Mobilità elettrica su rotaia

TRASPORTI –

Ferrovie, reti tramviarie e metropolitane impiegano le tecnologie elettroniche per fornire energia ai convogli e per gestire il traffico in sicurezza. Il settore, in continua evoluzione, rappresenta un mercato importante per l’industria elettronica.

Le grandi aspettative che oggi si concentrano sull'automobile a batteria non devono far passare in secondo piano l'importanza dei tradizionali mezzi di “mobilità elettrica”: treni, metropolitane e tram. Le infrastrutture di trasporto su rotaia hanno origini lontane, ma la loro evoluzione tecnologica non si è affatto arrestata - anche grazie a una massiccia iniezione di tecnologie elettroniche e informatiche. Questo particolare settore applicativo - nel quale operano colossi come Abb, Alstom. Ansaldo Sts, Bombardier, Siemens ecc. - continua quindi a rappresentare un mercato molto importante per l'industria elettronica. Il ruolo delle soluzioni elettroniche nel trasporto elettrico su rotaia riguarda due aspetti principali: la gestione dell'alimentazione elettrica e la gestione del traffico.

Gestione dell'alimentazione elettrica
Com'è noto, il trasporto elettrico su rotaia si basa sull'elettrificazione delle linee, cioè sull'installazione di conduttori (cavi aerei nel caso dei treni e dei tram, una rotaia aggiuntiva nel caso delle metropolitane) che accompagnano i binari per tutta la loro lunghezza, fornendo corrente ai convogli. Per ragioni storiche, le reti elettriche dei trasporti su rotaia non hanno mai utilizzato in modo diretto l'energia fornita localmente dalle “normali” reti di distribuzione elettrica, ad esempio la corrente alternata trifase a 50 hertz; in ogni paese e per ogni tipo di infrastruttura (treno, tram, metro) sono state infatti sviluppate molte soluzioni di alimentazione diverse. La gamma degli standard locali comprende la corrente continua, l'alternata monofase e l'alternata trifase, con tensioni di 600, 750, 1500, 3000, 15.000 o 25.000 volt; nel caso della corrente alternata, inoltre, la frequenza può essere di 16,7 hertz o 50 hertz. Fin dagli albori del trasporto elettrico, quindi, è esistita la necessità di convertire l'energia di rete nella forma richiesta dal particolare standard di elettrificazione adottato. Un tempo questa conversione veniva effettuata con una trasformazione intermedia in energia meccanica, cioè alimentando un motore elettrico che a sua volta muoveva un generatore; oggi, invece, si utilizzano apparati elettronici. I convertitori utilizzati per alimentare le linee di trasporto su rotaia sono sistemi elettronici di enorme potenza: a titolo d'esempio citiamo il più potente in assoluto, recentemente realizzato da Abb in Germania, che eroga ben 413 megawatt. È utilizzato per collegare la rete elettrica a 50 hertz con la rete di elettrificazione ferroviaria a 16,7 hertz. Anche in questi enormi convertitori si è imposta la tecnica Pwm (modulazione della larghezza degli impulsi), grazie allo sviluppo di nuovi componenti di potenza che offrono caratteristiche ottimali, come gli Igct (Integrated Gate Commutated Thyristor). Nel caso di linee alimentate in corrente continua, invece, la conversione energetica richiede ovviamente l'uso di enormi raddrizzatori basati su diodi di potenza. In prospettiva le esigenze di conversione “a monte del treno”, per così dire, dovrebbero diminuire con la diffusione di locomotori progettati per utilizzare direttamente l'energia di rete a 50 hertz. L'elettrificazione delle linee è solo una metà del “problema alimentazione”; l'altra metà riguarda la gestione dell'energia elettrica a bordo del veicolo, cioè di quello che nel gergo ferroviario si definisce “materiale rotabile”. La necessità di gestire elettronicamente l'energia fornita ai motori elettrici non dipende solo dai requisiti di controllo della velocità, ma anche da altre due esigenze tipiche del trasporto su rotaia: l'adattamento rispetto al locale standard di elettrificazione (si pensi ad esempio a una linea in corrente continua che deve alimentare un motore in corrente alternata) e l'esistenza di molteplici standard (i treni che attraversano confini tra Stati devono essere in grado di utilizzare tensioni diverse, o di funzionare sia in continua sia in alternata ecc.). Anche i convertitori collocati a bordo dei convogli sono sistemi elettronici di grosse dimensioni, raffreddati a liquido, basati su componenti di potenza come gli Igbt.

Tendenze nel campo della gestione energetica
Anche ai trasporti su rotaia, come alle altre utenze elettriche, viene oggi richiesto di ridurre i consumi e di non immettere disturbi nella rete di distribuzione, due requisiti che spesso comportano l'uso di ulteriori sistemi elettronici. Una delle nuove soluzioni per la riduzione dei consumi si basa sulla frenata rigenerativa: mentre il convoglio rallenta, i suoi motori agiscono come generatori e cedono energia alla rete. L'energia così generata deve essere gestita elettronicamente, anche perché in alcuni casi non può essere ceduta immediatamente alla rete e deve quindi essere accumulata. A questo scopo alcune aziende propongono sistemi di accumulo temporaneo basati su supercondensatori, posti a bordo del convoglio oppure in apposite installazioni a terra. La riduzione dei disturbi immessi in rete si basa invece su grandi sistemi elettronici detti Facts (Flexible Alternating Current Transmission System) ed Svc (Static Var Compensator). Questi sistemi possono anche compensare gli squilibri di carico tra le tre fasi della “normale” rete di distribuzione elettrica, nel caso delle linee ferroviarie alimentate in monofase. I progressi dell'elettronica di potenza (in particolare la riduzione delle dimensioni dei convertitori) consentono oggi di apportare innovazioni anche al materiale rotabile. Una delle tendenze in atto è l'adozione di sistemi a “trazione distribuita”, cioè l'impiego di numerose carrozze motorizzate al posto di un singolo locomotore. In questo modo diviene possibile utilizzare motori e convertitori di minori dimensioni, che possono essere collocati sotto il pavimento delle carrozze liberando spazio per i passeggeri. La riduzione degli ingombri viene ottenuta anche grazie all'adozione di motori a magneti permanenti. Per quanto riguarda specificamente i tram, va ricordata la disponibilità di sistemi di alimentazione a induzione che utilizzano un conduttore annegato nella pavimentazione stradale. Ciò consente di fare a meno dei cavi aerei nelle zone di particolare valore storico e artistico.

Gestione del traffico
L'altra grande area applicativa dell'elettronica nel campo dei trasporti elettrici su rotaia è la gestione del traffico, un problema che iniziò a farsi sentire già ai tempi delle locomotive a vapore. Treni, tram e metro possiedono infatti due caratteristiche particolarmente critiche ai fini della sicurezza: si muovono su percorsi obbligati (quindi non possono scansare gli ostacoli) e richiedono lunghissimi spazi di arresto. Ciò significa che per evitare il rischio di collisioni è fondamentale il rispetto delle distanze di sicurezza. Ma - a differenza di quanto avviene per i veicoli stradali - navigare a vista non è possibile, perché le distanze di sicurezza necessarie sono troppo lunghe. Questo è il motivo per cui il trasporto ferroviario ha sempre utilizzato sistemi automatici per rilevare la posizione dei convogli e fornire indicazioni agli altri macchinisti, per mezzo di appositi segnali. Un tempo questi sistemi erano ovviamente molto semplici: citiamo, a titolo d'esempio, il cosiddetto “circuito di binario”, che consente di rilevare la presenza di convogli su un certo tratto della linea grazie al fatto che l'asse delle ruote (costituito da un unico pezzo di ferro) chiude il circuito elettrico tra le due rotaie. Nel corso del tempo ogni paese ha sviluppato i propri sistemi di segnalazione e “protezione dei treni”, con una conseguente proliferazione di standard. Il sistema utilizzato in Italia sulle linee con elettrificazione a 3000 volt in corrente continua si chiama Bacc (Blocco Automatico a Correnti Codificate) e impiega correnti modulate che vengono immesse sulle rotaie. In generale, il limite dei sistemi tradizionali di “protezione dei treni” sta nel fatto che la posizione del convoglio viene determinata con scarsa precisione: è possibile solo sapere se un certo segmento di linea è libero oppure occupato, il che impedisce di sfruttare al massimo l'infrastruttura. Per massimizzare la capacità di trasporto, infatti, occorre immettere nella linea il maggior numero possibile di convogli, riducendo la distanza di sicurezza al minimo indispensabile. Le nuove soluzioni elettroniche servono proprio a conciliare sicurezza e produttività: consentono infatti di determinare con la massima precisione l'effettiva posizione e velocità di tutti i convogli, inoltre garantiscono l'azionamento automatico dei freni in caso di necessità.

Verso la standardizzazione
Non è possibile qui ripercorrere le tappe di questa evoluzione, né descrivere tutte le diverse soluzioni esistenti; ci limiteremo quindi a citare quelli che attualmente appaiono come i punti d'arrivo, cioè lo standard Etcs in campo ferroviario e i sistemi Cbtc nel campo delle metropolitane. Lo standard Etcs (European Train Control System), sviluppato nell'ambito dell'iniziativa europea Ertms (European Rail Traffic Management System), comprende quattro diversi livelli di funzionalità. Al livello più alto il treno comunica via radio la propria posizione al sistema centrale, consentendo a quest'ultimo di decidere la “spaziatura” tra i convogli sulla base delle loro reali posizioni, anziché suddividendo la linea in tronchi liberi/occupati. Funzionano in modo analogo anche i moderni sistemi Cbtc (Communications-Based Train Control) utilizzati per le metropolitane.
L'aspetto applicativo che qui abbiamo definito come “gestione del traffico” comprende anche l'azionamento degli scambi, un'altra attività che oggi viene svolta elettronicamente. Entrambe queste funzioni tendono oggi a convergere verso sistemi centralizzati di comando e controllo che integrano anche l'azionamento dei passaggi a livello, il rilevamento della temperatura delle boccole dei rotabili circolanti, la videosorveglianza degli impianti, gli annunci sonori e visivi dei passaggi dei treni ecc. Questi sistemi centralizzati consentono agli operatori di controllare numerose linee e nodi ferroviari da una singola sala, caratterizzata da un grande display che visualizza la posizione dei convogli. La pianificazione del traffico su una grande rete ferroviaria o metropolitana è un problema logico che oggi viene affrontato anche tramite tecniche di verifica formale simili a quelle utilizzate nella progettazione dei circuiti integrati. Non a caso, nel 2008 la società svedese Prover, specializzata nel software per la pianificazione del traffico ferroviario, ha ricevuto un importante finanziamento da Synopsys.

Altre aree applicative dell'elettronica
Un cenno, infine, alle altre aree applicative dell'elettronica nel campo dei trasporti elettrici su rotaia. In generale, il contenuto elettronico del “materiale rotabile” è in aumento: alcuni tram, ad esempio, utilizzano sistemi elettronici di compensazione del rollio per aumentare la velocità in curva, mentre molti treni sono oggi dotati di una rete Ethernet di bordo che consente anche di fornire servizi ai passeggeri. Nelle infrastrutture, inoltre, l'elettronica è fondamentale per fornire una varietà di servizi oggi irrinunciabili, come l'informazione ai passeggeri (display, annunci sonori) la videosorveglianza, l'emissione dei biglietti, il controllo degli accessi ecc. Molte, quindi, le opportunità per l'industria elettronica, che per interfacciarsi nel modo migliore con un mercato così particolare può fare riferimento anche ai requisiti posti dalla certificazione Iris (International Railway Industry Standard).

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