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arau
di
ndrea
arau
TITOLO:
UN DISPOSITIVO PER LA REGOLAZIONE DI TENSIONE NELLE RETI FERROVIARIE AC TRAMITE CONDENSATORI CONTROLLATI A TIRISTORI.
La versione integrale della tesi è riportata in formato PDF.
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ABSTRACT:
L’utilizzo di reti elettriche per la trazione comporta problematiche di varia natura e di difficile risoluzione; uno dei problemi da affrontare è il mantenimento di una tensione adeguata sui carichi, infatti, se questa raggiungesse valori troppo bassi renderebbe impossibile il funzionamento dei motori delle locomotive. Questo problema si presenta di difficile risoluzione a causa della mobilità dei carichi che non consentono l’utilizzo di dispositivi con valore compensativo fisso.
Il mantenimento della tensione a valori adeguati alle esigenze del carico limita fortemente lo sviluppo delle linee sia dal punto di vista della loro lunghezza, sia dal punto di vista della potenza trasmissibile e quindi del massimo carico che è possibile alimentare. La regolazione di tensione, tramite compensazione di potenza reattiva, determina indubbi vantaggi; infatti, consente l’aumento della potenza trasmissibile negli impianti esistenti e nel caso di nuove installazioni consente, a parità di potenza trasmessa, una maggiore lunghezza della linea e quindi una maggiore economia dovuta al risparmio sui costi di costruzione e manutenzione delle sottostazioni di trasformazione. Data l’importanza, il problema ha trovato un vasto spazio in letteratura, dove è stato risolto ricorrendo a vari dispositivi di compensazione basati su reattanze regolabili. Tuttavia questi dispositivi si sono rivelati costosi, anche se efficienti. Per questo si è pensato di utilizzare dispositivi più economici quali i Thyristor Switched Capacitor (TSC). Questi sono costituiti nella loro forma base da un condensatore e due tiristori in antiparallelo. Nella pratica, per consentire un’opportuna modularità del sistema di compensazione, tali dispositivi sono realizzati in banchi, quindi con più TSC in parallelo, dove i condensatori permettono di immettere potenza reattiva nella linea e i tiristori, invece, sono comandati in modo che questa potenza reattiva sia mandata in rete nella quantità e nel momento voluto. Per i TSC è stato necessario prevedere lo sviluppo di un sistema di controllo apposito, che consentisse l’impiego di pochi condensatori garantendo le stesse adeguate prestazioni.
Il lavoro di tesi è stato improntato sulla progettazione, costruzione e simulazione di un sistema di controllo per i TSC che fosse adatto per le reti elettriche ferroviarie AC. Infatti, i TSC permettono di conseguire analoghi risultati compensativi rispetto ad altri dispositivi con costi inferiori, tenuto conto delle caratteristiche del sistema. L’idea di utilizzare come dispositivi di compensazione i TSC nasce dagli studi effettuati sulla compensazione tramite Static Var Compensator (SVC) delle linee elettriche ferroviarie AC. Il sistema di controllo sarà applicato alle reti elettriche ferroviarie AC quali sono, ad esempio, quelle attualmente in uso in GB.
Il sistema di controllo sviluppato è basato su un approccio analogico digitale: sulla base dell’errore in tensione digitalizzato, si determina in ogni periodo la quantità di potenza reattiva necessaria per mantenere la tensione entro la fascia di tolleranza ammessa dalle norme IEC-349. Una volta determinato il livello di potenza reattiva necessario, i relativi condensatori sono inseriti mediante interruttori statici a tiristori, comandati da un opportuno circuito di controllo mediante una codifica binaria.
Il
sistema di controllo è stato sviluppato mediante simulatori software che hanno
permesso di confermare la bontà dei modelli e di verificare l’efficacia della
metodologia. Inoltre il sistema è stato realizzato in scala di tensione presso
laboratori della School Of Engineering della Staffordshire University (UK),
impiegando modelli e componenti del simulatore di rete realizzato presso tale
università. La Staffordshire University, dove e’ stato realizzato il sistema
di controllo, da parecchi anni si occupa di ottimizzazione nelle reti
ferroviarie: gli sforzi principali sono rivolti all’ottenimento di questa
compensazione tramite SVC, che possono essere visti come una sorgente variabile
di potenza reattiva capacitiva, anche se nella pratica sono realizzati con un
condensatore fisso e un induttanza variabile controllata tramite tiristori.
Nonostante gli ottimi risultati ottenuti da questo dispositivo nella
compensazione della potenza reattiva, sorgono problemi sia per l’alto costo
dell’induttanza da controllare, sia per la necessità di utilizzare filtri, i
quali oltre a contenere le armoniche immesse in rete dal carico non lineare
delle locomotive devono filtrare ulteriori armoniche introdotte dagli stessi
SVC. Rispetto agli SVC, i TSC non immettono armoniche in rete, ottenendo così
un risparmio sui filtri che è necessario installare. Inoltre risultano meno
costosi perché, nonostante il maggior numero di unità di commutazione, queste
vanno a comandare dei condensatori e non una grossa induttanza, che risulta per
questi sistemi costosissima . Infatti la tendenza odierna del mercato è quella
di mantenere costanti i prezzi delle induttanze e di diminuire quelli dei
dispositivi a semiconduttore.
I
TSC utilizzati per il controllo della tensione nella rete elettrica per trazione
variano leggermente dalla loro forma classica per il fatto che insieme ai
tiristori e al condensatore, è stata inserita una induttanza in serie. Questo
fa si che i TSC utilizzati siano dei veri e propri filtri, i quali garantiscono
non solo una compensazione ma anche un’azione di filtraggio per le armoniche
immesse in rete dal raddrizzatore delle locomotive.
I risultati ottenuti con il modello in scala sono stati in buon accordo con le simulazioni effettuate, e hanno confermato la possibilità d’utilizzo dei TSC per la regolazione della tensione nei sistemi ferroviari in AC. Nella tesi sono riportati i risultati ottenuti sia con le simulazioni software, sia con le simulazioni analogiche che confermano la realizzazione degli obbiettivi prefissati e lasciano intravedere la possibilità d’utilizzo d tale sistema di controllo anche in altri campi, con caratteristiche simili al sistema trattato.
Nei
capitoli 1,2,3,4,5,6 si analizzano le problematiche connesse all’utilizzo dei
TSC nel sistema considerato, e si delineano, quindi, le basi per le
caratteristiche che dovrà avere il sistema di controllo. Nel dettaglio:
Il capitolo 1:
prende in considerazione il sistema ferroviario inglese a cui il sistema
di controllo dovrà essere adattato.
Il capitolo 2:
descrive le caratteristiche matematiche della compensazione e dei suoi
limiti. Inoltre introduce la compensazione di potenza reattiva dal punto di
vista sia degli elementi che la realizzano, sia dei sistemi che la richiedono.
Il capitolo 3:
tratta dei TSC e quindi le problematiche connesse all’utilizzo di
questi dispositivi come elementi di compensazione statica.
Il capitolo 4:
fornisce le descrizioni dei modelli utilizzati per le successive
simulazioni.
I
capitoli 5 e 6 costituiscono il cuore della tesi e descrivono il sistema di
controllo nella sua completezza prendendo in considerazione come è stato ideato
e costruito, i suoi elementi costitutivi, i problemi ad essi connessi e così
via. Essi si occupano rispettivamente:
Il capitolo 5:
descrive il sistema di controllo nelle sue generalità basandosi sullo
studio dello schema a blocchi.
Il capitolo 6:
descrive il sistema di controllo come è stato realizzato e come funziona
nel simulatore digitale utilizzato.
I
restanti capitoli 7,8 e 9 si occupano delle simulazioni:
Il
capitolo 7:
Simulazioni tramite simulatore digitale SABER.
Il
capitolo 8:
Simulazioni sul modello reale.
Il capitolo 9:
Simulazioni tramite simulatore digitale PSPICE.
