Condensatori per la trazione

Per accelerare e decelerare gradualmente, i motori elettrici dei treni hanno bisogno di una potenza opportunamente controllata. Il dispositivo più comunemente utilizzato oggi è l’inverter, un circuito elettronico di potenza che attiva e disattiva la corrente a intervalli di poco meno di un millesimo di secondo. Modificando il tempo di attivazione e disattivazione degli interruttori, l’inverter può facilmente controllare la quantità di potenza erogata ai motori elettrici del treno. Ad esempio, il 100% del tempo equivale alla potenza massima e il 50% del tempo equivale a metà potenza. Grazie all’inverter il macchinista può controllare la potenza necessaria a condurre il treno senza generare un calore eccessivo, un problema tipico dei sistemi tradizionali che impiegano gruppi di resistenza per dissipare la potenza non utilizzata dai motori. Una delle sfide cui devono far fronte i progettisti che realizzano inverter è che le linee di alimentazione lunghe (ad esempio la linea aerea di contatto dei sistemi ferroviari regionali) non sono in grado di gestire le rapide variazioni della corrente che le attraversa, proprio le variazioni che l’inverter genera per controllare la potenza erogata ai motori elettrici. La soluzione consiste nell’utilizzare un condensatore per accumulare corrente elettrica. In questo modo, se l’inverter disattiva la corrente, tutta la corrente elettrica si riversa nel condensatore, invece quando l’attiva, la corrente viene fornita dalla linea di alimentazione e dal condensatore. Con un condensatore opportunamente dimensionato, la corrente della linea di alimentazione è quella media richiesta dai motori elettrici in quel momento e non subisce variazioni rapide. La corrente nel condensatore è la differenza tra questa corrente media, che cambia lentamente, e la corrente di accensione/spegnimento derivante dall’inverter; tale corrente è definita anche “corrente di ripple”. Esistono diversi tipi di condensatori, ognuno dei quali presenta una serie di vantaggi e svantaggi. Nelle applicazioni di trazione i condensatori più utilizzati sono quelli a film plastico o elettrolitici in alluminio. I condensatori a film plastico difficilmente si riscaldano a causa della corrente di ripple, cambiano raramente le loro caratteristiche nel tempo e sono in grado di gestire tensioni di alimentazione fino a 20 kV. Per le tensioni di alimentazione fino a 1,2 kV, i condensatori elettrolitici in alluminio possono accumulare la stessa quantità di corrente di quelli a film plastico, ma con un package più piccolo e a costi inferiori; tuttavia si riscaldano a causa della corrente di ripple, hanno una durata limitata, che dipende dalla temperatura, e necessitano di un processo di progettazione più complesso.

La scelta del condensatore più adatto

I condensatori elettrolitici in alluminio vengono utilizzati soprattutto in due applicazioni di trazione: condensatori Dc-link negli azionamenti per trazione, utilizzati per controllare la velocità di motori elettrici di grandi dimensioni; condensatori Dc-link negli alimentatori ausiliari per materiale rotabile (ad esempio il condizionamento dell’aria). In entrambe le applicazioni il condensatore in alluminio viene utilizzato come buffer di energia per garantire il funzionamento stabile dell’inverter a commutazione che controlla il motore o il circuito di potenza ausiliario. Questo condensatore funge anche da filtro per evitare interferenze causate dai componenti ad alta frequenza dell’inverter a commutazione. Il principale criterio di selezione del condensatore ad alluminio è la corrente di ripple necessaria, costituita da correnti di ripple ad alta frequenza generate dall’inverter e comprese tra 8 kHz e 20 kHz. Per massimizzarne la durata, il condensatore in alluminio deve essere posizionato nella zona più fredda del circuito. Il raffreddamento forzato o un dissipatore di calore possono aumentare la vita utile del dispositivo, soprattutto in combinazione con la costruzione a catodo esteso all’interno del condensatore ad alluminio. È consigliabile specificare la capacità minima richiesta per garantire il funzionamento stabile dell’azionamento. Una bassa induttanza inoltre migliora il filtraggio del rumore di commutazione. È possibile raggiungere valori Esl inferiori a 13 nH nel caso di dispositivi con morsetti a vite in contenitori di grandi dimensioni. I collegamenti in serie e paralleli sono normalmente utilizzati con i condensatori in alluminio, dato che le tensioni del materiale rotabile possono facilmente raggiungere i 1200 V. In questi casi si possono utilizzare tre condensatori in alluminio in serie, facendo attenzione a bilanciare la tensione intermedia tra i condensatori, di solito mediante le cosiddette resistenze di dispersione.

Caratteristiche ideali

La serie 110 PHT-ST a marchio Vishay è la più adatta per questo tipo di utilizzo. Questa serie, progettata per l’uso in applicazioni di trazione, è caratterizzata da correnti di ripple elevate e lunga durata. L’esperienza di Vishay nello sviluppo di morsetti a vite risale al 1988, e prima ancora a quando operava con il marchio Philips. Nei progetti di ristrutturazione, l’intercambiabilità meccanica e la fornitura di assistenza tecnica per la selezione del ricambio migliore sono caratteristiche fondamentali ove si decida di non lavorare con il fornitore Oem. Vishay offre prodotti personalizzati in base alle esigenze dei clienti, caratterizzati da intervalli di temperature compresi tra 85 e 105 °C e una vita utile che va da 2.000 a 15.000 ore con temperature massime. Una vita utile di 100.000 ore a 70 °C è un’altra opzione raggiungibile grazie ai componenti standard Vishay. L’azienda è inoltre in grado di fornire calcoli della vita utile necessari per determinare le prestazioni del condensatore in relazione alla durata dell’applicazione specifica. La filettatura è espressa secondo il sistema metrico e in pollici. Viti e rondelle sono fornite in dotazione ai condensatori.

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