Trasformatore ferroviario: tipologie, specifiche e applicazioni

 

Introduzione

I treni ad alta-velocità, i tram, la metropolitana leggera, le metropolitane e i treni convenzionali dipendono tutti da un'alimentazione elettrica affidabile per funzionare in modo sicuro ed efficiente. Dietro questo alimentatore si nasconde una gamma di trasformatori ferroviari specializzati, progettati per convertire e distribuire energia elettrica per le diverse parti di un sistema di elettrificazione ferroviaria. Tra loro,trazionetrasformatorisvolgere un ruolo chiave. Sono utilizzati nelle sottostazioni di trazione ferroviaria e, in alcune applicazioni, a bordo dei treni per convertire l'energia elettrica nella tensione e nella configurazione richieste dai sistemi di trazione ferroviaria. In questo articolo spieghiamo cos'è un trasformatore ferroviario, come funzionano i trasformatori di trazione, i principali tipi di trasformatori ferroviari, le loro specifiche chiave e come selezionare il trasformatore giusto per un sistema di alimentazione ferroviaria.

 

Cos'è un trasformatore di trazione ferroviaria?

Un trasformatore ferroviario è progettato per l'uso nei sistemi di elettrificazione ferroviaria per convertire, isolare e distribuire l'energia elettrica per i treni e le relative apparecchiature. Uno dei tipi principali è il trasformatore di trazione, che fornisce energia al sistema di trazione ferroviaria.

Un trasformatore di trazione ferroviaria, noto anche come trasformatore di potenza di trazione, converte in genere l'alimentazione CA ad alta-tensione proveniente dalla rete pubblica o da una rete di alimentazione ferroviaria in una tensione adatta al sistema di trazione. Viene comunemente installato in una sottostazione di trazione ferroviaria, dove fornisce energia alla catenaria aerea o ai sistemi di terza-rotaia. Alcuni trasformatori di trazione sono progettati anche per l'installazione diretta sui treni elettrici.

A differenza dei trasformatori di potenza convenzionali, un trasformatore di trazione deve gestire frequenti e rapidi cambiamenti di carico. L'accelerazione del treno può causare improvvisi aumenti di corrente, mentre le frenate e i cambiamenti nella circolazione del treno possono produrre ulteriori variazioni del carico elettrico. Pertanto, i trasformatori di trazione ferroviaria sono progettati per un funzionamento affidabile in presenza di carichi dinamici, sollecitazioni elettriche, vibrazioni e altre condizioni ferroviarie impegnative.

Per un'introduzione più ampia alla costruzione e ai componenti dei trasformatori di trazione

vedi il nostroPanoramica del trasformatore di trazione.

 

3. Principio di funzionamento del trasformatore ferroviario

Il principio di funzionamento del trasformatore ferroviario si basa sull'induzione elettromagnetica. In una sottostazione di trazione, il trasformatore riduce la potenza ad alta-tensione proveniente dalla rete o dalla rete di alimentazione ferroviaria a una tensione adatta al sistema di trazione ferroviaria.

Ingresso-alta tensione: L'elettricità proveniente dalle linee catenarie aeree o dai sistemi di terza-rotaia viene immessa nell'avvolgimento primario del trasformatore ferroviario. La tensione di ingresso può variare da 15 kV a 25 kV, a seconda del sistema ferroviario.

 

Trasformazione di tensione:L'ingresso ad alta-tensione eccita l'avvolgimento primario e crea un campo magnetico variabile nel nucleo del trasformatore. Attraverso l'induzione elettromagnetica, questo campo magnetico induce una tensione inferiore nell'avvolgimento secondario, con la tensione determinata dal rapporto spire del trasformatore.

 

Regolazione della tensione: Il trasformatore ferroviario regola la tensione per soddisfare i requisiti del sistema di trazione del treno, generalmente riducendola a un livello di tensione inferiore adatto all'attrezzatura di propulsione del treno.

 

Erogazione di potenza: La potenza trasformata viene quindi fornita al sistema di trazione, compresi i motori di trazione o altre apparecchiature di bordo, consentendo al treno di funzionare.

 

Protezione e controllo: I trasformatori ferroviari devono gestire sia l'elevata tensione di ingresso che le diverse richieste di carico durante il funzionamento del treno. I dispositivi di protezione come interruttori automatici e sensori monitorano la temperatura, la tensione e la corrente per garantire un funzionamento sicuro e affidabile.

 

Feedback e aggiustamenti: Il monitoraggio continuo consente al sistema di rispondere ai cambiamenti del carico e delle condizioni operative, aiutando a mantenere prestazioni stabili e prevenire guasti.

 

4. Tipologie di trasformatori ferroviari

Esistono diversi tipi di trasformatori ferroviari e la loro progettazione varia a seconda del sistema di alimentazione ferroviaria, del luogo di installazione e dell'applicazione. I tipi principali includono trasformatori di trazione fissi, trasformatori di trazione a bordo, trasformatori di auto-e trasformatori di trazione multi-sistema.

 

4.1 Trasformatori di trazione stazionaria

I trasformatori di trazione fissi sono installati nelle sottostazioni ferroviarie lungo la linea ferroviaria. Riducono l'energia ad alta-tensione dalla rete o dalla rete di alimentazione ferroviaria prima di fornire elettricità al treno attraverso la catenaria aerea o la terza rotaia.

Questi trasformatori sono comunemente utilizzati nei sistemi di elettrificazione ferroviaria per fornire un'alimentazione stabile e affidabile ai treni elettrici.

 

4.2 Trasformatori di trazione di bordo

I trasformatori di trazione di bordo vengono installati direttamente su treni o locomotive elettriche. Hanno un design compatto e leggero perché devono muoversi con il treno e gestire al tempo stesso le elevate-richieste di potenza del sistema di trazione.

Questi trasformatori ricevono energia dal sistema aereo ferroviario e la riducono a una tensione adeguata per la trazione e le apparecchiature elettriche del treno.

 

4.3 Trasformatori automatici-di trazione

Gli autotrasformatori da trazione-vengono utilizzati nei sistemi di alimentazione ferroviaria, in particolare nelle applicazioni ferroviarie ad alta-tensione e ad alta-velocità. Aiutano a mantenere la tensione richiesta lungo la linea ferroviaria e possono ridurre le cadute di tensione e le perdite di potenza su lunghe distanze.

A differenza dei tradizionali trasformatori a due-avvolgimenti, un auto-trasformatore utilizza un avvolgimento comune per parte dei circuiti primario e secondario.

 

4.4 Trasformatori di trazione multi-sistema

I trasformatori di trazione multi-sistema sono progettati per treni elettrici che operano su reti ferroviarie con diversi sistemi di elettrificazione. Possono adattarsi a diverse tensioni e frequenze di alimentazione, consentendo ai treni di circolare in regioni o paesi con diversi standard di alimentazione ferroviaria.

 

4.5 Trasformatori per sistemi di trazione AC e DC

I trasformatori di trazione ferroviaria possono essere classificati anche in base alla tipologia di alimentazione ferroviaria.

I trasformatori di trazione CA vengono utilizzati nei sistemi di elettrificazione ferroviaria CA, comprese molte reti ferroviarie a lunga-distanza e ad alta-velocità. Riducono la tensione CA in ingresso al livello richiesto dal sistema di trazione del treno.

I sistemi di trazione CC sono comunemente utilizzati per treni metropolitani, tram e ferrovie suburbane. In questi sistemi, i trasformatori vengono generalmente utilizzati insieme ai raddrizzatori per convertire la potenza CA in ingresso nella potenza CC richiesta dal sistema ferroviario.

La scelta del trasformatore ferroviario dipende dal sistema di elettrificazione ferroviaria, dalla tensione e dalla frequenza, dal tipo di installazione, dai requisiti del treno e dalle condizioni operative.

 

5. Applicazioni dei trasformatori per trazione ferroviaria

I trasformatori di trazione ferroviaria vengono utilizzati principalmente nei sistemi ferroviari elettrificati per fornire energia affidabile ai treni e alle relative apparecchiature ferroviarie. Le loro applicazioni variano a seconda del tipo di ferrovia, treno e sistema di elettrificazione.

 

6. Progettazione e specifiche del trasformatore di trazione ferroviaria

La progettazione del trasformatore di trazione dipende dal sistema di elettrificazione ferroviaria, dal tipo di installazione, dal livello di tensione, dai requisiti di alimentazione e dalle condizioni operative. Rispetto ai trasformatori di potenza standard, i trasformatori ferroviari devono resistere a frequenti cambiamenti di carico, vibrazioni meccaniche, sollecitazioni elettriche e condizioni operative impegnative.

 

6.1 Nucleo e avvolgimenti

Il nucleo del trasformatore fornisce un percorso a bassa-riluttanza per il flusso magnetico tra gli avvolgimenti. I materiali principali di alta-qualità e la struttura rigida aiutano il trasformatore a mantenere prestazioni affidabili anche in presenza di carichi ferroviari variabili.

Gli avvolgimenti sono progettati in base alla tensione e alla potenza richiesta. Vengono utilizzati materiali conduttori e sistemi di isolamento di alta-qualità per fornire la resistenza meccanica e l'isolamento elettrico necessari per le applicazioni ferroviarie.

 

6.2 Tensione e frequenza

Le specifiche del trasformatore di trazione dipendono dal sistema di alimentazione ferroviaria. I livelli comuni di fornitura ferroviaria includono:

• 15 kV, 16,7 Hz CA - utilizzato in alcune reti ferroviarie europee.
• 25 kV, 50/60 Hz CA - ampiamente utilizzato per l'elettrificazione ferroviaria.
• Sistemi di trazione da 1,5 kV CC e 3 kV CC - utilizzati in alcune reti ferroviarie urbane e convenzionali.

La tensione di uscita viene selezionata in base ai requisiti del sistema di trazione e delle apparecchiature elettriche a valle.

 

6.3 Potenza nominale

La potenza nominale del trasformatore di trazione è normalmente specificata in kVA o MVA e dipende dal treno, dalla rete ferroviaria e dal carico previsto. Applicazioni diverse possono richiedere potenze nominali diverse, da unità più piccole per ferrovie leggere e tram a trasformatori di capacità-più elevata per treni ad alta-velocità e sistemi ferroviari-per carichi pesanti.

Il trasformatore deve inoltre essere progettato per resistere a sovraccarichi a breve- termine e a rapidi cambiamenti di carico durante l'accelerazione, la frenata e il normale funzionamento del treno.

 

6.4 Raffreddamento e costruzione

I trasformatori di trazione possono utilizzare diversi metodi di raffreddamento a seconda dell'installazione e dei requisiti di alimentazione.

I trasformatori- immersi in olio utilizzano liquido isolante sia per il raffreddamento che per l'isolamento.

I trasformatori di tipo-a secco utilizzano aria per il raffreddamento e materiali isolanti solidi, rendendoli adatti per applicazioni in cui l'olio non è preferibile.

Per le applicazioni a bordo, il trasformatore deve inoltre soddisfare severi requisiti di spazio e peso. A seconda del modello del treno, i trasformatori possono essere installati nelle sale macchine, sotto il pavimento, in aree a pavimento-basso o sul tetto.

 

6.5 Commutatore e regolazione della tensione

È possibile utilizzare un commutatore di presa per regolare la tensione del trasformatore in base ai requisiti del sistema elettrico ferroviario. A seconda dell'applicazione, un trasformatore di trazione può utilizzare un commutatore di presa sotto-carico (OLTC) o un commutatore di presa-a vuoto.

Un OLTC può regolare la tensione mentre il trasformatore rimane sotto tensione, mentre un commutatore a vuoto-richiede che il trasformatore sia disconnesso prima di modificare la posizione della presa.

 

6.6 Efficienza e perdite energetiche

I trasformatori di trazione sono progettati per un'elevata efficienza perché funzionano in condizioni di carico frequenti e variabili. Le loro perdite di energia comprendono principalmente perdite di nucleo e perdite di carico.

• Perdite fondamentali: Principalmente causato da isteresi e correnti parassite nel nucleo del trasformatore. Queste perdite rimangono relativamente stabili quando il trasformatore è alimentato.
• Perdite di carico: Principalmente causato dalla resistenza dell'avvolgimento e aumenta con il quadrato della corrente di carico.
• Altre perdite: Anche le perdite disperse, le perdite dielettriche e l'energia consumata dalle apparecchiature di raffreddamento possono contribuire alle perdite totali.

L'efficienza e le perdite effettive dipendono dal design del trasformatore, dalla potenza nominale, dai materiali, dal metodo di raffreddamento e dal carico operativo. Pertanto, l'efficienza del trasformatore e i valori di perdita dovrebbero essere valutati in base ai requisiti specifici del progetto e agli standard applicabili.

 

6.7 Protezione e test

Una protezione affidabile è essenziale perché i trasformatori di trazione funzionano con carichi elettrici e dinamici elevati. Le tipiche funzioni di protezione e monitoraggio includono:

• Protezione da sovracorrente
• Protezione da sovratensione
• Monitoraggio della temperatura
• Monitoraggio dell'isolamento
• Protezione dai guasti a terra

Il test del trasformatore di trazione viene eseguito per verificare le prestazioni elettriche, la resistenza dell'isolamento, le prestazioni della temperatura e l'affidabilità generale prima che il trasformatore venga messo in servizio.

Le specifiche e i valori nominali finali del trasformatore di trazione devono essere determinati in base al sistema di tensione ferroviaria, alla frequenza, alla domanda di energia, alle condizioni di installazione, al metodo di raffreddamento e agli standard applicabili.

 

6.8 Sfide chiave della progettazione

I trasformatori per trazione ferroviaria devono bilanciare diversi requisiti, tra cui:

Alta potenza: Movimentare carichi alti e che cambiano rapidamente.

Gestione termica: Dissipare il calore in condizioni operative impegnative.

Resistenza meccanica: Resiste alle vibrazioni e alle sollecitazioni meccaniche.

Compattezza: Rispettare i limiti di spazio e peso, soprattutto per le applicazioni a bordo.

Affidabilità: Mantenere un funzionamento stabile con una manutenzione minima.

 

7. Come selezionare un trasformatore ferroviario?

La scelta del giusto trasformatore ferroviario dipende dal sistema di alimentazione ferroviaria, dai requisiti di carico, dalle condizioni di installazione e dagli standard applicabili. Prima di effettuare un ordine, è importante confermare le seguenti specifiche chiave.

 

7.1 Potenza e tensione nominali

Il trasformatore dovrebbe avere una capacità sufficiente per gestire il carico ferroviario previsto, compresi i carichi di punta e variabili durante il funzionamento. La potenza nominale richiesta e il livello di alta-tensione devono essere determinati in base al sistema di alimentazione ferroviaria.

SCOTECH è in grado di fornire trasformatori con potenza nominale fino a 100 MVA e alta tensione nominale fino a 132 kV, con potenze personalizzate disponibili in base alle esigenze del progetto.

 

7.2 Requisiti di connessione e fase

Il collegamento del trasformatore deve corrispondere al sistema di trazione ferroviaria e alla sua configurazione di alimentazione. Diverse applicazioni ferroviarie possono richiedere diverse disposizioni di fase e collegamenti degli avvolgimenti.

Le opzioni di connessione disponibili includono:

• YN,d11
• YN,d11,d5
• V₀V₀
• Scott-connesso (trifase/bifase)
• Leblanc-connesso (trifase/bifase)
• Woodbridge-connesso (trifase/bifase)

 

7.3 Mezzo di isolamento e raffreddamento

La scelta del mezzo isolante e di raffreddamento dipende dall'ambiente di installazione, dai requisiti prestazionali e dalle specifiche del progetto.

SCOTECH può fornire diverse opzioni, tra cui FR3, olio minerale, silicone, idrocarburo e olio vegetale.

I sistemi di raffreddamento possono anche essere configurati in base alla potenza nominale e all'applicazione del trasformatore, con radiatori in acciaio zincato o inossidabile-disponibili.

 

7.4 Serbatoio e accessori

Il serbatoio e il coperchio del trasformatore devono fornire sufficiente resistenza meccanica e protezione ai componenti interni. A seconda dei requisiti del progetto, SCOTECH offre serbatoi e coperture in acciaio dolce o acciaio inossidabile-.

È inoltre possibile configurare accessori aggiuntivi, tra cui:

• Staffetta Buchholz
• Trasformatore di corrente (CT)
• Commutatore sotto-carico (OLTC)
• Scatola di smistamento
• Indicatore della temperatura dell'avvolgimento
• Altri accessori di monitoraggio e protezione

 

7.5 Impedenza e requisiti personalizzati

L'impedenza del trasformatore influisce sulla regolazione della tensione e sulle prestazioni di corto-circuito, pertanto deve essere selezionata in base ai requisiti del sistema ferroviario.

SCOTECH supporta l'impedenza personalizzata e può fornire uno schermo elettrostatico quando richiesto. Anche altri parametri del trasformatore possono essere personalizzati in base alle specifiche del progetto.

 

7.6 Standard e test

I trasformatori ferroviari dovrebbero essere progettati e testati secondo gli standard richiesti per il progetto e il mercato specifici. SCOTECH progetta trasformatori secondo gli standard IEC, ANSI/IEEE, NEMA, CSA applicabili e altri standard pertinenti.

Prima di selezionare un trasformatore ferroviario, verificare la potenza nominale, la tensione, la frequenza, il collegamento, l'isolamento e il mezzo di raffreddamento richiesti, l'impedenza, gli accessori, le condizioni di installazione e gli standard applicabili. Fornire questi dettagli al produttore del trasformatore aiuta a garantire che il progetto finale corrisponda al sistema di alimentazione ferroviario e ai requisiti operativi.