Treni / Trazione
Il Wide Bandgap (WBG) alimenta treni/sistemi di trazione
Le locomotive ferroviarie possono essere alimentate da un motore a combustione interna diesel, da un motore a vapore o dall'energia elettrica. In questo articolo parleremo dei vantaggi dell'energia elettrica. I treni a trazione elettrica sono in grado di trainare una serie di vagoni ferroviari lunghi chilometri grazie a un motore di trazione elettrico a coppia elevata.
L'energia elettrica funziona commutando la frequenza e la tensione della corrente elettrica attraverso la manipolazione dei campi magnetici. I sistemi di trazione elettrica sono classificati come a corrente continua o a corrente alternata, a seconda del tipo di motori utilizzati, ed entrambi hanno una coppia di avviamento molto elevata.
Tensioni di linea CC e CA per i motori
Le tensioni di linea in corrente continua (DC) più diffuse per i sistemi di alimentazione a filo sospeso sono state di 1.500V e 3.000V. I sistemi a terza rotaia sono prevalentemente nell'intervallo 600-750V. Alcuni vantaggi della corrente continua sono l'ingombro e il peso, la rapidità di accelerazione e frenata dei motori elettrici a corrente continua, il costo inferiore rispetto ai sistemi a corrente alternata e il minor consumo energetico. Gli svantaggi dell'uso della corrente continua: sono necessarie costose sottostazioni a intervalli piuttosto ravvicinati e il cavo aereo o terza rotaia sarà grande e pesante. Vedi Figura 1.
Figura 1: Sistema di alimentazione in corrente continua per la trazione ferroviaria (immagine da GaN Systems)
I sistemi a terza rotaia presentano un rischio di scossa elettrica, con correnti di sistema più elevate rispetto alle tensioni di linea CA (le rotaie CC sono superiori a 1500 v), e non sono considerati sicuri. Vengono quindi utilizzate correnti molto elevate, che comportano una notevole perdita di potenza nel sistema e richiedono punti di alimentazione (sottostazioni) relativamente ravvicinati.
La corrente alternata (CA) può avere tensioni elevate sui cavi aerei (10.000 volt o più), ma i vantaggi sono che sono necessarie meno sottostazioni a causa delle correnti più basse che portano a una minore caduta di tensione lungo la rete di distribuzione di energia tra le sottostazioni. È possibile utilizzare un cavo di alimentazione aereo più leggero, che riduce il peso delle strutture necessarie a sostenerlo. Di conseguenza, l'elettrificazione può ridurre le spese di capitale. Si veda la Figura 2.
Figura 2: Sistema di alimentazione a corrente alternata per la trazione ferroviaria. Un'unità multipla elettrica o EMU è un treno a unità multiple alimentato dall'elettricità.
La trazione a corrente alternata per le locomotive consente un notevole miglioramento rispetto ai vecchi sistemi a corrente continua. I vantaggi principali della trazione a corrente alternata sono livelli di aderenza fino al 100% superiori a quelli della trazione a corrente continua, con una maggiore affidabilità e ridotti requisiti di manutenzione dei motori di trazione a corrente alternata. Scoprite qui perché i livelli di aderenza della corrente alternata sono superiori a quelli della corrente continua.
Oggi vengono utilizzati sia motori a corrente alternata che a corrente continua, a seconda del sistema ferroviario. I sistemi di trazione a corrente alternata sono diventati molto popolari sulle rotaie nei tempi moderni. La corrente alternata è più spesso utilizzata nella maggior parte dei sistemi di trazione grazie a diversi vantaggi, come la rapida disponibilità e generazione di corrente alternata che può essere facilmente aumentata o diminuita, la facilità di controllo dei motori a corrente alternata, il minor numero di sottostazioni necessarie e la presenza di catenarie leggere che trasferiscono basse correnti ad alte tensioni. La Figura 3 mostra i dati relativi al numero esatto di sistemi di trazione a corrente alternata e a corrente continua sulle rotaie.
Alla fine del 2018, 493 città in 72 Paesi e regioni avevano aperto il transito ferroviario urbano, per un chilometraggio totale di oltre 26.100 km1. Questo dato è raddoppiato rispetto al 2014 e continuerà ad aumentare nel 2020 e oltre.
Reportlinker.com ha annunciato che il mercato globale dei motori di trazione ferroviaria dovrebbe crescere di 1,66 miliardi di dollari nel periodo 2020-2024, con un CAGR del 3% durante il periodo di previsione. Market Watch ha riferito che la dimensione del mercato globale dei motori di trazione elettrici, la valutazione delle quote dovrebbe raggiungere 31,5 miliardi di dollari entro il 2026.
Figura 3: Ripartizione dei sistemi di trazione a corrente alternata e a corrente continua nel mondo (immagine tratta dal riferimento 5)
Sistemi di trazione EV a FET SiC e GaN a confronto con sistemi di trazione basati su Si-IGBT4
La parte del raddrizzatore del sistema di trazione ferroviaria di solito converte l'alimentazione a 480V, 60Hz in corrente alternata a circa 650VDC.
Le velocità di commutazione più elevate dei componenti di potenza SiC forniscono ai progettisti gli strumenti per creare sistemi di alimentazione per automotrici ferroviarie più piccoli del 50% e più leggeri del 30% rispetto ai sistemi esistenti che utilizzano altri dispositivi a transistor di potenza come gli IGBT Si. Il peso dell'intero sistema motore si riduce fino al 15%, soprattutto grazie a magneti più piccoli con frequenze più elevate in SiC. I valori massimi di tensione e corrente dei dispositivi SiC sono significativamente superiori alla capacità teorica del Si. Il SiC ha anche margini più ampi per quanto riguarda i guasti.
I treni più leggeri non solo sono più efficienti, ma possono anche essere più sicuri, perché il peso ridotto consente al treno di fermarsi più velocemente. Inoltre, se i dispositivi SiC e/o GaN sono progettati anche per l'alimentazione ausiliaria del sistema per i dispositivi di comfort dei passeggeri, come l'aria condizionata, il Wi-Fi e l'illuminazione interna, anche questi sistemi consumeranno molta meno energia.
Le velocità operative più elevate di SiC e GaN consentono ai progettisti di creare sistemi di alimentazione per vagoni ferroviari fino al 50% più piccoli e al 30% più leggeri rispetto ai sistemi esistenti, riducendo il peso dell'intero sistema di motori fino al 15%. I treni più leggeri non solo sono più efficienti, ma possono anche essere più sicuri: meno peso significa che possono fermarsi più velocemente.
I dispositivi GaN presentano i vantaggi di una bassa Figura di Merito (FOM) (dove la definizione di FOM è "resistenza di accensione x carica del gate") e di zero cariche di recupero inverso (Qrr). I transistor GaN sono di gran lunga migliori rispetto al Si perché la loro frequenza di commutazione, il design magnetico e le perdite di commutazione saranno notevolmente ridotti nel sistema.
I MOSFET Si hanno una carica di recupero inversa tipica dell'intervallo 50-60-nC, a seconda delle dimensioni e delle caratteristiche. Quando il MOSFET si spegne, il Qrr nel diodo di corpo produce perdite che si aggiungono alle perdite di commutazione totali del sistema. Queste perdite aumentano proporzionalmente alla frequenza di commutazione e rendono i MOSFET poco pratici per l'uso a frequenze più elevate in molte applicazioni come i sistemi di conversione di trazione.
Sistemi di conversione della trazione
Esistono diversi tipi di sistemi di conversione di potenza nella trazione CA e CC. Eccone alcuni:
Treni proiettile Shinkansen2
Il sistema di conversione dei treni Shinkansen è costituito da un convertitore PWM e da un inverter PWM.
Il concetto chiave di questo sistema di trazione per treni ad alta velocità è la combinazione di dispositivi di potenza SiC applicati al sistema di conversione della trazione. L'aggiunta del sistema di raffreddamento del treno e dei motori a induzione a 6 poli ha contribuito alla riduzione del peso, alla compattezza e alla maggiore affidabilità. Le prove di funzionamento del prototipo del sistema di trazione sviluppato sono state eseguite e hanno confermato le sue buone prestazioni. Questa applicazione di trazione al SiC è una novità assoluta per i treni ad alta velocità.
Figura 2: Un caricabatterie convenzionale per veicoli elettrici a bordo (immagine tratta dal riferimento 1))
Tabella 1: Miglioramento del sistema di trazione del Tokaido Shinkansen (immagine dal riferimento 2)
Esempi di convertitori di trazione3
Gli IGBT al silicio sono stati ampiamente utilizzati nei convertitori di trazione ferroviaria fino all'arrivo dei transistor di potenza SiC. I dispositivi di potenza SiC offrono tensioni di blocco più elevate, velocità di commutazione più elevate e temperature di esercizio più elevate rispetto agli IGBT al silicio.
L'architettura di base di un convertitore di trazione standard è mostrata nella Figura 5, a destra.
Il SiC è più adatto alle applicazioni di trazione ferroviaria, per la maggior parte, rispetto al GaN, a causa delle tensioni nominali più elevate dei dispositivi, che si allineano con le tensioni di linea DC più diffuse per i sistemi di alimentazione a filo aereo di 1.500V e 3.000V e con i sistemi DC a terza rotaia prevalentemente nella gamma 600V-750V DC; i sistemi ferroviari a corrente alternata possono avere tensioni elevate a filo aereo (10.000 volt o superiori).
Wolfspeed offre il CAS300M17BM2, un modulo SiC da 8,0 mΩ a 1700 V in confezione standard da 62 mm, che può essere collegato in parallelo e in serie per adattarsi alla tensione e alla corrente richieste dagli inverter di trazione. Si veda la Figura 6, a destra.
Sono in fase di sviluppo anche moduli a più alta tensione da 3,3kV, 6,5kV e 10kV, ma al momento non sono disponibili in commercio. Si attende l'implementazione di questi moduli ad alta tensione non appena saranno disponibili.
I circuiti integrati di potenza GaN possono essere utilizzati anche in alcuni casi di trazione ferroviaria a tensioni inferiori fino a 800 V4 o se opportunamente impilati per gestire tensioni più elevate.
Figura 5: Progetto di base di un convertitore di trazione ferroviaria
(Immagine dal riferimento 3)
Figura 6: Modulo CAS300M17BM2 di Wolfspeed
Conclusione
I motori di trazione elettrici CA e CC a coppia elevata sono il cuore dei sistemi di trazione ferroviaria. Per alimentare questi motori, i transistor di potenza ad alta velocità e alta tensione all'interno di un design raddrizzatore impegnativo sono fondamentali per garantire prestazioni ottimali dei potenti treni che trasportano carichi pesanti a destinazione e mantengono in funzione le economie.
I semiconduttori WBG come SiC, GaN e HVIGBT sono i cavalli di battaglia dell'alimentazione nei sistemi di trazione. Sia il SiC che il GaN sono tipicamente utilizzati in queste architetture di potenza, dove il SiC può essere la prima scelta dei progettisti a causa delle tensioni più elevate delle linee aeree in corrente continua e delle esigenze della terza rotaia in corrente continua in un sistema di trazione ferroviaria. Il SiC gestisce i livelli di tensione più elevati, mentre il GaN gestisce il livello inferiore delle esigenze di alta tensione. I valori massimi di tensione e corrente dei dispositivi SiC sono significativamente più alti della capacità teorica del Si. I circuiti integrati di potenza WBG consentono di realizzare sistemi più piccoli e leggeri grazie alle loro prestazioni ad alta velocità e ad alta tensione. Gli HVIGBT si inseriscono laddove è più difficile trovare in commercio valori nominali superiori a 1700 V per il SiC.
Riferimenti
- UITP, "Le cifre delle metropolitane mondiali - Statistiche in breve", Singapore, rep. 2018.
- Sviluppo del sistema di trazione applicato al SiC per il treno ad alta velocità Shinkansen, Kenji Sato1, Hirokazu Kato e Takafumi Fukushima, 2018 International Power Electronics Conference, IEEE 2018.
- Prospettive per i dispositivi SiC nei convertitori di trazione, P. Ladoux, M. Mermet, J. Casarin, J. Fabre, ALSTOM Transport - Innovation and Research -Traction Components Engineering, IEEE 2012.
- Il GaN consente di realizzare inverter di trazione EV da 800 V efficienti ed economici
- Analisi dell'affidabilità del sistema di alimentazione della trazione in corrente continua per le ferrovie elettriche, Hitoshi Hayashiya, Masayoshi Masuda, Yukihisa Noda, Koichiro Suzuki, Takashi Suzuki, Tokyo Branch Office, East Japan Railway Company, EPE'17 ECCE Europe, 2017
