Simulatore gruppo statico da 190kVA su locomotiva E633

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Il simulatore riproduce in maniera quanto più fedele possibile il Gruppo Statico da 190 kVA montato su una locomotiva E633 di prima serie, così come molti dei sistemi ausiliari.

Cenni sulla locomotiva E633

Le E633, soprannominate "Tigri", sono le prime locomotive di serie con azionamenti elettronici costruite in Italia, dopo il prototipo E444.005. Costruite dal 1979 al 1987 in 151 esemplari, si distinguono in quattro sottogruppi diversi:

1. Prototipi
2. Prima serie: pantografo asimmetrico Faiveley AM4 BUCC, reostato TIBB, un solo gruppo statico da 190kVA
3. Seconda serie: pantografo FS 52, reostato Fusani, due gruppi statici ARSA da 120 kVA.
4. Terza serie: come la seconda, ma con apparecchiature atte al comando multiplo tra loro o con le E652 tramite sistema ZDS (cavetto a 13 poli).

Le E633 sono alimentate con corrente continua a 3000V da catenaria, con possibilità di funzionamento a 1500V nelle stazioni di confine di Modane e Ventimiglia. Erogano una potenza oraria di 4900kW, per una massa in servizo di 103 tonnellate.

Circuiti di bordo

Schema unifilare delle E633 di prima serie

Si distinguono cinque circuiti diversi a bordo delle E633, oltre a quello di trazione non oggetto della simulazione.

1. Circuito batterie a 110V corrente continua
2. Circuito a 24V corrente continua
3. Circuito a 220V corrente alternata monofase (onda quadra) 400 Hz
4. Circuito a 450V corrente alternata trifase 60Hz
5. Circuito alta tensione a 3000V.

Circuito batterie

Questo circuito, alimentato a 110Vcc dalle batterie, rappresenta la principale fonte di energia della locomotiva quando il Gruppo Statico non è attivo. Esso alimenta anche il convertitore CITE che fornisce 220V in corrente alternata monofase a 400Hz, e i convertitori che erogano 24V in corrente continua.

Quando il Gruppo Statico è attivo, il caricabatterie (TRB) provvede sia all'alimentazione di tutti i carichi a 110Vcc che alla ricarica delle batterie.

Le batterie sono al nichel-cadmio, composte da 92 elementi da 80 Ah e 1,2V ciascuno, per un totale di 110V (nominale) e 80 Ah.

Circuito a 24V corrente continua

Questo circuito è alimentato dalla linea a 110Vcc tramite due convertitori ridondanti. Esso alimenta le lampade del banco di manovra e i fanali, in modo che il personale di bordo (macchinisti...) possa provvedere alla sostituzione delle lampade senza rischi, essendo 110V superiore al limite riconosciuto per le tensioni basse di sicurezza (100V in continua senza ondulazione e 50V in alternata).

Circuito a 220V corrente alternata monofase 400Hz

Questo circuito è alimentato dalla linea a 110Vcc tramite i convertitori (conosciuti anche come "GS ausiliari") CITE. Esso alimenta l'elettronica di bordo, tra cui i dispositivi di regolazione del GS e dei chopper.

Circuito a 450V corrente alternata trifase 60Hz

Questo circuito è alimentato dal gruppo statico. Questa corrente, detta di "media tensione" (MT), alimenta gli ausiliari più energivori della locomotiva come compressori, ventilatori, caricabatterie, scaldiglie in cabina, scaldavivande etc.

Alimenta inoltre anche il trasformatore di alimentazione dei campi dei motori. Nelle E633 e derivate, l'eccitazione dei motori non è in serie ma viene generata in maniera proporzionale alla velocità dall'alimentatore campi, simulando l'eccitazione serie (modello detto "ad eccitazione a immagine serie"). Nelle E633 di seconda e terza serie, nelle E632 con due gruppi statici e nelle E652, l'energia per l'alimentazione dei campi è fornita da un circuito separato a 355V corrente alternata monofase 400Hz alimentato dalla "quarta fase" del GS.

Circuito ad alta tensione a 3000V.

Questo circuito è alimentato dalla linea aerea tramite i pantografi. Esso fornisce tutta l'energia necessaria alla locomotiva, tanto per la trazione quanto per gli ausiliari, durante le condizioni di funzionamento normali.

Da esso viene derivato il circuito di trazione, l'alimentazione del gruppo statico, e la linea del REC (Riscaldamento Elettrico Carrozze) che fornisce energia al resto del treno, per i treni passeggeri.

L'alimentazione di questo circuito è condizionata, oltre alla presenza di tensione nella linea aerea e al sollevamento del pantografo, anche alla chiusura di un interruttore di protezione detto IR (Interruttore Rapido).

Questo interruttore interviene a protezione del circuito in caso di guasto, agendo in sostanza come un grosso "interruttore generale".

Cenni sul gruppo statico

Le E633 di prima serie sono equipaggiate con un gruppo statico (GS) da 190 kVA progettato e prodotto dalla Ansaldo. Lo scopo del gruppo è abbassare e trasformare la tensione di linea, a 3000V in corrente continua, ad una tensione industriale di 450V in corrente alternata trifase a 60 Hz, utilizzata per alimentare gli ausiliari della locomotiva come compressori, ventilatori, caricabatterie, scaldiglie in cabina, scaldavivande etc.

Caratteristiche del convertitore

• Alimentazione: 2000-4000V (oppure 1200-1800V in configurazione 1500V), corrente continua
• Alimentazione ausiliari: 110V corrente continua, dalle batterie di locomotiva, 400W; 220V corrente alternata monofase 400Hz.
• Uscita: 450V corrente alternata trifase 60Hz, la frequenza non risente delle variazioni dei carichi
• Potenza nominale (cosφ: 0.8) 190 kVA
• Sovraccarico massimo ammissibile durante lo spunto dei carichi rotanti (cosφ: 0.7) 260 kVA
• Rendimento a pieno carico: 88%
• Massa complessiva: 3215 kg distribuita in quattro cassoni.

Architettura

Il GS è composto da varie sezioni distinte:

1. Pulsore: conversione da corrente continua ad alta tensione, a corrente pulsante.
2. Trasformatore: abbassamento della corrente pulsante.
3. Raddrizzatore: livellamento della corrente pulsante verso una corrente continua a media tensione.
4. Inverter: conversione della corrente continua a media tensione verso una corrente alternata trifase.

Nella pratica, si possono definire tre blocchi che raggruppano le sezioni viste precedentemente, più un quarto per la regolazione e il controllo:

1. Filtro di ingresso, contattori e combinatore per funzionamento con tensione di linea di 1500V (a Modane e Ventimiglia).
2. Pulsore, trasformatore e raddrizzatore.
3. Inverter trifase.
4. Controllo e regolazione.

Schema a blocchi del GS da 190kVA

1. Filtro di ingresso AT
2. Combinatore 1500V/3000V
3. Convertitore AT (pulsore)
4. Trasformatore
5. Raddrizzatore
6. Filtro intermedio
7. Inverter trifase
8. Controllo e regolazione

Principio di funzionamento

Nel blocco A, viene filtrata tramite una rete LC la corrente in ingresso proveniente dalla linea aerea (captata attraverso i pantografi e l'IR), sia per impedire che disturbi esterni come sovratensioni da fulmini possano danneggiare il gruppo statico, che soprattutto per impedire che i disturbi e le armoniche generate dal funzionamento del gruppo possano interferire con altri treni, col segnalamento e così via.

Per il funzionamento a 1500 V un combinatore, comandato dal commutatore CAL, provvede a realizzare l'alimentazione del pulsore in parallelo anziché in serie, in modo tale che il pulsore riceve sempre la stessa tensione in tutte e due le configurazioni.

Nel blocco B, una catena di tiristori provvede a interrompere periodicamente la corrente continua in ingresso realizzando una serie di impulsi di durata fissa che vengono poi inviati al trasformatore (da cui il nome pulsore). Il trasformatore riceve questi impulsi e provvede a abbassarne la tensione aumentando contemporaneamente la corrente in uscita. Un ponte raddrizzatore a onda completa in uscita al trasformatore trasforma la corrente pulsante nuovamente in corrente continua detta "tensione intermedia" a circa 540V. Aumentando la ripetizione di questi impulsi a durata fissa si aumenta l'energia trasferita e pertanto la tensione in uscita a parità di carico; in questo modo è possibile stabilizzare, tramite una rete di retroazione, la tensione intermedia.

Schema semplificato del pulsore

Nel blocco C, un ponte totalcontrollato composto da sei tiristori accesi secondo la seguenza in figura funge da inverter e provvede a creare tre onde quadre sfasate di 120 gradi, formando così la terna trifase.

Schema semplificato dell'inverter

Sequenza di accensione dei tiristori dell'inverter

Forme d'onda risultanti su ciascuna fase rispetto al neutro

Nel blocco D, un insieme di schede di controllo provvede alla regolazione della tensione intermedia, all'elaborazione degli impulsi di accensione dei tiristori sia del pulsore che dell'inverter e alla gestione delle protezioni.

Per il funzionamento dettagliato si rimanda al manuale di officina del GS.

Dettagli sul simulatore

Il simulatore cerca di rappresentare nel modo più realistico possibile il funzionamento del GS e dei sistemi a esso collegati. In particolare, vengono simulate tutte le situazioni che si possono verificare a locomotiva ferma, eccetto quelle descritte nella sezione "Limitazioni".

Limitazioni

Il simulatore non è perfetto e alcune situazioni non sono simulate. In particolare, il simulatore non riproduce i chopper di trazione ed il circuito di trazione, e pertanto anche il movimento della locomotiva e la prova trazione.

La simulazione della tensione di uscita del GS è semplificata, in particolare i carichi vengono considerati come se fossero in corrente continua, anche se viene simulata la corrente di spunto correttamente seguendo la curva di carico di un motore trifase asincrono.

Nella versione attuale del simulatore non vengono riprodotti neppure il circuito di aria compressa (compressori, CPA, etc.) e il circuito di carica delle batterie. La scarica delle batterie è simulata, perciò dopo un certo periodo di tempo le stesse si scaricheranno.

La versione attuale ha un funzionamento di alcuni pulsanti diverso dalla realtà:

• I pulsanti prova lampade nella realtà vanno tenuti premuti, nel simulatore si premono una volta per accendere le lampade, e un'altra per spegnerle.
• Il pulsante chiusura IR nella realtà va tenuto premuto fino all'avvenuta chiusura dell'IR. Nel simulatore basta un clic.
• Il pulsante PPGS nella realtà va tenuto premuto fino alla fine della prova. Nel simulatore basta un clic e la prova termina automaticamente.

Le limitazioni nel paragrafo precedente verranno via via rimosse con le prossime versioni.

Istruzioni

Per avviare la simulazione, selezionare una situazione e poi fare clic su "Avvia simulazione". Possono essere selezionate due situazioni:

1. Tensione di linea pari a circa 3000V in corrente continua, come presente sulla rete ferroviaria italiana;
2. Tensione di linea pari a circa 1500V in corrente continua, come presente nelle stazioni di confine con la Francia di Ventimiglia e di Modane.

In base alla situazione scelta sarà necessario abilitare o meno il commutatore CAL, diversamente non sarà possibile completare l'abilitazione.

Descrizione dei comandi

Il simulatore è composto da due sezioni principali, una raffigurante gli equipaggiamenti e comandi che si trovano nel corridoio della locomotiva, e l'altra che raffigura quelli che si trovano sul banco di manovra.

Parte corridoio

Parte corridoio

I comandi nel corridoio sono i seguenti:

• PPLGS: pulsante di prova delle lampade di segnalazione del GS. Accende tutte le lampade di segnalazione del corridoio
• PPGS: pulsante di prova a vuoto del GS. Se premuto effettua la prova a vuoto del GS.
• Simula cortocircuito lato MT: premendo questo pulsante, a GS completamente avviato, si simula un cortocircuito sulla linea a 450V CA che causa l'arresto del GS per intervento delle protezioni statiche di MT.
• Bipolare: collega le batterie al circuito a bassa tensione (110Vcc) della locomotiva. Su E633, attiva anche i convertitori CC/CC che forniscono i 24V per le luci e il Banco di Manovra.
• CPV: se inserito attiva la prova a vuoto AT che consente di chiudere l'IR anche se non è presente tensione di linea.
• CAL: permette di chiudere l'IR con tensioni inferiori a 1900V e di far funzionare il gruppo statico con tensione di linea di 1500V, presente nelle stazioni di Modane o Ventimiglia.

Le segnalazioni sono le seguenti:

• Tensione di linea: indica che il GS non riceve tensione di linea nei parametri previsti
• Ripartiz. tensione di linea: indica che la tensione di linea si è ripartita in modo squilibrato sui semiconduttori del pulsore e pertanto il GS è stato arrestato.
• Tensione continua intermedia: indica che la tensione continua intermedia (dopo il raddrizzatore) è fuori limiti e pertanto il GS è stato arrestato.
• Tensione di uscita: indica che la tensione di uscita (trifase) è fuori limiti.
• Protez. stadio AT: indica l'intervento di una protezione statica sullo stadio ad alta tensione (pulsore, filtro...).
• Massima corrente intermedia: indica l'intervento della protezione di massima corrente sulla tensione continua intermedia, e pertanto il GS è stato arrestato.
• Protez. stadio MT: indica l'intervento di una protezione statica sullo stadio media tensione (inverter).
• Apertura IR: indica che l'IR è aperto o che ne è stata richiesta l'apertura dalla logica del GS.
• Blocco chopper: indica che sono stati inibiti gli impulsi ai semiconduttori lato AT del pulsore.
• Avaria aliment.: indica che gli alimentatori (schede GAL, SRAS1, SRAS2, P24) non stanno erogando le tensioni previste.
• Avaria ventilaz.: indica che i ventilatori dei GS non stanno producendo la differenza di pressione richiesta.
• Avaria lato carichi: indica un guasto (sovraccarico o cortocircuito) sulla linea MT, all'esterno del GS, e pertanto il GS è stato arrestato.
• Prova a vuoto: indica che si sta eseguendo la prova a vuoto.

Logica statica cadenzamento carichi rotanti

Le segnalazioni indicano lo stato del cadenzamento dei carichi rotanti:

• LAL: indica la presenza di alimentazione
• LTMC1 e 2: indica l'attivazione del teleruttore del motocompressore 1 o 2
• LEVD1 e 2: indica l'attivazione della valvola di scarico del motocompressore 1 o 2
• LTTRC: indica l'attivazione del trasformatore alimentazione campi
• LTVL1, 2 e 3: indicano l'attivazione dei motoventilatori induttanze/chopper 1, 2 e 3
• LTVFR: indica l'attivazione del motoventilatore filtro rete
• LTVM1, 2e 3: indicano l'attivazione dei motoventilatori motori 1, 2 e 3

Parte banco di manovra

Parte banco di manovra

I comandi sul BM sono i seguenti:

• Chiusura IR: chiude l'IR se sono presenti tutte le condizioni (spia "Consensi chiusura IR" accesa)
• Apertura IR: apre l'IR
• Prova lampade: accende tutte le segnalazioni del banco di manovra
• IGS: inserisce o disinserisce il GS
• ITR1: alza o abbassa il trolley (pantografo) 1
• LINV: invertitore. Spostandolo dalla posizione di "zero" ad una qualsiasi altra posizione si ha l'attivazione della ventilazione motori e ventilazione induttanze. Rimettendolo in posizione di "zero" dopo 30s. si spengono i ventilatori motori e ventilatori induttanze.

Gli strumenti sono i seguenti:

• Voltmetro linea: indica la tensione di linea
• Amperometro linea: indica la corrente assorbita dalla linea
• Amperometro accumulatori: indica la corrente di scarica (verso il basso, numeri negativi) o di carica (verso l'alto) degli accumulatori.
• Voltmetro accumulatori: indica la tensione degli accumulatori (nominale 110V)
• Amperometro GS: indica la corrente assorbita dagli ausiliari MT.
• Voltmetro GS: indica la tensione erogata dal GS

Le segnalazioni sono le seguenti, vengono elencate solo quelle attinenti alla simulazione:

• Avaria ventil.gs. princ.: indica che i ventilatori del GS non producono la differenza di pressione prescritta
• Avaria chopper campi: indica che l'alimentatore dei campi non sta funzionando (ad esempio perché il GS è spento)
• IR aperto: indica che l'IR è aperto
• Consensi chiusura IR: indica che ci sono tutte le condizioni per chiudere l'IR; premendo il pulsante "Chiusura IR" questo si chiude.
• Blocco permanente GS principale: indica che il GS è in blocco permanente. Per tentare la riaccensione, occorre disinserirlo e reinserirlo utilizzando l'interruttore IGS.
• Min. tensi. filtro rete: indica che la tensione rilevata sul filtro rete è più bassa del limite previsto.
• 1,5 kV: indica che è stato predisposto il commutatore CAL per il funzionamento a 1500V.
• Avaria vent. mot.: indica che i ventilatori dei motori non stanno producendo la differenza di pressione richiesta.
• Avaria vent. chop.: indica che i ventilatori delle induttanze non stanno producendo la differenza di pressione richiesta.
• Avaria compress.: indica che i compressori non sono in funzione quando dovrebbero esserlo.
• Ventilaz. chopper attiva: indica che i ventilatori induttanze/chopper sono attivi.
• Ventilaz. motori attiva: indica che i ventilatori motori sono attivi.
• Compressore attivo: indica che il compressore è attivo.
• Blocco temporaneo GS principale: indica che il GS è in blocco temporaneo e si riattiverà dopo qualche secondo.
• Avaria carichi GS Princ.: indica un cortocircuito o un sovraccarico nei carichi alimentati dal GS.

Abilitazione batterie

Per abilitare tutti gli equipaggiamenti della locomotiva occorre come prima cosa inserire le batterie spostando il Bipolare su "Inserito 110+24Vcc".

A questo punto si possono testare le segnalazioni con i relativi pulsanti di prova lampade.

Prova a vuoto del GS

La prova a vuoto consiste nella verifica di tutti i dispositivi di comando del GS e degli ausiliari di locomotiva senza sottoporli all'alta tensione.

Per effettuarla:

1. Inserire il bipolare
2. Disporre CPV su Inserito
3. Controllare sul BM l'accensione della spia "Consensi chiusura IR"
4. Premere il pulsante Chiusura IR
5. A IR chiuso, andare nel corridoio e premere il pulsante PPGS.
6. Attendere la fine della sequenza dei carichi rotanti
7. La prova termina con lo spegnimento della spia "Prova a vuoto".

Inserzione del GS

Nota: per inserire il GS, se è stata effettuata la prova a vuoto occorre preventivamente aprire l'IR e disorre CPV su "Disinserito".

1. Inserire il bipolare
2. Se è stata selezionata la tensione di 1500V, disporre il commutatore CAL su 1500V
3. Comandare l'alzamento del trolley disponendo ITR1 su "Alzato"
4. Attendere che venga visualizzata la tensione di linea sul voltmetro
5. Premere il pulsante Chiusura IR
6. A IR chiuso, inserire il GS disponendo IGS su "Inserito".
7. Attendere la sequenza di accensione.

In questo caso si avvieranno prima i ventilatori interni al GS, poi la logica di cadenzamento carichi inserirà anche il trasformatore campi e il ventilatore induttanza filtro rete.

Inserzione dei rimanenti carichi rotanti

A GS attivo disporre l'invertitore (LINV) su "Avanti" o "Indietro". La logica di cadenzamento carichi inserirà i tre ventilatori induttanze e i tre ventilatori motori.

Arresto del GS

Disporre IGS su "Disinserito".

Simulazione di cortocircuito

A GS avviato, premere il pulsante "Simula cortocircuito lato MT". Il GS viene arrestato e si accendono le relative segnalazioni.

Dopo circa tre secondi, il GS riparte automaticamente. Dopo tre interventi della protezione statica MT il GS viene messo in "Blocco Permanente" e bisogna eseguire i sondaggi previsti dalla Guida di Dépannage.

Una volta effettuati i sondaggi, occorre disporre l'interruttore IGS su "Disinserito" e nuovamente su "Inserito" per resettare la memoria di blocco permanente.

Disabilitazione locomotiva

1. Disabilitare il GS
2. Disporre l'invertitore su "Zero"
3. Aprire l'IR
4. Abbassare il trolley
5. Se è stato manipolato il commutatore CAL, ridisporlo su 3000V.
6. Aprire il bipolare (disporre su "Disinserito").

Ringraziamenti

Si ringrazia il sig. Manfredi per aver caricato questo video su YouTube da cui è stato possibile confermare il funzionamento del Gruppo Statico.