vantaggioso per il booster di tensione non esiste una adatta possibilità di collegamento alla rete in corrente alternata, il sistema in corrente continua del sistema di alimentazione della linea ferroviaria può venire utilizzato esso stesso come sorgente per la tensione addizionale.

- Diversi gradi di libertà per la realizzazione, a costi ottimali, del convertitore 15 autocondotto, del trasformatore 14 a raddrizzatori e del raddrizzatore 12: la tensione di uscita del convertitore non deve essere sinusoidale e inoltre si può scegliere liberamente la sua frequenza. Quest'ultimo è un parametro importante soprattutto per l'ottimizzazione dei costi del trasformatore.

Legenda

1) Veicolo

2) Cavo di ritorno, corpo del binario messo a terra 3) Cavo di alimentazione, cavo di contatto o rotaia per la corrente

3a), 3b) Tratto del cavo di alimentazione

4) Rete a corrente alternata

5) Unità di alimentazione della linea, sottostazione

6) Raddrizzatore di alimentazione

10) Dispositivo per l'introduzione di una tensione addizionale, booster di tensione

11) Punto di separazione, pezzo di cavo di contatto isolato

12) Raddrizzatore

13 ) Bobina di livellamento

14 ) Trasformatore a raddrizzatori

15a) , 15b Convertitore ovvero regolatore per l'introduzione di una tensione addizionale regolata

16) Circuito intermedio in tensione continua

17 ) Condensatore di supporto

18) Interruttore a semiconduttori per ritornare l'energia in direzione della sottostazione e di altri tratti di linea

19) Convertitore per l'accoppiamento alla rete in corrente alternata

20) Trasformatore a convertitore

21) Diodo di disaccoppiamento per il condensatore di supporto

Claims

Rivendicazioni 1. Dispositivo per l'alimentazione di veicoli (1) azionati in corrente continua comprendente a) un sistema di cavi di contatto costituito da un cavo di alimentazione (3) e da un cavo di ritorno (2); b) almeno un raddrizzatore di alimentazione (6) accoppiato, dal lato della tensione alternata, ad una rete (4) in corrente alternata e che sul lato della tensione continua produce una tensione continua fra il cavo di alimentazione (3) e il cavo di ritorno (2), caratterizzato dal fatto che c) il cavo di alimentazione (3) è suddiviso, mediante almeno un punto di separazione (11), in un primo tratto (3a) opposto al raddrizzatore di alimentazione e in un secondo tratto (3b) rivolto al raddrizzatore di alimentazione e d) il punto di separazione (11) è bypassato mediante mezzi per la generazione di una tensione addizionale (10) che aumentano il potenziale del primo tratto (3a).
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che i mezzi per la generazione di una tensione addizionale (10) comprendono un raddrizzatore (12) collegato, sul lato della tensione alternata, ad un trasformatore a raddrizzatori (14) e che, sul lato della tensione continua, è inserito in serie con una bobina di livellamento (13) fra il primo (3b) e il secondo (3a) tratto del cavo di alimentazione.
3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il punto di separazione (il) è bypassato anche mediante un interruttore a semiconduttori (18) disinseribile o mediante un interruttore rapido meccanico.
4. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il trasformatore a raddrizzatori (14) è collegato alla rete (4) a corrente alternata e il raddrizzatore (12) comprende tiristori.
5. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il trasformatore a raddrizzatori (14) è collegato alla rete a corrente alternata tramite un regolatore (15b) e il raddrizzatore (12) comprende diodi.
6. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il trasformatore a raddrizzatori (14) è collegato, tramite un primo convertitore (15a), ad un circuito intermedio (16) in tensione continua comprendente un condensatore di supporto (17).
7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il circuito intermedio (16) a tensione continua è collegato direttamente, o tramite un diodo (21), ad un tratto del cavo di alimentazione (3).
8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il circuito intermedio (16) a tensione continua è collegato alla rete (4) a corrente alternata tramite un secondo convertitore (19) e un trasformatore a convertitore (20).
9. Dispositivo secondo una delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che fra due unità (5, 5') di alimentazione della linea è previsto un numero pari di mezzi per generare una tensione addizionale (10, 10</ >).