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Note di trazione elettrica. Comando e regolazione della velocità

SISTEMI DI COMANDO IN TRAZIONE TRANVIARIA E FERROVIARIA

Comando diretto dei motori di trazione

Si ha quando l'esclusione del reostato di avviamento, la transizione serie-parallelo e l'eventuale riduzione di eccitazione dei motori di trazione sono direttamente comandati dai contatti del combinatore di marcia o controller, secondo il principio indicato nello schema che segue.

Il contatto c1 del controller chiude il circuito di trazione; il contatto c2 esclude la resistenza R.

Il comando diretto è adatto a rotabili di potenza e tensione di alimentazione limitate; è stato tipico per le motrici tramviarie a 2 e 4 motori costruite fino a tutti gli anni Trenta ed in alcuni casi è stato applicato anche alla trazione ferroviaria leggera ad alta tensione; i controller a comando diretto sono di norma posti nelle piattaforme delle motrici in trazione tramviaria, mentre in trazione ferroviaria leggera sono stati anche utilizzate disposizioni con controller unico centrale comandato meccanicamente dai posti di guida (equipaggiamenti Brown Boveri a comando diretto per ferrovie secondarie a 1500-3000 V diffusissimi dal 1925 al 1940 in Italia). Nella storia della trazione tramviaria si sono avuti i più disparati tipi di controller a comando diretto, qualche centinaio di tipi sicuramente se si vanno a cercare le decine di costruttori; i controller tramviari possono però classificarsi nelle seguenti categorie:

1. controller con 4-5 posizioni di marcia in serie e di altrettante in parallelo, oltre a 6 o 7 posizioni di frenatura elettrica reostatica;
2. controller come sopra, ma privi di frenatura reostatica o con frenatura reostatica solo di emergenza inseribile con altra manetta, ad es. quella dell'invertitore;
3. variazioni dei due tipi precedenti, ad es. con l'eccitazione dei freni a pattini elettromagnetici simultaneamente a tutte o a parte delle posizioni di frenatura reostatica o con aggiunta di posizioni di marcia a campo ridotto;
4. controller impiegati preferibilmente su locomotori.

Nella classificazione della General Electric i controller di cui in a), b), d) sono denotati risp. con B, K, L.

Controller per comando diretto

Comando indiretto dei motori di trazione

Si ha quando le operazioni di cui sopra sono comandate dai contatti di teleruttori, comunemente detti contattori, comandati dai contatti del controller, secondo il principio indicato nello schema che segue.

I contatti c1, c2 del controller di manovra danno luogo all'eccitazione dei contattori C1, risp. C2 per la chiusura del circuito di trazione e l'esclusione della resistenza R. La sorgente di alimentazione per le bobine dei contattori è indicata con +Vc; il controller di manovra agisce solo sui circuiti di comando con correnti di limitata intensità e spesso alimentati a bassa tensione.

Una ulteriore classificazione di questi sistemi si ha secondo la tecnica utilizzata nel comando del circuito di trazione: si hanno sistemi a servomotore e sistemi a contattori indipendenti. Nei primi un controller direttamente derivato da quelli a comando diretto è azionato da un servomotore elettrico o pneumatico; nei secondi le operazioni sul circuito di trazione sono effettuate da una serie di contattori indipendenti.

Dal punto di vista storico, il primo sistema a comando indiretto realizzato è stato quello a servomotore sistema Sprague del 1882, che fu però poco dopo sostituito dai sistemi a contattori indipendenti; questi ultimi tennero praticamente il campo della trazione elettrica fino agli anni Trenta, quando il sistema a servomotore fu nuovamente introdotto negli U.S.A. per le motrici PCC e successivamente impiegato anche in trazione filoviaria.

I sistemi a contattori indipendenti si classificano, tra l'altro, in base al metodo di azionamento dei contattori; si hanno i tipi seguenti.

• Contattori elettromagnetici: i contatti sono azionati da elettromagneti (come nell'es. prec.) alimentati o dalla tensione di linea o da altra sorgente (batterie, gruppo convertitore, ecc.), a mezzo di un controller di ridotte dimensioni. Il comando elettromagnetico è stato il primo ad essere praticamente utilizzato ed anche il più impiegato almeno fino alla fine degli anni Venti (sistemi tipo M e derivati per trazione tramviaria e ferroviaria); introdotto inizialmente ad opera della Thomson-Houston (successivamente General Electric ed Allgemeine Elektrizitäts Gesellschaft), fu anche largamente utilizzato da costruttori inglesi (Dick, Kerr poi English Electric) ed ungheresi (Ganz).
• Contattori pneumatici: i contatti sono azionati da cilindri ad aria compressa e il comando è dato a mezzo di una serie di rubinetti. Il sistema comporta una complessa e pesante rete di tubazioni per l'aria compressa; è stato utilizzato in pratica solo su alcuni locomotori trifasi all'inizio del secolo XX, mentre una applicazione francese (sistema Auvert) ha trovato limitato impiego su alcune linee per traporto merci.
• Contattori elettropneumatici: i contatti sono ancora azionati da cilindri ad aria compressa, ma l'immissione e lo scarico dell'aria sono comandate da elettrovalvole alimentate dalla tensione di linea o da una sorgente esterna; il controller di comando torna ad essere di ridotte dimensioni come per i sistemi elettromagnetici. Il sistema elettropneumatico, introdotto all'inizio del secolo XX dalla Westinghouse (sistemi Unit Switch e Turret), ebbe inizialmente scarsa diffusione per la complessa meccanica richiesta nei contattori. Perfezionato, soprattutto ad opera dei costruttori americani, si impose però a partire dalla metà dagli anni Venti (sistemi PC e derivati per trazione tramviaria e filoviaria), soppiantando completamente i sistemi elettromagnetici. In Italia il comando elettropneumatico restò di uso generale in trazione tramviaria, ferroviaria e filoviaria fino all'avvento dei sistemi elettronici verso il finire del XX secolo.

Avviamento manuale ed avviamento automatico

Con i sistemi a comando diretto tutta la manovra di avviamento e regolazione di velocità del rotabile è lasciata alla volontà del conducente. Un conducente tranquillo potrà escludere il reostato e passare al parallelo, se necessario, in un tempo ragionevole; un conducente impaziente e frettoloso salterà molte posizioni reostatiche e passerà in parallelo quando ancora la vettura non ha raggiunto la velocità opportuna (tipico esempio di quest'ultimo comportamento è la guida tipo Napoli: si marca il primo punto del controller e, dopo un istante, si porta lo stesso di colpo a fine parallelo).

Con il comando indiretto è invece possibile sottrarre, in tutto od in parte, la sequenza di avviamento alla volontà del conducente; in particolare, è possibile ottenere l'esclusione del reostato raggiungendo in ogni passo la massima corrente ammessa nei motori e la massima accelerazione ammessa. I primi sistemi a contattori realizzati dalla Thomson-Houston ricalcano in pieno la tecnica del comando diretto: il controller di comando ha tante posizioni quante sono necessarie per l'avviamento e la transizione serie-parallelo ed è manovrato dal conducente come un usuale controller a comando diretto.

Un primo passo per contrastare i conducenti frettolosi è di munire l'albero del controller di comando di un freno elettromagnetico alimentato da una derivazione del circuito di trazione: in caso di superamento, durante l'avviamento, della corrente massima ammessa per i motori, l'intervento del freno elettromagnetico blocca la manetta del controller e non la sblocca se non quando, accelerando il rotabile, la corrente è scesa ad una valore prestabilito. In alcuni casi è interposta una molla tra manetta e albero: l'azione del conducente si limita a caricare la molla, che poi si scarica facendo ruotare l'albero con l'eventuale intervento del freno elettromagnetico. E' da osservare come quest'ultimo sistema, rapidamente caduto in disuso nei primi anni del secolo XX, sia ricomparso con qualche modifica alla fine degli anni Trenta in America come avviatore MRA e si sia molto diffuso in Italia nella trazione filoviaria.

Passando a sistemi più evoluti, si è tolta del tutto ai conducenti la possibilità di determinare la velocità di esclusione del reostato e, in parte, il momento della transizione serie parallelo, lasciando tutto il controllo al controller principale. Ciò può avvenire controllando l'avanzamento del servomotore nei sistemi che lo adottino oppure determinando opportunamente la sequenza di azionamento dei contattori che agiscono sul circuito di trazione, in ogni caso basandosi sulla corrente assorbita in ogni istante dai motori di trazione; l'elemento sensibile alla corrente di trazione è un relè opportunemente tarato (sostituibile con un dispositivo elettronico più affidabile e regolabile) che, dal momento che l'accelerazione del rotabile è proporzionale alla corrente di trazione, prende il nome di relè di accelerazione; il sistema è detto accelerazione automatica.

Con l'accelerazione automatica il controller di comando ha un numero ridotto di posizioni, che in casi estremi si riducono a tre:

• posizione di manovra, nella quale il circuito di trazione è chiuso con i motori in serie e tutto il reostato incluso; non si hanno altre azioni e la configurazione del circuito resta indefinitivamente la stessa (marcia in tenuta);
• posizione di marcia in serie, nella quale il reostato è progressivamente escluso sotto il controllo del relè di accelerazione;
• posizione di marcia in parallelo, nella quale si reinserisce parte del reostato, si esegue la transizione in parallelo e si nesclude nuovamente il reostato.

Il conducente ha in tal caso la possibilità di portare la manetta del controller direttamente da zero a fine corsa e l'automatismo inserisce dapprima i motori in serie, esclude gradatamente il reostato, alla riduzione della corrente ad un limite stabilito esegue la transizione e poi esclude nuovamente il reostato per giungere a fine parallelo, con buona pace del conducente frettoloso che non può far niente per accelerare il tutto.

In realtà, guardando i vari rotabili che adottano l'accelerazione automatica, si notano il più delle volte più di tre posizioni sui controller, anche cinque o sette; ciò dipende dai seguenti fatti:

• si vuole dare al conducente la possibilità di avviare il rotabile con una accelerazione più o meno elevata: oltre alla posizione di fine parallelo si hanno altre posizioni, di solito una o due, che pur mantenendo la setssa sequenza di avviamento della posizione 3, riducono opportunamente la sensibilità del relè di accelerazione permettendo una maggiore corrente nei motori e quindi una maggiore accelerazione;
• alla posizione di fine parallelo si vogliono aggiungere una o più posizioni di marcia a campo ridotto.

Il comando indiretto trova applicazione:

• sui rotabili di potenza elevata per la semplificazione che ne segue nell'equipaggiamento elettrico, limitamdo i circuiti a corrente elevata alle tratte tra controller centrale e motori, mentre tutto il cicuito di comando è percorso da corrente a bassa intensità e può essere realizzato con contatti di piccole dimensioni e conduttori di ridotta sezione e ne guadagna anche la sicurezza di esercizio;
• per la realizzazione del comando multiplo, ossia per la formazione di treni di più motrici comandate da un unico posto di guida, visto che il circuito di comando a bassa intensità, contrariamente al circuito di trazione, non presenta difficoltà ad essere condotto da una motrice all'altra, anche attraversando un numero qualsiasi di rimorchiate.

All'atto pratico, già dalla fine degli anni Trenta non si costruiscono più equipaggiamenti a comando diretto, nemmeno per motrici di potenza limitata; gli equipaggiamenti filoviari, salvo sporadiche applicazioni all'inizio del secolo XX, sono sempre stati a comando indiretto, anche perchè un controller a comando diretto è difficilmente realizzabile con un comando a pedale dalla corsa limitata.

Caratteristiche base di alcuni tipi di comando indiretto

Note.

1. Sistema utilizzato fin dalla prima applicazione di F.J. Sprague e largamente usato per la trazione tramviaria, filoviaria, metropolitana e ferroviaria leggera fino agli anni Quaranta; salvo casi eccezionali è utilizzato per tensioni di linea non superiori a 600 V.
2. Utilizzato in trazione tramviaria e filoviaria solo per gli equipaggiamenti elettropneumatici.
3. Utilizzato in trazione ferroviaria leggera per tensioni di linea da 1000 V o superiori; il motoriduttore, spesso chiamato dinamotore, è l'unione in un'unica macchina di un motore a corrente continua alimentato dalla linea e di una dinamo che fornisce la tensione al circuito di comando ed eventualmente ad altri servizi (illuminazione, motocompressore).
4. Utilizzabile solo in trazione a corrente alternata.
5. Le metropolitane e le ferrovie suburbane costruite nei primi tre decenni del secolo XX in Inghilterra e in Francia hanno utilizzato quasi esclusivamente questo sistema, derivante con modifiche più o meno sostanziali dall'originario sistema Sprague-Thomson Houston.
6. In tutti i sistemi a servomotore si trova però sempre qualche contattore per funzioni ausiliarie, per cui non sembra essere mai esistito un sistema a solo servomotore.
7. Sono stati molto diffusi in trazione filoviaria i comandi parzialmente automatici, nei quali il conducente ha la possibilità di usufruire o meno del comando automatico (tipici gli avviatori MRA e VAIF).
8. Un comando puramente pneumatico si trova applicato su alcuni locomotori trifasi delle FS, oltre che nel primitivo sistema Auvert (Francia).

Comando multiplo

Il comando indiretto si è imposto con l'aumento della potenza dei rotabili motori e soprattutto con la necessità, in primo luogo nelle metropolitane, di comandare più motrici da uno stesso punto (comando multiplo) e di utilizzare rimorchiate di comando (rimorchiate pilota); si è rapidamente sostituito alle iniziali applicazioni di comando diretto di treni reversibili. Con il comando indiretto, in un treno a comando multiplo o con condotta da una rimorchiata, lungo tutto il treno corre solo il cavo di comando, composto da un certo numero di fili percorsi da corrente relativamente debole, eliminando le difficolta di portare la corrente di trazione, ad alta intensità, da un rotabile all'altro.

Nelle immagini sovrastanti: applicazione del comando multiplo per la formazione di un treno con due motrici comprendenti un rimorchio (sopra) e di un treno con rimorchio pilota (sotto).

Sono rappresentati in rosso i circuiti di trazione in bleu quelli di comando. Le parti tratteggiate si riferiscono ai casi in cui si voglia avere la presa di corrente sempre sulla sola vettura di testa, come è necessario sulle reti urbane dotate di scambi a comando elettromeccanico (lo scambio è comandato dal passaggio del trolley sotto una slitta ed è la corrente assorbita dai motori che ne comanda l'azionamento); in questo caso, oltre al cavo di comando facente capo agli accoppiatori k1, necessita il cavo di trazione collegato con gli accoppiatori k2 che alimenta la motrice in coda dal trolley della vettura di testa. Questo sistema è stato talvolta criticato, in quanto uno dei vantaggi del comando indiretto è di non avere conduttori percorsi da corrente ad alta intensità tra i rotabili, vantaggio che è parzialmente annullato dalla presenza del cavo di trazione.

I sistemi a comando multiplo che più hanno avuto diffusione nel primo ventennio del secolo XX sono quelli sviluppati dalla Thomson-Houston, dalla Westinghouse e dalla Dick, Kerr; successivamente altre ditte si sono specializzate in questo campo, tra le quali in Italia hanno assunto rilevante importanza il Tecnomasio Italiano Brown Boveri (TIBB), la Marelli e l'Ansaldo.

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Ultimo aggiornamento: mercoledì 06 dicembre 2023