Come vengono utilizzati i convertitori DC-DC nei sistemi ferroviari

I sistemi di di mobilità elettrica come i treni ad alta velocità fanno affidamento su una fornitura di corrente costante sia per alimentare i motori che si occupano della movimentazione del veicolo sia per i sistemi di elettrificazione inerenti i circuiti di controllo. Vale la pena ricordare che queste soluzioni di mobilità elettrica risulta estremamente più efficienti dal punto di vista energetico rispetto a qualsiasi altro propulsore derivante da fonti fossili come carbone, diesel o gas, riducendo allo stesso tempo le emissioni di CO2.

I convertitori DC-DC svolgono un ruolo cruciale nel miglioramento dell’efficienza energetica e della qualità dell’energia delle ferrovie elettrificate. I componenti elettronici utilizzati all'interno di queste applicazioni saranno soggetti a temperature estreme, umidità, vibrazioni e condizioni meccaniche shock. Per questo motivo, richiedono un elevato grado di integrità strutturale per poter resistere queste condizioni e funzionare in modo affidabile.

Quali sono dunque i requisiti per convertitori DC-DC nei sistemi ferroviari e come vengono utilizzati? Quali sono infine gli standard internazionali che ne garantiscono efficienza e affidabilità?

Uno sguardo ai trend e ai sistemi di mobilità elettrica

I primi sistemi di elettrificazione ferroviaria erano basati sulla corrente continua a bassa tensione da cui veniva fornita l'alimentazione attraverso raddrizzatori a diodi nelle sottostazioni di trazione lungo il binario, distribuendo la potenza ai motori del treno attraverso linee aeree e rotaie. Le tensioni più comuni per i sistemi di trazione DC sono a 600 V per i tram più vecchi, a 750 V per le metropolitane più recenti e 1500 V per sistemi più complessi di linee suburbane. Alcuni progetti di notevoli dimensioni geografiche utilizzano infine sistemi da 3000 V in modo da raggiungere anche lunghe distanze.

La prima tendenza che si può notare è dunque la crescente e costante crescita in termini di tensione. A parità di potenza, l'aumento della tensione consente infatti una diminuzione della corrente; sistemi a tensione più bassa richiederanno dunque un livello di corrente maggiore, con conseguente aumento della sezione dei cavi da utilizzare.

Un altro trend si può identificare nel costante aumento dell’efficienza energetica per andare a ridurre le emissioni di CO2. Tra i sistemi più maturi troviamo i sistemi di riutilizzo dell’energia attraverso la frenata rigenerativa, dove l'energia cinetica del rotore viene convertita in energia elettrica per essere riutilizzata dal motore principale.

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Come vengono utilizzati i convertitori DC/DC nei sistemi ferroviari

L'utilizzo di convertitori DC/DC risulta centrale all'interno di questa particolare categoria applicativa, portando con se alcune caratteristiche di assoluto rilievo. Per poter garantire una corretta distribuzione dell'energia all'interno di veicoli come treni, tram e metropolitane sono infatti richieste più serie di convertitori DC/DC per dare tensione da sistemi primari dedicati alla movimentazione e secondari dedicati a tutte i servizi presenti a bordo. Come visto in precedenza, le tensioni di ingresso nominali possono variare da un minimo di 24 V a un massimo di 110 V, con un'uscita regolata da 3,3, 5, 12, 15 o 24 V. È necessario ricordare che la normativa europea EN 50155 per l'equipaggiamento elettrico ferroviario richiede che la tensione nominale di ingresso possa oscillare tra 0,7 e 1,25 volte la tensione nominale, con deviazioni a breve termine comprese tra 0,6 e 1,4 volte la tensione di ingresso nominale.

Partendo da questi numeri possiamo dedurre che un sistema a 110 V richiederebbe un intervallo di tensione continuo compreso tra 67 V e 120 V, e un intervallo di tensione di fluttuazione compreso tra 66 V e 154 V. I convertitori proposti da Digimax supportano ampi intervalli di ingresso per coprire più di una tensione di ingresso nominale. La serie RCD realizzata da P-Duke per esempio è stata concepita e realizzata per garantire una copertura ultra ampia dal punto di vista dell'intervallo di tensione in ingresso.

Focalizzando l'attenzione sulle applicazioni vere e proprie la frenata rigenerativa rappresenta un esempio emblematico dell'utilizzo di convertitori DC/DC: queste soluzioni risultano infatti estremamente più compatte rispetto ad ingombranti convertitori bidirezionali e sono in grado di restituire potenza al pacco batterie o al sistema di accumulo dell'energia dalla linea di alimentazione principale, o distribuire energia in modo affidabile e continuo a tutti i dispositivi elettronici e sottosistemi all'interno del veicolo. Anche l'affidabilità dei sistemi ausiliari presenti all'interno di veicoli elettrici risulta un elemento centrale e garantire la funzionalità di sistemi critici come controlli dell'azionamento del motore, sistemi di frenatura, indicatori e spie, display informativi e sistemi di apertura e chiusura delle porte, è veramente centrale.

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