RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Progettazione orientata alla fidatezza (dependability) di apparecchiature elettriche a bordo dei convogli ferroviari.

Università di riferimento

Università di PISA - SISTEMI ELETTRICI E AUTOMAZIONE - PISA(PI)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Ottorino BRUNO

Descrizione

Nell'ambito del Progetto di Ricerca, all' Unità di Pisa è affidato il compito di esaminare le possibilità di miglioramento del livello di dependability degli azionamenti elettrici di trazione a bordo di treni di moderna concezione attraverso opportuni adeguamenti dell'architettura del sistema e dei criteri per la sua progettazione.
Dopo una fase preliminare, comprendente l'individuazione dei requisiti di sistema ed una analisi dello stato dell'arte sulle più significative soluzioni adottate o proposte in ambito ferroviario, l'Unità si concentrerà su una tipologia di azionamento elettrico opportunamente selezionata in funzione della significatività applicativa e delle potenzialità di miglioramento della dependability, acquisendo le informazioni disponibili inerenti le casistiche di guasto.
Verrà quindi fissata una struttura di riferimento per la parte di potenza, considerando criticamente eventuali modifiche di ragionevole entità alla configurazione base selezionata capaci di migliorare la dependability del sistema azionamento, in particolare attraverso un aumento della capacità di fault-tolerance.
Per tale struttura verrà qualitativamente analizzata l'influenza sulla dependability delle tecniche di controllo e modulazione, nonchè di monitoraggio e diagnostica in tempo reale, adottabili e ritenute più interessanti. Saranno inoltre individuate opportune linee guida, finalizzate all'incremento della dependability, per la progettazione di massima con approccio integrato dei diversi componenti di potenza dell'azionamento e delle tecniche di controllo.
Saranno quindi sviluppati modelli analitici e di simulazione ad opportuno livello di dettaglio, attraverso i quali verrà analizzato il comportamento della struttura di azionamento considerata in presenza delle principali tipologie di guasto, confrontando le prestazioni derivanti dall'uso delle tecniche di controllo, modulazione diagnostica e monitoraggio ritenute più promettenti. Tale analisi permetterà quindi di selezionare la soluzione ritenuta nel complesso più promettente per la realizzazione di azionamenti elettrici di trazione ad elevata dependability.
Tale soluzione sarà successivamente validata secondo due modalità complementari. La prima vedrà l'applicazione delle tecniche canoniche di analisi predittiva della dependability per sistemi complessi, passando attraverso lo sviluppo di un idoneo modello di simulazione di tipo probabilistico basato sullo stato del sistema. La seconda consisterà nell'esecuzione di test sperimentali mirati alla verifica del comportamento della soluzione proposta a fronte di specifici guasti tipici, utilizzando una postazione prova attrezzata ed un modello in scala ridotta del sistema azionamento studiato appositamente realizzati. I risultati ottenuti saranno infine valutati criticamente, evidenziando le eventuali possibilità di ulteriore miglioramento dell'architettura proposta.

Il programma di lavoro dell'Unità, della durata di 24 mesi per una spesa complessiva stimata di 100 k€, si concluderà con la stesura di un report finale che illustrerà le attività svolte ed i risultati ottenuti. Per favorire l'interscambio di informazioni tra le diverse sedi partecipanti e la divulgazione dei risultati, potrà essere valutata, di concerto con le altre Unità, la realizzazione di un sito web dedicato alle attività del Progetto.

Più in dettaglio, le attività previste per l'Unità di Pisa si articolano in 4 fasi operative caratterizzate da durate, costi e contenuti come di seguito riportato

1) Analisi preliminare
Durata e costo previsti: 4 mesi, 10 k€
Obiettivi: acquisire informazioni generali di contesto, analizzare qualitativamente lo stato dell'arte, selezionare una tipologia di azionamento elettrico di trazione ritenuta significativa
Attività previste:
1.a) Esame generale dei requisiti funzionali per gli azionamenti elettrici di trazione a bordo di treni a propulsione elettrica di moderna concezione, anche con riferimento a dati prestazionali reali forniti da Trenitalia, e focalizzazione delle esigenze di dependability correlate
1.b) Analisi qualitativa delle criticità presenti in un sistema azionamento elettrico di trazione in relazione ai diversi aspetti della dependability, con particolare riferimento alle configurazioni di potenza più diffuse e significative per le applicazioni ferroviarie
1.c) In collaborazione con Trenitalia e con l'Unità di Napoli per quanto riguarda l'interfaccia verso il sistema di alimentazione, selezione di una tipologia di azionamento elettrico ritenuta particolarmente significativa sia per l'attuale diffusione applicativa sia per le potenziali prospettive di sviluppo industriale a medio termine; saranno in particolare considerate con attenzione le configurazioni comprendenti motori asincroni a gabbia alimentati da inverter, a ponte semplice o di tipo NPC, attualmente adottate sui treni ad alta velocità della rete europea
1.d) Acquisizione di informazioni e dati statistici sulla casistica guasti rilevata, tanto in applicazioni ferroviarie che di altro tipo, per la tipologia di azionamenti elettrici selezionata ed eventualmente per altre analoghe, operando sia per via diretta, in particolare tramite Trenitalia, che attraverso indagine bibliografica generale

2) Selezione dell'architettura di potenza, definizione di linee guida per la progettazione dei relativi componenti, analisi qualitativa di tecniche di controllo e diagnostica, predisposizione di apparati per prove sperimentali
Durata e costo previsti: 8 mesi, 40 k€
Obiettivi: determinare la configurazione di azionamento da esaminare, valutarne le caratteristiche generali, indicare linee guida per la progettazione integrata orientata alla dependability, mettere a punto un prototipo di azionamento in scala ridotta ed una idonea postazione prova attrezzata
Attività previste:
2.a) Esame qualitativo delle specifiche criticità presenti nella tipologia di azionamento elettrico selezionata e individuazione di possibili modifiche strutturali di ragionevole entità in grado di migliorarne il livello di dependability, in particolare aumentando la capacità di fault-tolerance
2.b) Comparazione qualitativa e scelta, come riferimento per i successivi studi, della configurazione strutturale ritenuta maggiormente promettente fra quelle esaminate per la tipologia di azionamento elettrico precedentemente selezionata, tenendo conto anche delle prospettive di potenziale applicabilità industriale nel medio termine
2.c) Analisi qualitativa di dependability per la configurazione di azionamento elettrico di riferimento attraverso l'individuazione delle principali tipologie di fault e dei meccanismi di error e failure per i diversi componenti costituenti il sistema, con particolare attenzione agli aspetti elettrici pur non trascurando quelli meccanici e termici
2.d) Analisi qualitativa della possibile influenza sul livello di dependability delle diverse tecniche di controllo e modulazione adottabili per la configurazione di azionamento elettrico assunta a riferimento, e individuazione di quelle ritenute più promettenti tenendo anche conto dei sensori richiesti
2.e) Individuazione di opportune linee guida per la progettazione di massima con approccio integrato del motore di trazione e del convertitore di alimentazione ipotizzati per la struttura di azionamento di riferimento, orientate al miglioramento della dependability del sistema in particolare attraverso il conseguimento di adeguato livello di fault-tolerance
2.f) Applicazione delle linee guida di progettazione definite al dimensionamento di massima di un azionamento elettrico nella configurazione selezionata, sulla base di indicazioni prestazionali concordate con Trenitalia in relazione ad applicazioni realistiche di trazione ferroviaria
2.g) Analisi qualitativa, nell'ottica della dependability, delle tecniche di monitoraggio e diagnostica in tempo reale applicabili alla struttura di azionamento elettrico di riferimento, ed individuazione di quelle ritenute più promettenti valutando anche le possibili integrazioni/interazioni con le tecniche di modulazione e controllo motore selezionate
2.h) Realizzazione di un prototipo di taglia adeguatamente ridotta per la tipologia di azionamento elettrico selezionata nella configurazione di riferimento studiata, comprendente opportune predisposizioni per l'emulazione delle principali tipologie di fault della struttura di potenza ed equipaggiato con un sistema di controllo digitale flessibile idoneo all'implementazione di adeguate tecniche di modulazione, controllo, monitoraggio e diagnostica
2.i) Realizzazione e messa a punto di una postazione prova per azionamenti della tipologia selezionata, di taglia idonea ad ospitare il prototipo realizzato, dotata di un moderno sistema acquisizione dati e di un azionamento reversibile di frenatura asservito a un sistema di controllo digitale flessibile di adeguata potenzialità

3) Modellazione della configurazione di azionamento di riferimento e selezione delle tecniche di controllo, modulazione, monitoraggio e diagnostica per mezzo di simulazione
Durata e costo previsti: 7 mesi, 30 k€
Obiettivi: individuare la soluzione complessiva più promettente per l'azionamento di propulsione esaminato attraverso un'analisi funzionale svolta tramite simulazione
Attività previste:
3.a) Selezione ed eventuale acquisizione di ambienti di simulazione idonei all'analisi quantitativa funzionale della configurazione di azionamento proposta, eventualmente anche attraverso simulazioni combinate finalizzate ad analizzare appropriatamente i diversi fenomeni in gioco
3.b) Sviluppo e implementazione, negli ambienti di simulazione selezionati, di modelli di simulazione ad appropriato livello di dettaglio per i principali apparati di potenza della configurazione di azionamento elettrico di riferimento, opportunamente strutturati per evidenziare gli aspetti funzionali ritenuti maggiormente critici in relazione alla dependability, con particolare riferimento alla capacità di fault tolerance
3.c) Esame tramite simulazione del comportamento della configurazione di azionamento elettrico assunta a riferimento utilizzando le diverse tecniche di controllo e modulazione selezionate, tanto in condizioni normali che in presenza delle principali tipologie di fault precedentemente identificate
3.d) Esame tramite simulazione del comportamento delle tecniche di monitoraggio e diagnostica precedentemente selezionate, considerando le più opportune combinazioni di impiego con le tecniche di modulazione e controllo selezionate
3.e) Valutazione critica dei risultati ottenuti e selezione della combinazione di tecniche di modulazione, controllo, monitoraggio e diagnostica ritenuta più idonea per la struttura di azionamento di riferimento ai fini dell'aumento del livello di dependability del sistema, con particolare riferimento alla capacità di fault-tolerance

4) Valutazione di dependability per la soluzione selezionata
Obiettivi: valutare l'efficacia della soluzione proposta attraverso in termini di dependability attraverso simulazione e verifica sperimentale della risposta a situazioni di guasto tipiche
Durata e costo complessivo: 5 mesi, 20 k€
Attività previste:
4.a) Sviluppo di un modello di simulazione per la valutazione quantitativa di dependability secondo l'approccio canonico per sistemi complessi, comprendente: descrizione dell'architettura funzionale inclusi i sottosistemi di monitoraggio e rimozione guasti, delle politiche di manutenzione, del ciclo di vita e dello scenario operativo; selezione degli attributi di dependability di interesse per la funzionalità del sistema; analisi dei meccanismi/modi di guasto, comprese le mutue dipendenze (relazioni causa-effetto, guasti a modo comune), e delle conseguenze attese sull'azionamento e sull'intera struttura di potenza in cui è inserito (analisi tipo FMECA); costruzione di un modello probabilistico a base statistica idoneo a descrivere i processi di guasto interno all'azionamento e il loro impatto sulla dependability del sistema di potenza del treno
4.b) Stima quantitativa del livello di dependability della soluzione proposta attraverso l'impiego del modello di simulazione probabilistico appositamente sviluppato, finalizzata ad evidenziare gli eventuali aspetti residui di debolezza nell'architettura di azionamento proposta;
4.c) Valutazione sperimentale del comportamento del prototipo di azionamento elettrico precedentemente realizzato attraverso opportuni test condotti con architettura hardware-in-the-loop utilizzando la postazione prova appositamente messa a punto, sia in condizioni ordinarie che in presenza di specifici faults opportunamente emulati
4.d) Analisi critica dei risultati ottenuti finalizzata alla individuazione delle problematiche o dei elementi critici eventualmente ancora presenti nella configurazione di azionamento elettrico proposta, ed indicazione di possibili ulteriori migliorie finalizzate all'aumento della dependability del sistema.