Misurare l’energia nella trazione su rotaia

TRASPORTI –

Nuovi standard impongono requisiti di precisione nella misurazione dei flussi d’energia transfrontaliera nell’operatività della trazione su rotaia, portando a un radicale cambio di passo rispetto alle procedure del passato.

Poiché le reti ferroviarie ad alta velocità si espandono e il tempo di viaggio si restringe, i viaggi internazionali in treno sono nuovamente in voga. Per i viaggiatori, almeno all'interno dell'Unione Europea, le frontiere hanno cessato di esistere ma la cosa non è del tutto vera se parliamo dei treni in sé. La motrice che spinge i treni ancora effettuano una transizione nel passare da uno stato all'altro. L'energia prelevata dalle linee sopraelevate saranno ancora fornite, in molti casi, da provider di servizio ferroviario nazionali, e sarà discontinuo dal confine: potrebbe essere, o potrebbe anche non essere, di tensione e frequenza simili ai due capi della transizione. Questo mette i progettisti della trazione su rotaia davanti a una serie di problemi. Per primo, ed è il più ovvio, l'impianto di trazione deve essere “multi-standard” - cioè in grado di operare a partire da qualsiasi alimentazione incontrerà lungo il network che, con i piani di viaggio di oggi, possono significare più Paesi in un solo viaggio.

Misurazione on-board dell'energia
Un requisito un po' meno ovvio è la necessità di un accurato controllo dell'energia tratta dai motori di trazione, in ogni istante. Ogni ente fornitore di energia lungo la tratta richiede di essere pagato per l'energia che i treni internazionali usano mentre questi ultimi sono ancora entro i confini nazionali. Monitorare l'energia fornita a ogni treno dal lato del fornitore non è molto pratico, cosi l'unico modo possibile di produrre accurate informazioni di fatturazione è misurare e registrare i dati a frequenti intervalli durante il viaggio. Ogni registrazione in quel record deve anche riportare informazioni riguardo a dove fosse il treno a ogni misurazione; l'onnipresente Gps può prontamente fornire questa parte delle informazioni. Un'ulteriore complicazione è che i sistemi moderni di trazione impiegano la regenerative braking, facendo funzionare i loro motori come generatori e ritornando energia alla rete quando rallentano. Per precisione, tuttavia, i sistemi di misurazione dell'energia devono essere bidirezionali. Per armonizzare l'operatività di servizi internazionali, è stato emesso uno standard europeo che specifica esattamente come la Emf (Energy measurement function) deve essere realizzata. Il documento EN50463 fornisce le specifiche per un record che include parametri come dati e tempo, identificativo del treno, frequenza della rete - che può essere 16.7 Hz, 50 Hz, 60 Hz o CC - posizione e, centrale rispetto alla sua funzione, il profilo di carico. Il record deve contenere i dati assoluti di energia per entrambe le potenze, “reale” e reattiva, includendo informazioni inerenti l'energia che il treno incontra sulla linea in ogni istante.

Nuovi livelli di precisione nelle misurazioni
Dove la EN50463 fissa nuove sfide è nella precisione che richiede, specificata nei numeri in termini di “classR” (rail). I requisiti generali per la misurazione dell'energia sono una precisione di +/-1.5% per CA e +/-2% per CC. Ci sono tre elementi principali nella misurazione e rendicontazione dell'energia; i trasduttori per misurare correnti e tensioni istantanee, un contatore che tenga queste letture, calcoli e immagazzini i valori di energia. Per letture in CA, si deve tenere in conto la differenza di angolo di fase tra le forme d'onda di tensione e corrente per derivare i dati di energia sia reale che reattiva. Ognuno di questi elementi aggiunge alcune incertezze al processo e quegli errori si aggiungono in modo root-mean-square, come nella media di radice quadrata, (vale a dire, l'errore totale è la radice quadrata della somma dei quadrati dei valori dei singoli errori). E dunque, i trasduttori e i misuratori di energia devono avere performance individuali di tolleranza considerevolmente più ristrette di quanto la figura dell'errore complessivo possa suggerire. Per permettere ai progettisti di sistemi di trazione di soddisfare i requisiti della EN50463, LEM ha assemblato una offerta ben assortita di trasduttori con potenziata precisione combinati ai nuovi misuratori di energia EM4T II.

Trasduttori ad alta precisione di corrente e tensione
Misurare corrente ai livelli di precisione specificati nel nuovo standard è una sfida; ciò è persino più difficile in ambiante ferroviario, dove i trasduttori devono essere esposti ad ampie variazioni di temperatura ambientale, a grandi campi magnetici esterni e alti livelli di rumore elettrico. Le correnti stesse che debbono essere misurate contengono livelli di picco molto elevati e ampi transienti: tutto questo limita la scelta della tecnologica appropriata. La misurazione diretta attraverso uno shunt resistivo è possibile, e LEM può soddisfare le specifiche richieste con i trasduttori della propria linea DI quando questo metodo è richiesto. Tuttavia, una resistenza in linea di valore sufficientemente basso da tenere le perdite a valori accettabili al limite superiore del range di corrente è chiamato a produrre il necessario livello di precisione richiesto ai bassi valori di corrente, e gli effetti di auto-riscaldamento rendono il raggiungimento della linearità su tutta la gamma attuale di corrente molto difficoltoso. Inoltre, quell'approccio non fornisce isolamento galvanico. Perciò, in molti casi una misurazione indiretta della corrente viene preferita. Esistono diverse tecnologie per effettuare misurazioni indirette basate su campi magnetici generati dalle correnti attraverso i conduttori di alimentazione delle motrici. Nella loro forma fisica, questi appaiono superficialmente simili, un sensore toroidale con il conduttore primario che attraversa il centro dell'anello. La misurazione del flusso magnetico indotto nel toroide dalla corrente primaria è direttamente in relazione al valore di detta corrente.
Una forma di questo sensore utilizza l'effetto Hall per tradurre il flusso magnetico in un valore numerico. Tuttavia, i sensori ad affetto Hall hanno difficoltà a mantenere linearità attraverso un ampio range dinamico, come è quello specificato nel EN50463: possono anche mostrare una limitata precisione agli estremi alto e basso del proprio range di misurazione, dovuta agli effetti di saturazione e magnetizzazione residuale nei materiali magnetici. LEM ha scelto di risolvere il problema con un sensore Fluxgate, e ciò porterà a una certificazione in Classe 0.5R (+/-0.5% in precisione); l'azienda ha parecchi anni di esperienza nei sensori utilizzanti la tecnologia Fluxgate. Il sensore Fluxgate utilizza un principio di azzeramento; questo genera un flusso magnetico nel nucleo toroidale precisamente per bilanciare quello indotto dalla corrente primaria, e dal livello di ingresso necessario per farlo, ne deduce il valore di corrente. In pratica, il sensore pilota il nucleo magnetico con un segnale in CA ad alta frequenza che costantemente inverte la magnetizzazione del nucleo, portandolo alla caratteristica nota come curva B-H. Il campo magnetico addizionale che ne deriva a causa della corrente primaria modula questo comportamento; usando questo approccio il sensore può rilevare la condizione null con estrema sensibilità. Quale che sia il valore di corrente misurata il materiale magnetico viene portato alla saturazione in entrambe le direzioni, rimuovendo ogni diretta dipendenza tra linearità della misurazione e le caratteristiche del nucleo magnetico. Il risultato è un sensore che può offrire una precisione e linearità molto elevate in un ampio spettro dinamico. Nominalmente indicato per un massimo di 4000A, l'ITC4000 misura +/-6000A, con un consumo inferiore a 80 mA (a corrente primaria zero) fino a meno di +/-340 mA (a 4000A di corrente primaria) da una corrente di alimentazione di +/-24V al suo circuito di misurazione (secondario). Come sottolineato in precedenza, la tecnologia Fluxgate è in grado di esprimere livelli di precisione e linearità estremamente elevati; l'errore di linearità del ITC 4000 è al di sotto dello 0.05%. La sua corrente offset è inferiore a +/- 10mA e mostra anche una deriva termica estremamente bassa. ITC 4000 può operare tra -40 e +85 oC, e soddisfa o addirittura supera tutti gli standard specifici per gli ambienti di lavoro e sicurezza. La misurazione della tensione è effettuata della serie DV di LEM, che sarà disponibile con 1% o 0,75% di precisione full-range (precisione Classe 1R o Classe 0.75R certificata, come specificato negli standard di trazione ferroviaria). La serie centra o supera tutte le richieste di performance e sicurezza dei sistemi di trazione su rotaia, sia quelli in uso oggi che quelli pianificati per il futuro. Questi offrono isolamento per misurazioni di tensioni tra 1200 e 4200 V, in una package considerevolmente più piccolo rispetto ad altri prodotti.

Misurazioni per gli standard fiscali
A completare l'offerta c'è una nuova, potenziata, versione del misuratore di energia EM4T, l'EM4T II, classificato e certificato in Classe 0.5R per precisione. Questa compatta unità è un misuratore di energia single-phase che soddisfa tutti gli standard correnti e proposti per la misurazione dell'energia on-board nella trazione su rotaia e, soprattutto, è conforme con le specifiche della bozza del nuovo EN 50463. EM4T offre quattro canali di ingresso per accettare misurazioni da qualsiasi rete di alimentazione ferroviaria in CA o CC. Attraverso le misurazioni di tensione e corrente, calcola la potenza attiva e reattiva, compila un profilo di carico, e immagazzina i dati su una memoria flash interna; i dati sono registrati a intervalli selezionabili tra 1 e 60 minuti. I punti dati nel record sono stampigliati con informazioni come ora e data, identificativo del treno, e l'esatta posizione del treno ad ogni intervallo: la posizione geografica è fornita da un ingresso Gps dedicato dell'EM4T II. Registrando a intervalli di 15 minuti l'EM4T II ha sufficiente memoria per oltre 300 giorni di dati. Le interfacce dati real-time supportano anche lo scambio di dati con altri sistemi di treni, tra cui un driver display. L'EM4T II mostra un'eccellente immunità agli alti livelli di rumore elettrico che sono tipici di un ambiente di trazione. Supporta rilevamenti bidirezionali di flussi di energia e può registrare con esattezza l'energia restituita alla rete durante la regenerative braking. Se da un lato l'EM4T II offre una completa flessibilità di interfacciamento, e può connettersi a qualsiasi trasduttore adeguatamente valutato, la combinazione del misuratore di energia con i trasduttori di corrente e tensione LEM ottimizzati rappresenta l'unica strada per il pieno rispetto della EN50463, con classe di precisione certificata.

Pubblica i tuoi commenti