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Note di trazione elettrica. Realizzazioni particolari e singolari

LA TRAZIONE TANGENZIALE

Dal testo di A. Parazzoli, Lezioni elementari di elettricità industriale (1907), vol. II,

Julien Dulait

Col nome, non molto appropriato, di trazione tangenziale, tre inventori, i signori Dulait, Rosenfeld e Zelenay presentano all'inizio del secolo XX un loro sistema di trazione elettrica, il vantaggio principale del quale sarebbe il rendere la trazione indipendente dall'aderenza tra ruote e rotaie oltre, secondo loro, a ridurre i costi di installazione (il che si vedrà subito essere una delle usuali balle). Diciamo subito che l'invenzione non avrà alcun seguito e d'altronde chiunque abbia un minimo di esperienza in meccanica si renderà conto, nel leggere il seguito, che il sistema non avrebbe potuto funzionare, se non altro in modo economico; ciò nonostante, nel 1902, dopo una approssimativa sperimentazione del sistema, ai tre inventori fu conferito il premio Ferraris, ciò che mostra, se ve ne è bisogno, con quali criteri si sono sempre assegnati questi premi.

Julien Dulait (Gand, Belgio, 1855; Montignies-le-Tilleul,1926), ingegnere minerario, fu uno dei fondatori della Société Électricité et Hydraulique, che nel 1904 passò nell'impero industriale del barone Empain col nome di Ateliers de constructions électriques de Charleroi (ACEC), le famose officine di Charleroi. Al Dulait si devono numerosi perfezionamenti nelle costruzioni meccaniche ed elettriche ed in particolare i motori tramviari che con il nome di motori Charleroi equipaggiarono migliaia di motrici tramviarie nei primi decenni del secolo XX. Fu il primo professore di elettricità nella scuola industriale di Charleroi. Leon Rosenfeld e Constantin Zelenay: di questi due signori non si sa nulla di preciso, se non che erano due russi, probabilmente conosciuti in Russia dal Dulait che per un certo tempo ebbe interessi in quella nazione.

Nella trazione tangenziale i rotabili non portano alcun motore ed il loro movimento è dato dall'azione di trascinamento di un circuito chiuso, solidale al rotabile, da parte di un campo magnetico alternato che si muove in traslazione lungo l'asse del binario, sul principio del motore a campo rotante (motore asincrono). Il sistema si può idealmente concepire come derivato appunto da un motore asincrono trifase, lo statore e il rotore del quale siano stati tagliati lungo una direttrice e sviluppati su un piano orizzontale: il campo magnetico da rotante attorno all'asse del motore diviene traslante lungo l'asse del binario, mentre il rotabile sarà trascinato in moto traslatorio dall'elemento di rotore, sviluppato, ad esso solidale. E' da notare che l'utilizzazione di questo principio, lungi dall'essersi esaurita col sistema del Dulait, ha dato origine nel tempo ad una infinità di motori lineari ad induzione (un altro nome per lo stesso dispositivo) che, nonostante le speranze, le chiacchiere e usuali dichiarazioni di grande successo, non hanno trovato in pratica che poche e specialistiche applicazioni.

Abbiamo quindi qui uno statore, parte fissa all'infrastruttura, che genera il campo traslante, ed un propulsore, per usare i termini degli inventori, parte solidale con il rotabile trascinato. Per mantenere la completa analogia tra il sistema e il motore asincrono sviluppato su un piano, lo statore dovrebbe estendersi lungo tutta la linea, soluzione irrealizzabile anche per ovvie ragioni economiche; gli inventori hanno quindi suddiviso la linea in un certo numero di sezioni, ogni sezione comprendente uno o più elementi di statore o blocchi distribuiti uniformemente. Onde evitare di dover tenere sotto tensione tutti gli elementi di statore della linea anche in assenza di passaggio di treni, un dispositivo azionato dai rotabili in transito inserisce l'alimentazione al momento opportuno; è cioè alimentata solo quella sezione che si trova sotto un rotabile in transito.

Schema dello statore.

La figura sopra riportata mostra schematicamente la struttura di un blocco; questo è formato da un nucleo di ferro laminato N sul quale sono disposte alcune bobine F opportunamente intervallate; dal momento che il propulsore, come il rotore di un motore asincrono, deve affacciarsi al nucleo dello statore con uno spazio d'aria o traferro il più piccolo possibile, nello spazio tra una bobina e l'adiacente il nucleo si estende verso l'alto a formare una espansione polare P e il blocco assume l'aspetto di una struttura dentata con gli spazi tra i denti riempiti dagli avvolgimenti delle bobine, analogamente ancora allo statore di un motore. Un blocco è lungo 2770 mm e comprende 24 bobine e 28 espansioni polari (le ultime tre posizioni sono prive di bobine); è montato in un contenitore in legno riempito di miscela bituminosa, dal quale sporgono le sole espansioni polari.

Disposizione di statore e propulsore.

Il propulsore, che dovrà trovarsi sempre al di sopra dello statore con un traferro non superiore a 10 mm, ha una lunghezza tale da coprire un blocco più la distanza di due blocchi successivi, in modo che durante il moto del rotabile vi sia sempre sovrapposizione tra statore e propulsore; nell'esempio sopra riportato, con un blocco per sezione, il propulsore viene ad avere una lunghezza di 19500 mm; adottando due blocchi per sezione tale lunghezza sarebbe stata di 9750 mm. L'autore del testo fornisce due immagini dello statore. La prima è la vista laterale di un blocco, in parte sezionato longitudinalmente sulla mezzeria del nucleo; la seconda è una veduta prospettica dello stesso. Lo spazio a disposzione delle bobine e delle espansioni polari attive appare alquanto ridotto, ossia pari a circa 100 mm; dalle proporzioni che possono valutarsi sul disegno si avrebbero bobine ed espansioni polari risp. di 40 e 60 mm di spessore. Gli inventori ci dicono anche che le bobine sono avvolte con filo da 2,7 mm di diametro.

Sezione e vista laterale di un blocco.

Le bobine di statore sono collegate come in un ordinario motore asincrono trifase, otto in serie per fase, secondo lo schema qui sotto riportato; R, S, T sono le tre fasi di alimentazione perennemente collegate alle bobine, mentre j è un contatto che collega fra loro gli estremi liberi delle stesse per chiudere il circuito di alimentazione.

Vista prospettica e schema di collegamento di un blocco.

Il propulsore costituisce un rotabile a sè stante, corrente su un binario di servizio di 800 mm di scartamento montato all'interno del binario di corsa, agganciabile al rotabile condotto, generalmente una vettura rimorchiata tramviaria. Questa disposizione è stata adottata perchè con il normale molleggio delle vetture tramviarie o ferroviarie sarebbe stato impossibile mantenere le variazioni del traferro entro i limiti prestabiliti; il propulsore è dotato di un molleggio minimo tale da realizzare un traferro quasi costante del valore di 10 mm.

Schema del propulsore accoppiato allo statore; il propulsore collegato al rotabile.

L'immagine sopra riportata dà lo schema del propulsore nella posizione di lavoro, ossia con il proprio circuito magnetico che completa il circuito magnetico dello statore; consta di un nucleo laminato M dotato di espansioni polari Q destinate ad affacciarsi alle espansioni polari dello statore con il traferro t cui si è accennato, mentre nello spazio tra le espansioni polari sono annegate nel ferro delle barre di rame R che ne costituiscono il circuito indotto. Queste barre da un lato sono riunite da una analoga corrente lungo il fianco del nucleo, mentre dall'altra parte fanno capo ad un dispositivo K che permette, attraverso il contatto r, di collegarle tutte insieme. Con ciò si possono realizzare le due condizioni di circuito del propulsore aperto, nessuna azione esercitata dalllo statore sul propulsore (rotabile fermo o in coasting) e circuito del propulsore in corto circuito, lo statore esercita l'azione tangenziale sul propulsore (rotabile in trazione).

Disegni originali del propulsore e del propulsore montato sotto una vettura; come si vede, i due disegni differiscono in molti particolari.

Il propulsore è la parte più oscura di tutto il sistema; l'autore ne dà solo dei cenni, anche contraddittori in vari particolari. Dato che il nucleo del propulsore è lungo, come ci dice l'autore, 19500 mm, è chiaro che il propulsore dovrà essere realizzato come una specie di pianale a carrelli, anche se i disegni del progetto ci mostrano una semplice sala che ha tutto l'aspetto di essere di tipo rigido.

Circa la parte elettrica, l'autore ci dice dapprima che l'avvolgimento del propulsore sarebbe del tipo in corto circuito (la gabbia di scoiattolo dei motori asincroni), formato con le barre poste tra le espansioni polari; la disposizione del circuito si differenzierebbe però dal rotore di un motore asincrono, per la suaccennata necessità di lasciarlo aperto o di chiuderlo in corto circuito su comando del macchinista. Le barre trasversali dovrebbero essere collegate tutte ad una barra longitudinale da un lato, mentre dall'altro il collegamento dovrebbe avvenire tramite un dispositivo di interruzione. Qui cominciano gli interrogativi, a cominciare dal numero di barre e di espansioni polari che se, come usuale, devono formare tanti poli quanto quelli dello statore, devono essere intervallati di tanto quanto sono intervallate bobine e espansioni polari dello statore, cioè di circa 100 mm ed in tal caso si avrebbero sul propulsore 19500/100=195 espansioni polari ed altrettante barre trasversali: un numero spropositato che tra l'altro renderebbe impossibile la realizzazione del dispositivo di corto circuito, che dovrebbe disporre di 195 contatti a chiusura simultanea.

Nella figura superiore a sinistra osserviamo i seguenti particolari:

• il nucleo di ferro laminato M, sulla testata inferiore del quale si vede una barra trasversale 1 presumibilmente di rame, collegata da un lato al pezzo 2, anch'esso di rame a giudicare dal tipo di tratteggio, che dovrebbe essere la sezione della barra longitudinale alla quale si collegano da un lato tutte le barre;
• il dispositivo 3, 4 che dovrebbe essere l'interruttore di corto circuito, con la sede conica 3 facente capo all'estremo libero della barra 1 ed il cuneo 4 solidale al pezzo 5 impegnato a vite sull'albero 6, la rotazione in un senso o nell'altro del quale permette di inserire o di disinserire il cuneo dalla cavità conica e quindi di chiudere o aprire il collegamento tra i lati liberi delle barre. Naturalmente il contatto 3,4 non può essere uno solo, ma dovrebbero esservene tanti quante sono le barre (195?);
• la ruota dentata 7 che sarebbe posta in rotazione, e con essa l'albero 6, dalla vite senza fine 8, manovrata, non si sa come, dal macchinista che non si trova sul propulsore, ma sul rotabile trainato.

Successivamente l'autore ci dice anche che nella chiusura del circuito del propulsore occorrerà inserire delle resistenze per la regolazione della velocità (e per un avviamento graduale, aggiungiamo noi, non potendo pensare di chiudere di colpo in corto il circuito del propulsore). Ma in tal caso il propulsore non può più essere costruito con un avvolgimento in forma di barre, ma deve essere dotato di una serie di bobine con la stessa disposizione dello statore, collegate come in un rotore di motore asincrono trifase avvolto e in tal caso il dispositivo di corto circuito, dovendo avere tre soli contatti, sarebbe realizzabile. Ma il disegno nostra una barra, non una bobina. Un altro particolare oscuro è che nei due disegni il nucleo laminato sembra tagliare l'assale della sala: si dovrebbe immaginare che le sale o i carrelli del propulsore fossero posti oltre gli estremi del nucleo, allungando ancora di più il complessivo.

Alimentazione dei blocchi di statore.

I blocchi costituenti una sezione di di linea. secondo il concetto degli inventori, devono essere alimentati solo quando un propulsore vi si trovi sopra e ciò per ragioni evidenti, anche di economia: un blocco non impegnato equivale al primario di un trasformatore a circuito magnetico aperto che, assorbendo una esagerata corrente di magnetizzazione, porterebbe rapidamente alla bruciatura gli avvolgimenti, oltre a costituire un enorme dispendio di energia. Lo schema sopra riportato dà la disposizione proposta dall'inventore; in esso vediamo:

• i blocchi di statore St, alimentati dalla linea di alimentazione trifase R, S, T e chiudibili dal contatto j del teleruttore J per formare il centro stella del circuito trifase;
• il propulsore Pr corrente sul proprio binario di servizio, le rotaie del quale sono elettricamente sezionate dagli isolatori y, formando un circuito di binario per ogni sezione.

All'impegno di un circuito di binario, ossia alla presenza di un propulsore nella sezione che cortocircuita in A, A le due rotaie, il teleruttore eccita alimentato dalla sorgente collegata alla linea u, chiudendo il circuito del blocco; alla liberazione della sezione il teleruttore ricade, aprendo lo stesso. I teleruttori sono stati introdotti da noi per semplificare le cose; Dulait e soci impiegano invece dei contatti azionati da un servomotore trifase, ossia un motore asincrono il rotore del quale è costretto a ruotare di un angolo limitato; i servomotori della linea, uno per blocco o per due blocchi consecutivi, sono collegati ad una linea trifase ausiliaria, alimentata da un gruppo moto-generatore collegato alla linea di trazione.

Qui si comincia a vedere una sempre maggiore complicazione del sistema: non bastano i due binari uno dentro l'altro, né la successione di blocchi con relativi circuiti di binario e contatti, ma occorrono anche due linee trifasi, una ad alta tensione per la trazione e l'altra a tensione più ridotta per i servomotori, linee che devono correre lungo tutto il tracciato. Oltre ciò, il sistema presenta un inconveniente non tollerabile: non è possibile invertire la marcia di un convoglio, per la qual cosa occorrerebbe invertire due delle tre fasi R, S, T tra loro. I nostri inventori se la cavano con disinvoltura, affermando che per l'inversione di marcia di un treno si invertiranno due fasi presso l'officina generatrice: senonchè non solo in tal modo si invertirebbe la marcia di tutti i treni presenti sulla linea, ma un macchinista che si trovasse, per un motivo fortuito, a dover invertire la marcia in linea dovrebbe riuscire, in qualche modo, a comunicare con l'officina generatrice; oppure, ogni blocco dovrebbe essere munito di un invertitore, da comandare a mano in caso di necessità. Due soluzioni entrambe nemmeno proponibili.

Gli inventori ci danno anche qualche altro dato su una loro realizzazione, che appare invero scarsamente credibile; i blocchi sarebbero stati alimentati ad una tensione variabile da 1300 a 2000 V, con frequenza pure variabile da 3 a 8 Hz; per qual motivo alimentare a tensione variabile un sistema asincrono non è noto. E' semplice verificare che per un sistema come quello proposto la velocità del campo traslante è data da v=f.l/p, con f frequenza, l lunghezza attiva di un blocco, p numero delle coppie polari per fase; per l=2,5 m, p=4 ed f=3 risp. f=8 Hz si deducono le velocità minima 6,75 e massima 18 km/h del rotabile; queste sono velocità limite, non raggiungibili dal convoglio per lo scorrimento (differenza percentuale tra velocità del campo e velocità del rotore in un motore asincrono).

Sempre secondo gli inventori, la prova del sistema sarebbe avvenuta nel novembre del 1902 su una linea lunga 800 metri presso Charleroi; un treno formato da due vetture tramviarie, del peso totale di 22 t, accoppiato ad un propulsore, avrebbe raggiunto la velocità 18 km/h "con avviamenti dolci e inversioni di marcia sicure" e un consumo di circa 62 Wh/tonn.km. Ovviamente i signori Dulait, Rosenfeld e Zelenay, inventori del sistema, si ritengono pienamente soddisfatti della prova ed affermano che la trazione tangenziale è più economica di quella a corrente continua a filo aereo o a caniveau, sia come costo di impianto che come rendimento globale. Ossia le balle si raccontavano allora come si raccontano oggi.

A destra l'unica immagine che sembra esistere di una linea a trazione tangenziale: dovrebbe trattarsi della linea di prova di Charleroi, la sola realizzazione pratica che sembra abbia avuto il sistema. I dettagli appaiono però ben diversi da quanto sopra descritto: i blocchi sono qui costituiti da cinque sole espansioni polari e presumibilmente da tre bobine e la distanza tra due successivi blocchi sembra aggirarsi sugli 8-10 metri, a giudicare dal numero di traverse visibili; il binario di servizio sembra montato più o meno allo stesso livello delle rotaie di corsa; in fondo si intravede un rotabile, forse una rimorchiata tramviaria, davanti al quale appare una specie di carrello che dovrebbe essere il propulsore, la lunghezza del quale sembra però insufficiente a coprire l'intervallo tra due blocchi. Il convoglio avrà marciato per successivi impulsi e se poi si fosse fermato tra un blocco e il successivo... Si notano anche numerose linee installate sui pali lungo il binario, mentre non è chiara la funzione delle pietre tombali poste in corrispondenza dei pali, da mettere forse in relazione con i teleruttori di alimentazione delle sezioni.

I sigg. Rosenfeld, Zelenay e Dulait, ingegneri a Charleroi, cercano di vendere la propria invenzione.

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Ultimo aggiornamento: mercoledì 06 dicembre 2023