RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

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

Università di riferimento

Università degli Studi di NAPOLI "Federico II" - INGEGNERIA ELETTRICA - NAPOLI(NA)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Andrea DEL PIZZO

Descrizione

Attraverso il ricorso ad architetture circuitali fault-tolerant la ricerca si propone di fornire un ausilio alla progettazione del sottosistema di alimentazione e di conversione dell'energia elettrica –lato rete- a bordo dei mezzi di trazione ferroviaria e dei relativi sistemi di controllo, con particolare riguardo al miglioramento della dependability. Verranno presi in considerazione sia i sistemi presenti sui veicoli destinati al funzionamento su linea in continua, sia quelli operanti su linea in alternata monofase (a 15 o 25 kV), sia infine quelli politensione.
La ricerca è articolata nelle linee di attività di seguito descritte.

a) Studio preliminare
Sulla base dell'esperienza già maturata dall'unità di ricerca, verrà innanzitutto approfondita l'indagine sulle soluzioni circuitali più frequentemente adottate e su quelle in fase di studio per i sistemi di alimentazione e di conversione lato rete a bordo, con attenzione anche ai recenti sviluppi dell'evoluzione normativa.
Verrà condotta un'approfondita ricerca bibliografica sulla fault-tolerance di strutture complesse di conversione e verranno definiti i criteri di valutazione dei parametri e degli attributi della dependability, mutuandoli da altri settori applicativi (ad es. navale, aeronautico o dell'informazione).
Grazie alla presenza nell'unità di ricerca locale ed in altre unità del progetto nazionale di qualificati esponenti di aziende costruttrici e di gestori di sistemi di trasporto ferroviario, verranno acquisite informazioni sullo stato di avanzamento di progetti significativi della U.E. sul "treno europeo" (ad es. il progetto ModTrain), che hanno come obiettivo la standardizzazione e l'armonizzazione di architetture, componenti e sottosistemi, insieme alla definizione delle specifiche funzionali e di sistema e che, quindi, potrebbero influenzare le future scelte progettuali. La presenza dei collaboratori esterni su citati è, poi, indispensabile per l'acquisizione e la classificazione di dati relativi ad interruzione del "servizio corretto" riconducibili a guasti o condizioni di funzionamento anormale delle apparecchiature in oggetto.
Per questa fase è previsto un tempo di 4 mesi e un costo di 6000 euro.

b) Metodologie di progettazione orientate alla dependability
I convertitori lato linea ed il trasformatore –presente nel caso di linea in alternata– rappresentano l'alimentazione e l'interfaccia verso la rete del sistema di propulsione e devono rispondere alle specifiche di progetto imposte a monte e a valle. L'analisi dei possibili guasti dei diversi componenti del sottosistema analizzato consente di determinare le conseguenze che essi possono avere sulla continuità di erogazione del servizio da parte dell'intero sistema.
Per le diverse tipologie esaminate ed attualmente in uso nei veicoli per linee in continua e in alternata e in quelli politensione, si verificherà la presenza di robustezza intrinseca ai guasti; in mancanza di tale caratteristica, verranno proposte delle architetture alternative che, anche se più complesse e quindi apparentemente più delicate dal punto di vista affidabilistico, siano però tali da avere delle ridondanze utilizzabili ai fini della fault-tolerance. L'attenzione verrà concentrata principalmente su strutture di conversione multilivello, caratterizzate sia dai numerosi livelli di tensione disponibili, sia dalla possibilità di generare lo stesso livello di tensione con diversi stati di conduzione.
In caso dell'avaria singola (CEI 56/14) può risultare conveniente o meno rinunciare ad alcuni dei livelli di tensione previsti nel funzionamento corretto, trovando un compromesso tra le eventuali penalizzazioni da accettare e la complessità di un sistema completamente fault-tolerant. Per le diverse configurazioni esaminate, si analizzeranno le conseguenze prodotte da un'avaria ad uno qualsiasi dei dispositivi di switching, che verrà considerato permanentemente aperto o permanentemente in corto circuito. La capacità di rispondere adeguatamente all'accumulo delle avarie (CEI 56/14) sarà presa in considerazione come un'importante caratteristica addizionale. Se la configurazione del convertitore non è di per sé in grado di 'tollerare' adeguatamente la presenza di un'avaria ad un componente, verranno previsti dei componenti addizionali opportunamente inseriti nel circuito; normalmente a riposo, essi verranno chiamati in causa al verificarsi dell'avaria.
Un risultato di questa fase di analisi è la scelta –per ciascuna tipologia esaminata- dell'architettura circuitale maggiormente idonea a fronteggiare ragionevolmente possibili avarie dei componenti. Per tale configurazione si indicheranno le strategie di risposta ai singoli possibili guasti (ad es. utilizzazione appropriata dei soli componenti sani o introduzione di componenti addizionali, generalmente a riposo), le quali devono poi essere tradotte in specifiche routines dei programmi di controllo in tempo reale.
Evidentemente, quindi, anche il circuito e gli algoritmi di controllo digitale vanno riprogettati. Dal punto di vista circuitale è necessario individuare il numero minimo di rilievo di grandezze che il sistema di monitoraggio deve effettuare per riuscire ad individuare in tempo reale ed in maniera univoca l'insorgere di un'avaria. Il programma di controllo implementato su piattaforme digitali a microprocessore deve, a sua volta, tener conto della presenza dell'avaria e deve autoriconfigurarsi attraverso l'utilizzo di interrupt opportunamente gerarchizzati; l'algoritmo di controllo relativo al funzionamento 'normale' viene dinamicamente sostituito da altre istruzioni in grado di indirizzare efficacemente i comandi di accensione e spegnimento ai componenti sani rimanenti e/o eventualmente ai componenti addizionali non utilizzati in assenza di avaria. La maggior complessità dell'algoritmo di controllo fault-tolerant appare ammissibile se si tiene conto del fatto che gli attuali controllori digitali hanno potenzialità di calcolo molto alte in relazione alla frequenza di commutazione dei componenti di potenza utilizzati.
Nell'individuare la configurazione hardware ed i relativi algoritmi di controllo fault-tolerant, la strategia da utilizzare deve mirare ad assicurare la 'missione' del convoglio ferroviario, che consiste nell'arrivare a destinazione in orario o, al massimo, senza eccessivo ritardo o perdita delle maggiori funzionalità. Affinché ciò possa realizzarsi è necessario assicurare valori minimi di accelerazione, decelerazione e velocità di avanzamento, con prefissati valori di momento resistente.
In particolare, con riferimento ai sistemi di conversione destinati ad operare su linee in alternata, verranno esaminate in dettaglio e comparate le architetture circuitali basate su un trasformatore di linea multiavvolgimento alimentante un insieme di front-end attivi costituiti da raddrizzatori PWM monofase (cfr. fig.2), e quelle basate su convertitore multilivello lato linea e trasformatore in media frequenza (cfr. fig.3).

Nel primo caso verranno individuate le configurazioni più adatte ad assicurare un corretto funzionamento del sistema di propulsione in caso di avaria; particolare cura verrà data al sistema di controllo dei raddrizzatori attivi che verranno pilotati con tecniche interlacciate in modo da contenere al massimo la distorsione delle correnti assorbite dalla linea. Verranno anche individuati i valori e le dimensioni dei componenti esterni (filtri) in grado di mantenere la corrente psofometrica entro i limiti fissati dalla normativa, per evitare problemi di interferenza con i sistemi di comunicazione, e verranno valutate soluzioni fault-tolerant. Si intende anche progettare gli algoritmi di controllo interlacciato da utilizzare nei casi di avaria previsti. Una cura particolare verrà data alla modellizzazione matematica dell'insieme trasformatore multiavvolgimento+raddrizzatori attivi al fine anche di determinare con buona approssimazione le sollecitazioni all'interno del trasformatore ed evitare interventi indesiderati delle protezioni termiche (frequentemente rilevati durante l'esercizio attuale). Non ritenendo possibile ricorrere a ridondanze nel trasformatore, per ovvi motivi di ingombro, è utile verificare la possibilità di frazionare la potenza in un numero di secondari tali che l'andata fuori servizio di uno di essi consenta un funzionamento a potenza accettabilmente ridotta, con accelerazioni e velocità massima non inferiori a limiti minimi prefissati. Si può, inoltre, valutare la possibilità di ricorrere ad una architettura flessibile, utilizzando per la trazione i secondari del trasformatore che alimentano gli ausiliari di bordo; visto che la potenza di questi ultimi è, oggi, una frazione rilevante della potenza complessivamente derivata dalla rete, in caso di avaria ad un sottosistema destinato alla propulsione, si può rinunciare all'alimentazione degli ausiliari non necessari alla sicurezza del servizio e dirottare la relativa disponibilità di energia sulla trazione.
Con riferimento, invece, al caso di convertitori connessi direttamente alla linea di alimentazione, verranno esaminate alcune architetture multilivello significative. In particolare verranno esaminate prestazioni funzionali e fault-tolerance di una particolare struttura di conversione ac/ac monofase (fig. 3), costituita da quattro convertitori disposti a ponte; ciascun ramo del ponte è un convertitore multilivello costituito da n submoduli uguali, ognuno dei quali è un ponte monofase ad H con relativa capacità sul lato in continua ed è alimentato ad una tensione pari a 1/n di quella di linea. La scelta del numero di livelli è effettuata sulla base delle caratteristiche dei componenti utilizzati e della ridondanza circuitale necessaria a fronteggiare possibili guasti. L'impiego di numerose substrutture uguali, interfacciabili con l'esterno mediante due soli morsetti può poi agevolare le operazioni di manutenzione in caso di avaria, specie se a livello progettuale il lay-out del convertitore è opportunamente studiato. La frequenza di uscita di questo convertitore può presumibilmente essere dell'ordine di 500-2000 Hz; la scelta del valore è effettuata in base a considerazioni sulla frequenza di switching dei componenti e sulle perdite del trasformatore collocato in uscita al convertitore, che è di dimensioni notevolmente ridotte rispetto a quello tradizionale a frequenza di rete.
Al fine di migliorare i livelli di fault-tolerance verrà anche esaminata un'ulteriore configurazione circuitale, analoga a quella su descritta, ma composta da un convertitore lato linea di tipo ac/ac con ingresso monofase e uscita trifase.
Per questa fase è previsto un tempo di 8 mesi e un costo di 22000 euro.

c) Analisi numerico-simulativa e predisposizione di apparati sperimentali
In questa linea di attività vengono innanzitutto messi a punto dei programmi di simulazione per le configurazioni prese in considerazione relativamente ai diversi tipi di linea di alimentazione. In particolare per i sistemi di propulsione destinati al funzionamento di reti in alternata e con caratteristiche politensione le configurazioni esaminate sono:
c1) Trasformatore (cfr. fig. 2) a frequenza di rete con 6 avvolgimenti secondari, dei quali 4 destinati alla trazione e 2 alla alimentazione dei servizi ausiliari di bordo; ciascun secondario alimenta un VSR (voltage source rectifier) monofase; ciascuna coppia di VSR è collegata ad un bus in continua ed è controllata con tecnica PWM in modalità interlacciata. Il controllo delle 2 coppie di VSR avviene in maniera coordinata per ridurre ulteriormente la distorsione armonica della corrente.
c2) Convertitore lato rete con trasformatore monofase in media frequenza (cfr. fig.3). La struttura di conversione è costituita da 4 convertitori multilivello ciascuno dei quali è costituito da 7-10 ponti monofase ad H con relativa capacità sullo stadio in continua; il trasformatore in media frequenza ha 4 secondari dedicati alla trazione.
c3) Convertitore lato rete con trasformatore trifase in media frequenza. La struttura di conversione è costituita da 6 convertitori multilivello ognuno dei quali è composto da 7-10 ponti ad H in serie.
Per ciascuno dei casi c1), c2), c3) si determinano le configurazioni di dettaglio, i dati nominali delle singole parti componenti e i ranges di variazione ammissibili per le grandezze significative.
Gli algoritmi di controllo precedentemente individuati vengono messi a punto e testati ampiamente in tutte le condizioni di avaria singola possibili, in alcune condizioni di avaria multipla, oltre che ovviamente nelle condizioni di funzionamento normali in corrispondenza sia di regime stazionario che transitorio, anche gravoso. Gli algoritmi verranno ottimizzati anche dal punto di vista del tempo di calcolo necessario sia al riconoscimento della presenza di un guasto e al successivo suo isolamento, sia alla riconfigurazione del sistema.
In questa fase, per la topologia indicata al punto c2), viene progettato un modello prototipico di convertitore in scala ridotta. Il modello di test è costituito da un convertitore monofase ad n livelli (con n da definire) utilizzante IGBT con potenza dell'ordine di 20 kW.
Verrà anche individuato l'insieme di sensori da utilizzare e la loro collocazione all'interno del convertitore.
Per questa fase è previsto un tempo di 7 mesi e un costo di 30000 euro.

d) Validazione sperimentale
Al fine di validare sperimentalmente i risultati ottenuti si intende realizzare il prototipo progettato nella fase precedente e condurre su di esso un'ampia indagine di laboratorio in differenti situazioni di funzionamento. Per la rete di rilevamento dati e per il controllo digitale si utilizzeranno apparecchiature già disponibili in laboratorio, con opportuni ampliamenti ed integrazioni, con particolare riguardo al numero di canali I/O da incrementare. I programmi di controllo real-time saranno scritti in linguaggio "C" ed implementati su piattaforma digitale con DSP, già utilizzata per il controllo di gruppi di convertitori a 3 livelli ad uso industriale.
I componenti esterni dell'unità di ricerca si sono dichiarati particolarmente interessati ai risultati di questa indagine sperimentale e di quella strettamente correlata sui convertitori di trazione (lato motore) svolta da un'altra unità del progetto nazionale, al fine di poter verificare direttamente la possibilità di utilizzazione di strutture fault-tolerant in luogo di quelle attualmente impiegate nei sistemi di propulsione.
Per questa fase è previsto un tempo di 5 mesi e un costo di 12000 euro.