ITTO20070616A1 - Sistema di simulazione di circuiti di binario per applicazioni ferroviarie - Google Patents

Description

DESCRIZIONE del Brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

"Sistema di simulazione di circuiti di binario per applicazioni ferroviarie"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un sistema di simulazione di circuiti di binario di linee ferroviarie, in grado cioè di simulare le condizioni che si creano nel circuito di binario al passaggio di un treno su una tratta ferroviaria, per verificare così l'affidabilità della risposta dell'apparecchiatura di segnalazione dell’occupazione di binario.

Come noto, per rilevare l'avanzamento dei treni lungo una linea ferroviaria, si applica separatamente una tensione alternata a ciascuno dei tratti di binario in cui la linea è suddivisa, e si rilevano tali tensioni mediante specifici circuiti di segnalamento. Tali sistemi sono caratterizzati sostanzialmente da un alimentatore di corrente alternata a frequenza maggiore di oHz che è connesso fra le rotaie di una tratta di binario, da un dispositivo segnalatore e dalla cassa induttiva. L’alimentatore e il segnalatore sono separati galvanicamente dal binario associato mediante rispettivi accoppiamenti induttivi. La corrente generata viene normalmente trasferita per via induttiva per mantenere eccitato un relè elettromagnetico. Quando un treno entra sul tratto di binario in questione, esso, mentre da un lato scarica una forte corrente continua dalla linea aerea verso terra attraverso i propri motori di trazione, dall'altro cortocircuita col proprio assale le rotaie fra di loro. Il cortocircuito annulla il segnale generato dall’alimentatore trasmesso induttivamente sul binario tramite la cassa induttiva, diseccitando il relè e provocando l'accensione del dispositivo di segnalamento, per segnalare così che un convoglio ha impegnato quella tratta di binario.

Il suddetto sistema di segnalamento mediante casse induttive era realizzato originariamente per funzionare con locomotori ferroviari dotati di motori regolati con reostati, i quali perciò scaricavano a terra una corrente puramente continua. Invece, nei moderni locomotori, la regolazione della corrente di trazione avviene mediante triac o altri dispositivi parzializzatori. Questi, oltre alla componente continua, immettono nei motori anche componenti di corrente alternata con corredo di armoniche, le quali si scaricano nelle rotaie attraverso l'assale del locomotore e si sovrappongono alla corrente generata dall’alimentatore, causando disturbi anche di consistente entità. Infatti, tali componenti armoniche, se superiori a quelle previste, possono talvolta giungere al dispositivo di segnalamento diseccitandone il relè, e determinando un falso azionamento.

Scopo principale dell'invenzione è quindi di realizzare un sistema di prova di circuiti di binario per applicazioni ferroviarie, atto a riprodurre e controllare il disturbo condotto iniettato dal treno al suo passaggio sul binario, e facilmente valutare le maschere di livello che determinano il malfunzionamento.

Un altro scopo è di realizzare tale sistema di prova in modo da tener conto di tutti gli elementi in gioco, simulando sia la corrente distorta generata dal treno sul binario, sia il comportamento del binario e quello del cavo di segnalamento.

Un altro scopo dell'invenzione è di realizzare tale sistema di prova in modo da permettere la determinazione dei parametri di prova in modo diretto e preciso.

Il sistema di prova secondo l'invenzione consente così di individuare esattamente quale segnale arriva al relè del dispositivo di segnalamento, determinando le circostanze dei malfunzionamenti, e quindi di escogitare soluzioni volte ad eliminarli.

I suddetti scopi, insieme ad altri scopi e vantaggi quali risulteranno dal seguito della descrizione, sono raggiunti dall'invenzione con un sistema di prova per circuiti di binario ferroviario avente le caratteristiche recitate nella rivendicazione 1.

Nelle rivendicazioni subordinate sono esposte altre caratteristiche vantaggiose dell'invenzione.

Si descriveranno ora alcune realizzazioni preferite dell'invenzione, con riferimento ai disegni allegati, in cui:

la Fig. ì è uno schema elettrico di un tratto di linea ferroviaria comprendente più tratte di binario con casse induttive (induttanze 17 - 20 e I8-19);

la Fig. 2 è simile alla Fig. 1, modificato per rappresentare un convoglio transitante;

la Fig. 3 è uno schema a blocchi di un sistema di simulazione di circuiti di binario secondo l'invenzione;

la Fig. 4 è uno schema circuitale preferito di un generatore di forme d'onda facente parte del sistema della Fig. 3;

la Fig. 5 è uno schema elettrico di un modulo di simulazione di binario secondo l'invenzione;

la Fig. 6 è il profilo in sezione di una rotaia tipica costituente il binario; la Fig. 7 è un diagramma utile per spiegare il calcolo dei parametri del modulo di simulazione di binario della Fig. 6; e

la Fig. 8 è uno schema elettrico di un modulo di simulazione di cavo secondo l'invenzione.

Con riferimento alla Fig. 1, essa mostra schematicamente una tratta di linea ferroviaria comprendente più tratti di binario ferroviario successivi, formati rispettivamente da coppie di rotaie 10, 12, 14. Le rotaie di ogni coppia sono elettricamente isolate tra di loro e sono isolate dalle rotaie dei tratti di binario adiacenti, ma fanno capo a terra. In modo noto di per sé, una linea elettrica aerea di potenza 16 si estende al di sopra del binario 10, 12, 14, ed è alimentata in corrente continua, tipicamente a 3kV.

Fra le rotaie 12 è collegata l'induttanza primaria 18 della cassa induttiva a cavallo delle rotaie 12 e 14 e l’induttanza secondaria 20 della cassa induttiva tra le rotaie 12 e 10. Un alimentatore 22 di tensione alternata a frequenza opportuna prestabilita trasferisce per via induttiva il proprio segnale alfavvolgimento 18 per essere a sua volta trasferito all’avvolgimento 24 tramite l’avvolgimento 20, e applicato ai capi del relè 26 del circuito di segnalamento. La cassa induttiva è collegata fra ogni due tratti di binario 10, 12, 14, ... adiacenti.

Quando una tratta di binario è libera, cioè nessun convoglio sta transitando su di essa, la corrente generata dall’alimentatore 22 arriva all'awolgimento 24, mantenendo così eccitato il relè 26 e quindi spento il segnalamento. Il percorso della corrente di segnalamento è raffigurato in Fig. 1 con linea tratteggiata indicata col riferimento Is.

In Fig. 2 è rappresentata la situazione che si crea quando un convoglio entra sul tratto di binario io. L'assale 28 del locomotore passante (non illustrato) cortocircuita fra di loro le due rotaie, modificando il percorso della corrente di segnalamento Iscome indicato con linea tratteggiata. Allo stesso tempo, dalla linea aerea 16 una corrente continua di trazione It si scarica verso il binario, attraverso il motore del treno, qui rappresentato schematicamente dalle resistenze equivalenti 30 e 31. In Fig. 2 sono indicati con Iti e It2 i percorsi (raffigurati a linee tratteggiate) delle due correnti parziali che si scaricano nelle due rotaie e la cui somma forma la corrente di trazione complessiva Iti.

La corrente continua non interferisce di per sè col funzionamento della circuito di segnalamento, il cui segnale utile è quello generato dall’alimentatore, ma la presenza dell'assale, che cortocircuita le due rotaie 10, provoca l'azzeramento del segnale d'ingresso alla mutua induttanza 20. Il relè 26 quindi non riceve più alcun segnale e si diseccita, attivando così il segnalamento per indicare che il tratto di binario in questione è occupato da un convoglio.

Tuttavia, come esposto nell'introduzione, nei moderni locomotori la regolazione della corrente alimentata ai motori di trazione avviene per parzializzazione ad alta frequenza, mediante interruttori elettronici quali triac o diodi controllati. Tale parzializzazione dà luogo a una componente alternata di corrente, accompagnata da armoniche, a frequenze non lontane da quella della corrente di segnalamento. Le correnti generate dalla parzializzazione, pur scaricandosi teoricamente sulle due rotaie, presenta inevitabilmente componenti che danno luogo a correnti di disturbo nel circuito di segnalamento. Tali disturbi possono provocare i malfunzionamenti sopra accennati.

Per affrontare tale problema, il sistema di simulazione dell'invenzione, con riferimento alla Fig. 3, comprende un generatore di forme d'onda 40, descritto nel seguito, alimentato dalla rete 41, il quale genera una corrente di forma d'onda prefissata che è applicata ai terminali d'ingresso 42 di un quadripolo 44, costituente un simulatore di binario, pure descritto nel seguito. Infine, i terminali d'uscita 46 del quadripolo 44 sono collegati, tramite un simulatore di cavo 49, a un dispositivo di segnalamento 48 che comprende solitamente, in modo per sé noto, un relè (non illustrato) che diseccitandosi comanda la chiusura di un interruttore per accendere un dispositivo di segnalamento (pure non illustrato).

Il generatore 40, come si spiegherà ulteriormente nel seguito, è regolato per riprodurre la corrente che è stata realmente misurata con un oscilloscopio sul motore del locomotore durante una campagna di misure, ma potrebbe anche essere programmato per generare una forma d'onda sulla base di una maschera o spettro delle frequenze che si creano nel funzionamento del locomotore.

Al generatore di forme d'onda 40 si richiede la capacità di fornire una forma d'onda di corrente di grande potenza e con notevole dinamica: esso infatti deve essere in grado di generare le correnti distorte prevedibili per la trazione ferroviaria ed il segnalamento, in una banda di frequenze abbastanza estesa da riprodurre la forma d'onda desiderata con ragionevole fedeltà. Benché in linea di principio sia sempre possibile amplificare un segnale elettrico fino al livello richiesto a partire da una qualsiasi forma d'onda, in pratica questa soluzione presenterebbe difficoltà di vario tipo. E' infatti molto difficile, se non in pratica impossibile, realizzare amplificatori di tale potenza e tale dinamica, che si basino su tecnologie convenzionali a transistori. L'invenzione prevede quindi di realizzare tale apparecchiatura secondo lo schema della Fig. 4.

Come si vede in Fig. 4, il generatore 40 comprende uno stadio raddrizzatore costituito da un ponte di diodi 50 alimentabile (come detto sopra con riferimento alla Fig. 3) dalla rete elettrica con corrente alternata a 50 Hz e da da un filtro resistivo-capacitivo 52, il quale fornisce una corrente rettificata e grossolanamente livellata. La corrente rettificata è applicata a ai capi di un ponte modulatore formato di quattro IGBT 54, aventi in parallelo rispettivi diodi 56 di "free-wheeling". I nodi fra le coppie di IGBT 54 nei due rami del ponte fanno capo ai terminali d'uscita 42 del generatore di corrente, dai quali viene fornita la corrente al simulatore di binario 44 della Fig. 3.

Le rispettive porte di controllo dei quattro IGBT 54 sono pilotate dalle uscite di un controllore 60, il quale emette in sequenza i comandi di commutazione secondo prescrizioni calcolate in base alla corrente rilevata con oscilloscopio o analizzatore di forme d'onda. Inoltre, il controllore 60 riceve un segnale di retroazione da un amperometro 64 che legge la corrente uscente dai terminali d'uscita 42 del generatore di corrente.

Il segnale di retroazione consente al controllore 60 di compensare anche le componenti alternate di disturbo contenute nella corrente (solo grossolanamente filtrata) fornita al ponte modulatore 54, 56 dal ponte di diodi 50 e dal filtro 52. Ciò evita di dover sottoporre la corrente rettificata a un costoso livellamento per ottenere una corrente continua pulita.

Il quadripolo 44 ha il compito di simulare il tronco di binario (risp. 10, 12 o 14). Con riferimento alla Fig. 5, ciascuna delle rotaie è equivalente a una resistenza Ri e un'induttanza Li in serie, nonché anche a un gruppo induttivo-resistivo L2-R2 in serie, che rappresenta la differenza di comportamento alle alte e alle basse frequenze, come si chiarirà meglio nel seguito. Inoltre, le due rotaie risultano accoppiate fra di loro da una mutua induttanza Mi, e da una capacità di perdita fra le due rotaie, sdoppiata in due capacità Ci rappresentanti una capacità distribuita. Più in dettagliato, la resistenza Ri rappresenta la resistenza del binario in continua, ed è facile da misurare individualmente con le usuali tecniche di misurazione di resistenza; anche la mutua induttanza M e la capacità di perdita trasversale C (attribuita in due metà) si misurano facilmente con tecniche convenzionali di misura di tensione e di corrente.

Per ciò che riguarda il gruppo L1-L2-R2, la presenza di tali parametri è legata al fatto che la rotaia non può essere assimilata a un conduttore filiforme, bensì è costituita da un conduttore massiccio (cioè di grossa sezione), di resistività relativamente elevata, soggetto in modo sostanziale all'effetto pelle, per il quale il contributo della superfìcie del conduttore alla conduzione cresce al crescere della frequenza, a scapito della parte interna del conduttore, che partecipa in misura progressivamente minore alla conduzione della corrente. Il parametro R2 risulta perciò crescente al crescere della frequenza, con un andamento che dipende tra l'altro dalla forma della rotaia, la cui sezione tipica è rappresentata a titolo d'esempio in Fig. 6.

La separazione dei parametri L1-L2-R2 può essere affrontata applicando la procedura descritta nell'articolo di A. Gerì, M. La Rosa e G.M.

Veca "Modeling and analysis of electric and magnetic coupled probi ems under nonlinear conditions" in J. Appi. Phys. 75 (10), 15 maggio 1994, in cui si descrive un metodo numerico per risolvere problemi elettrici e magnetici nonlineari in barre collettrici (busbar systems). Si rimanda a tale studio per una descrizione più dettagliata della procedura di analisi, e ci limiterà qui a una descrizione sommaria.

Secondo il suddetto approccio, il problema di separare i vari contributi viene affrontato con una procedura iterativa atta a risolvere separatamente le equazioni di campo e le equazioni di circuito. La rotaia è rappresentata come un fascio di conduttori filiformi, includendo un generatore di tensione ideale variabile nel tempo, legato alla resistenza di conduttore. Il generatore rappresenta tutti gli effetti elettromagnetici indotti.

Le equazioni di campo che si utilizzano derivano dalle equazioni di Maxwell nel caso di mezzo omogeneo. Nel caso di un sistema bidimensionale, trascurando i fenomeni di propagazione elettromagnetica, queste relazioni portano alle seguenti equazioni

Vx(vVxA) = J (1)

Usando il Calibro di Coulomb (V*A = o), l'equazione (1) diventa:

- (V*vV)A = J (2)

dove

j =σν·ν <j(3A/3t).

L'equazione (2) diventa perciò:

-(V*vV)A oV*V o(3A/3t) = o (3) Imponendo i valori stimati del gradiente di tensione si risolve l'equazione (3) in modo per sé noto, per mezzo dell'Analisi ad Elementi Finiti (Finite Element Analysis). In seguito, per mezzo di un'appropriata postelaborazione si valuta la forza elettromotrice indotta (EMF) sul k-esimo conduttore in base alla seguente relazione:

dove lke Sksono rispettivamente la lunghezza e la sezione trasversale del conduttore. Da questi due valori si valuta il gradiente di tensione tramite successivi processi, utilizzando le analisi di circuito. Pertanto, per un assegnato valore di caduta di tensione, si valuta la corrispondente corrente, in parte reale e immaginaria, stimando il contributo dell'autoinduttanza e le perdite. L'analisi di campo si riferisce alla linea di rotaia con struttura di acciaio. La sezione trasversale di questo sistema è rappresentata in Fig. 7. La linea di campo elettromagnetico viene risolta con un problema simmetrico bidimensionale a limite aperto. Per fare questo, il dominio bidimensionale corrispondente alla sezione trasversale della rotaia e alla regione circostante è diviso in due sotto-domini (v. Fig. 7): uno centrale, caratterizzato per mezzo di elementi finiti ordinari e uno perimetrale che è caratterizzato da infiniti elementi di confine (IBEs, ovvero Infinite Boundary Elements).

La procedura sopra accennata permette di ottenere un'approssimazione ottimale dei parametri elettrici del simulatore mediante un calcolo diretto, ma naturalmente una stima più grossolana di tali parametri può essere ottenuta anche in altro modo, compresa una procedura empirica di prove e raffinamenti successivi, come risulterà ovvio per l'esperto nel ramo.

La Fig. 8 rappresenta il simulatore del cavo fra la cassa induttiva vera e propria e le rotaie del binario. Il cavo è un conduttore approssimativamente filiforme, e per tale motivo esso è simulato con un quadripolo bilanciato avente una resistenza R3 e un'induttanza L3 in serie rispettivamente nei due rami longitudinali, una mutua induttanza M2 che simula l'accoppiamento tra i fili diversi, e una capacità di perdita trasversale C2 (attribuita in due metà).

Come nel caso del quadripolo della Fig. 5, anche qui è facile con con tecniche di misura convenzionali misurare i valori dei quattro parametri elettrici in gioco nella Fig. 8. Con il modello adottato, la determinazione dei parametri del cavo richiede solo una prova ad estremi in corto circuito e una ad estremi a circuito aperto.

Come l'esperto nel ramo comprenderà prontamente, il sistema secondo l'invenzione permette, adottando lo schema della Fig. 3, di verificare come si comporta un dispositivo di segnalazione 48 in pratica (cioè con un dato binario e un dato locomotore), senza dover andare a eseguire i rilievi sul campo, utilizzando un simulatore di binario 44 calcolato preliminarmente per lo specifico tipo di binario d'interesse, e programmando il generatore di forme d'onda 40 in base al comportamento elettrico del locomotore, come rilevato o secondo le specifiche fornite dal fabbricante.

Inoltre, qualora per una stessa struttura di binario (tipo di rotaia, scartamento, ecc.) si avessero tratte con lunghezze multiple dei tronchi, le lunghezze multiple possono essere facilmente simulate disponendo in cascata più moduli di simulazione allestiti per la lunghezza basica.

Si sono descritti esempi preferiti di attuazione dell'invenzione, ma naturalmente è possibile apportarvi modifiche e varianti, nell'ambito dell'idea inventiva come definita dalle rivendicazioni allegate. In particolare, il generatore di corrente 40 potrebbe essere realizzato in forme diverse da quella illustrata, per esempio facendo uso di altri schemi circuitali o di altri dispositivi di commutazione a stato solido.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di simulazione di circuiti di binario per applicazioni ferroviarie, per testare il comportamento elettrico di un'apparecchiatura di segnalazione, caratterizzato dal fatto di comprendere: - un generatore di forma d'onda, regolabile per generare una corrente con spettro di frequenze desiderato corrispondente a quello della corrente di disturbo scaricata a terra da un locomotore selezionato che marci su un binario ferroviario formato di due rotaie (nonché risultante anche da altre interferenze similari); - un simulatore di binario comprendente una rete quadripolare avente caratteristiche d'impedenza equivalenti a quelle di una tratta di detto binario ferroviario, i terminali d'ingresso del simulatore di binario essendo collegati ai terminali di detto generatore di forme d'onda e i terminali d'uscita essendo collegabili ai terminali di detta apparecchiatura di segnalazione.
2. 2. Sistema di simulazione di circuiti di binario secondo la rivendicazione ì, caratterizzato dal fatto che detto simulatore di binario è costituito di un primo quadripolo simulante le rotaie del binario e di un secondo quadripolo simulante un cavo di connessione fra le rotaie del binario e l'apparecchiatura di segnalazione.
3. 3. Sistema di simulazione di circuiti di binario secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto primo quadripolo comprende due linee simulanti le rotaie e colleganti i rispettivi terminali d'ingresso e d'uscita, una resistenza, un'induttanza e un gruppo induttivo -resistivo parallelo, posti in serie in ciascuna di dette linee, dette linee essendo inoltre mutuamente accoppiate fra di loro da una mutua induttanza e da due capacità.
4. 4. Sistema di simulazione di circuiti di binario secondo la rivendicazione 2 0 3, caratterizzato dal fatto che detto secondo quadripolo comprende due linee simulanti detto cavo di connessione e colleganti i rispettivi terminali d'ingresso e d'uscita, una resistenza e un'induttanza poste in serie in ciascuna di dette linee, dette linee essendo inoltre mutuamente accoppiate fra di loro da una mutua induttanza e da due capacità.
5. 5. Sistema di simulazione di circuiti di binario secondo una delle riven dicazioni 1-4, caratterizzato dal fatto che detto generatore di forma d'onda comprende un ponte di dispositivi interruttori a stato solido alimentabile con corrente continua, e controllato da un controllore programmato per commutare detti dispositivi interruttori a stato solido secondo una sequenza di commutazione prestabilita.
6. 6. Sistema di simulazione di circuiti di binario secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto controllore riceve inoltre un segnale di retroazione costituito dalla corrente istantanea d'uscita del generatore di corrente.