Commutatori nella trazione ferroviaria e nei sistemi a corrente continua tradizionali
Commutatori hanno deciso il comportamento dei primi treni elettrici e ancora oggi decidono se un numero sorprendente di locomotive moderne riesce a tornare al deposito o si guasta sulla linea. I convertitori di frequenza a corrente alternata potrebbero essere il futuro, ma per le flotte a corrente continua tradizionali il sistema commutatore-spazzola è ancora il punto in cui l'affidabilità viene tranquillamente vinta o persa.
Indice
Perché i commutatori sono ancora importanti nell'era del “tutto-AC
La maggior parte del nuovo materiale rotabile esce dalla fabbrica con motori trifase a corrente alternata e convertitori IGBT. I motori di trazione a corrente continua con commutatori sono stati progressivamente soppiantati perché le macchine a corrente alternata sono più semplici dal punto di vista meccanico e meno costose da mantenere nel corso della vita.(ScienzaDiretto)
Tuttavia, le locomotive per il trasporto pesante, le vecchie EMU, le metropolitane degli anni '70-'90 e una parte consistente delle ferrovie minerarie e industriali dipendono ancora dai grandi motori a corrente continua. In molte di queste flotte, carrelli, riduttori e telai dei motori possono funzionare ancora per decenni, ma i commutatori e le spazzole definiscono la data di pensionamento pratica. I motori di ricambio e gli spezzoni di commutatori non sono sempre il fattore limitante, ma lo sono le conoscenze specialistiche.
C'è un altro motivo per cui sono importanti. Gran parte dell'intuizione alla base dei moderni azionamenti CA a controllo vettoriale deriva dalla classica macchina a commutatore CC. La descrizione dq a due assi utilizzata nel controllo orientato al campo è essenzialmente un'eco matematica di ciò che il commutatore e le spazzole fanno meccanicamente. Perdere il know-how del commutatore significa perdere parte di quella sensazione fisica originale per la produzione di coppia e il controllo della corrente.
Il commutatore come convertitore meccanico, non solo un tamburo di rame
Ormai conoscete la procedura da manuale: cilindro di rame segmentato, spazzole di carbone, inversione di corrente. Quello che si tende a trascurare è che il commutatore è un convertitore meccanico di frequenza inserito in un ambiente violentemente vibrante. Shantarenko e i coautori descrivono il gruppo commutatore-spazzola esplicitamente come un convertitore meccanico di frequenza elettrica, e poi procedono a trattare il suo comportamento di scintillamento in modo statistico, che è più vicino alla realtà nel servizio di trazione di qualsiasi diagramma a fasori.
Nella trazione ferroviaria la corrente di armatura è raramente “nominale e costante”. L'avviamento di un treno merci pesante o la spinta di un convoglio della metropolitana fuori dalla banchina caricano il motore in serie a corrente continua ben oltre la targa per brevi periodi. Il commutatore deve commutare migliaia di ampere sotto la reazione dell'indotto, mentre gli interpoli fanno del loro meglio per ripulire le tensioni indotte. Quando le ruote scivolano, o un conducente tira la maniglia di alimentazione, o il sistema di controllo della trazione cerca l'aderenza, tutto ciò finisce per essere stressato in pochi millimetri di rame e pellicola.
Quindi il commutatore non si limita a trasferire la corrente. Sta cercando di mantenere l'illusione di una coppia regolare mentre il sistema continua a chiedergli di comportarsi come un moderno inverter regolato dalla corrente. Questo disallineamento è esattamente il punto di partenza di molti dei brutti guasti.
I cicli di lavoro ferroviari e il loro effetto sulla pendolarità
Le metropolitane urbane a corrente continua si collocano all'estremo opposto. La breve distanza tra le stazioni, l'accelerazione aggressiva e la frenata pesante fanno sì che i motori di trazione vivano in un mondo di brusche variazioni di corrente, ripetute più volte per chilometro. Il commutatore non si stabilizza mai veramente in uno stato termico stabile e pulito. La formazione della pellicola, l'usura delle spazzole e la temperatura del rame sono tutti elementi che funzionano con orologi diversi, per cui è possibile avere un commutatore apparentemente a posto che in realtà pattina sul filo dell'ammorbidimento termico durante l'ora di punta.
Le locomotive per il trasporto pesante sollecitano il sistema in modo diverso. Un carico elevato e continuo su lunghe tratte mantiene la corrente di indotto vicina al massimo per lunghi tratti, aumentando la temperatura del rame ma con meno transitori veloci. In queste condizioni, è più probabile che si verifichino fenomeni come il trascinamento del rame e la bruciatura delle barre dentate, in particolare se il grado di usura delle spazzole o la forza delle molle sono stati ottimizzati in modo troppo aggressivo per ridurre l'usura.
Poi c'è la frenatura rigenerativa sui sistemi a corrente continua. Sulle vecchie EMU, la rigenerazione è stata a volte applicata in un secondo momento a motori progettati con l'obiettivo della pura motorizzazione. La corrente si inverte, le condizioni magnetiche nella zona di commutazione cambiano e quella che era una configurazione stabile in marcia può diventare marginale in regen, soprattutto a bassa velocità. I conducenti riferiscono che “fa scintille solo in discesa”, che sono facili da ignorare, ma spesso indicano problemi reali di margine di commutazione.
Cosa si guasta effettivamente nei commutatori di trazione
La risposta più ovvia è “si consumano”. Ma non è questo il punto. La zona commutatore-spazzola è un sistema elettromeccanico accoppiato e la maggior parte dei guasti gravi inizia con un piccolo squilibrio. I manuali sulle spazzole in carbonio non hanno peli sulla lingua: la densità di corrente, il tipo di spazzola, le condizioni della superficie di contatto e la geometria del supporto interagiscono tra loro e nessuno di questi parametri può allontanarsi molto senza conseguenze visibili sull'interfaccia di rame.
Le guide alla manutenzione delle macchine industriali e di trazione elencano una serie di difetti ben noti: scanalature, trascinamento del rame, bruciatura del bordo della barra, bruciatura della barra della fessura, mica alta, barre allentate. Il trucco, in un contesto ferroviario, consiste nel collegare questi schemi superficiali al ciclo di lavoro, all'hardware di raffreddamento e alla strategia di controllo del veicolo, invece di trattare ogni commutatore come un lavoro isolato di officina. Un vagone della metropolitana che passa metà della sua vita in galleria con un filtraggio marginale della polvere invecchierà le spazzole e le pellicole in modo diverso da una locomotiva da miniera che vive in mezzo a polvere abrasiva e sbalzi di temperatura.
La letteratura sull'affidabilità dei motori di trazione tratta sempre più spesso il comportamento dei commutatori in modo statistico, utilizzando metriche come le distribuzioni della durata degli impulsi dell'arco per valutare il livello di scintilla e prevedere il rischio di guasto. Questo tipo di pensiero è ancora raro nei depositi, dove “l'ispezione visiva e l'orecchio del tecnico” rimangono gli strumenti principali.
Una visione di campo: sintomi, meccanismi e cosa ci dicono in realtà
Invece di una lista della spesa di difetti, aiuta a mantenere una mappatura compatta tra ciò che si vede, ciò che probabilmente accade nella zona di commutazione e ciò che è effettivamente in gioco per la flotta. La tabella è volutamente semplificata, ma si allinea abbastanza bene alle principali guide utilizzate nell'industria.
| Sintomo di campo sul commutatore della trazione CC | Probabile meccanismo di base nel servizio di trazione | Le prime domande da porre in deposito | Rischio pratico se ignorato |
|---|---|---|---|
| Pellicola uniforme di colore marrone chiaro, superficie liscia, bassa usura della spazzola | Film e densità di corrente in equilibrio; interpolazioni impostate correttamente; vibrazioni sotto controllo | È cambiato qualcosa nella qualità delle spazzole, nel filtraggio o nel ciclo di lavoro dall'ultima revisione? | Basso; per lo più un caso di riferimento per la “normalità” nella propria flotta. |
| Pellicola scura pesante ma uniforme, pennelli che scorrono freschi | L'elevata umidità o l'aria inquinata favoriscono l'accumulo di pellicola; possibile lieve sottocarico in alcune parti del ciclo | Le modifiche all'orario hanno allungato il coasting o il funzionamento a basso carico, oppure il software di controllo ha ridotto i picchi di corrente? | Moderato; può nascondere la resistenza al rame precoce se le temperature aumentano in seguito |
| Scanalatura pronunciata in direzione della spazzola | Spazzola abrasiva o aria contaminata; arco localizzato che lavora la superficie | La qualità delle spazzole è passata da una famiglia più morbida a una più dura; i filtri sono intasati; ci sono percorsi visibili di ingresso della polvere vicino ai motori? | Le scanalature alte concentrano la corrente, aumentano la temperatura locale e riducono drasticamente la durata del commutatore. |
| Rame trascinato sulle fessure, aspetto imbrattato | Rame che si ammorbidisce a causa delle alte temperature e delle vibrazioni meccaniche; a volte eccessivamente abrasivo o instabile come spazzola | Le temperature del commutatore sono state monitorate; il carico continuo è aumentato; i livelli di vibrazione sono cambiati dopo la riprofilatura delle ruote o il lavoro sui carrelli? | Elevato; una volta iniziata la resistenza tende ad auto-accelerarsi e può rovinare un commutatore tra una revisione e l'altra |
| Bruciatura del bordo della barra ogni due o tre barre | Scarsa temporizzazione della commutazione, impostazione del neutro errata o interpoli indeboliti; a volte caduta di tensione della spazzola non adeguata | Qualcuno ha spostato il rivestimento delle spazzole; le correnti di campo o interpolari sono state modificate con aggiornamenti del controllo; la qualità delle spazzole scelta è ancora conforme alle specifiche per questo tipo di motore? | Molto elevato; spesso precursore di danni all'isolamento e della sostituzione forzata del motore |
| Barre scure casuali, scintille intermittenti segnalate dagli automobilisti | Barre allentate, pressione di contatto non uniforme o problemi di isolamento locale | Quando è stato effettuato l'ultimo test bar-to-bar; il motore ha subito in passato un flashover o un impatto meccanico; i portaspazzole sono puliti e squadrati? | Molto elevato; le barre allentate nei motori di trazione possono provocare guasti catastrofici sotto carico o durante la rigenerazione. |
| Macchie piatte localizzate senza scolorimento evidente | Rasatura precedente con sbavatura insufficiente o usura irregolare in seguito a spazzole non allineate | Il commutatore è stato scremato sul veicolo; le spazzole sono state inserite correttamente in seguito; i supporti sono allineati ai dati del produttore? | Medio; può iniziare come un problema di comfort (rumore, scintille di lieve entità) ma può trasformarsi in difetti più gravi |
Questo modo di pensare è noiosamente pragmatico. Ma aiuta a mantenere la conversazione nel deposito incentrata sulle cause del sistema, invece di limitarsi alla lavorazione superficiale e alla sostituzione delle spazzole.
Decisioni sulle spazzole: dove si concentra la maggior parte delle sottigliezze
I fornitori offrono oggi una gamma sconcertante di gradi di carbonio per la trazione, spesso con formulazioni specifiche per il settore ferroviario, che mettono a confronto l'usura con la stabilità della commutazione e la formazione di un film accettabile. Le guide applicative per i motori di trazione GE e simili mostrano che gradi come T900, T959 e T593 sono stati approvati per particolari famiglie di motori, spesso in costruzioni di spazzole multi-wafer per migliorare la stabilità del contatto in ambienti ad alta vibrazione.
I progetti multi-wafer e le gradazioni dure non sono solo una questione di marketing. Esistono per far fronte alle vibrazioni dei carrelli, all'ovalizzazione dei commutatori e al frequente funzionamento a bassa velocità e ad alta coppia che si verifica quando si movimentano treni molto pesanti. Ma l'applicazione di un “grado ferroviario” alla cieca può ritorcersi contro. Un grado eccessivamente duro su una flotta con un raffreddamento marginale può far aumentare la temperatura del commutatore e innescare il trascinamento del rame. Una gradazione molto morbida, scelta per proteggere il commutatore su una vecchia flotta, può creare problemi di polvere e film instabili, soprattutto nelle gallerie con un filtraggio insufficiente.
La caduta di tensione della spazzola è un'altra variabile silenziosa. La finestra di commutazione in un motore CC di trazione è stretta. Se la caduta di tensione delle spazzole è inferiore a quella per cui sono stati progettati gli interpoli e il piano neutro, si può arrivare alla bruciatura dei bordi della barra anche se la macchina sembra a posto in un funzionamento a vuoto. È proprio per questo che molte guide all'usura riconducono la bruciatura dei bordi non solo alle impostazioni magnetiche, ma anche al materiale delle spazzole.
Hardware del diciannovesimo secolo con la moderna elettronica di potenza
Alcuni dei problemi più difficili si presentano quando i motori di trazione a corrente continua tradizionali vengono pilotati da un'elettronica di potenza più aggressiva di quella per cui sono stati progettati. I primi sistemi utilizzavano commutazioni in serie-parallelo e banchi di resistenze o semplici controlli a chopper. Con il miglioramento dei convertitori, gli OEM e gli operatori hanno iniziato ad alimentare gli stessi motori con chopper o raddrizzatori più veloci e ad alta frequenza, con regolatori di corrente più rigidi. La risposta della coppia esterna è migliorata. Il commutatore ha registrato rampe di corrente più ripide e transizioni più frequenti.
Nelle reti miste, le locomotive a corrente continua possono essere alimentate da sottostazioni che ora supportano anche le moderne applicazioni MVDC, dove l'alimentazione di trazione può fungere da spina dorsale per i carichi urbani a corrente continua o per le microgrid. Dal punto di vista del commutatore, ciò può significare un contenuto di ondulazione leggermente diverso, un diverso comportamento di eliminazione dei guasti e modelli di rigenerazione alterati. Nulla di tutto ciò è riportato nei disegni originali del motore. Si manifesta sotto forma di strani schemi di usura alcuni anni dopo l'aggiornamento del sistema di alimentazione.
Quando la conversione AC-DC-AC è diventata uno standard per le nuove locomotive, i motori di trazione a corrente continua hanno iniziato a scomparire dalle specifiche delle linee principali, ma le flotte rimanenti sono spesso finite in servizi più gravosi: avanzi di magazzino, treni di lavoro, trasporto merci a bassa priorità. Questi schemi di funzionamento possono essere sorprendentemente gravosi, con partenze frequenti, basse velocità e scarsa qualità dei binari, e lasciano la loro impronta sulle condizioni dei commutatori.
Diagnostica che cambia effettivamente le decisioni
La ricerca moderna sul comportamento dei commutatori nella trazione si concentra sulla quantificazione delle scintille misurando la durata e la distribuzione degli impulsi d'arco all'interfaccia spazzola-commutatore. L'idea è quella di superare i “gradi di scintilla” soggettivi per passare a indicatori probabilistici della qualità della commutazione. In pratica, questo può essere collegato ai sistemi di monitoraggio delle condizioni esistenti, combinando i dati dei sensori di corrente, le vibrazioni e la temperatura con le statistiche dell'arco.
Per molte flotte, tuttavia, il percorso realistico è un passo o due più modesto. Ciò che tende a funzionare è una documentazione visiva coerente delle condizioni del commutatore a ogni ispezione programmata, insieme a misure semplici come la resistenza da barra a barra, il run-out totale indicato e la forza della molla della spazzola. Se si aggiungono i dati relativi al treno, come i profili delle correnti di trazione e i registri degli slittamenti, si ha già abbastanza materiale per correlare modelli di guida aggressivi o cambiamenti di orario con l'accelerazione dell'usura dei commutatori. Nell'arco di qualche anno, questa diventa una “mappa” della pendolarità specifica per la flotta che batte qualsiasi manuale generico.
Prolungare la vita piuttosto che accettare la sostituzione
A un certo punto il commutatore è stato sfiorato troppo spesso, le scanalature sono state tagliate troppe volte e il rischio di guasti all'isolamento rende la continuazione del rinnovamento un'operazione economicamente sbagliata. Il problema è che il punto di pareggio finanziario si sposta quando il supporto dei produttori si esaurisce o il costo di un nuovo retrofit del convertitore di frequenza è elevato.
I fornitori di spazzole di carbone e le guide all'usura del commutatore tendono a promuovere la lavorazione, il riavvolgimento e la reisolazione come ciclo di routine. Questo può funzionare per gli azionamenti industriali. Per la trazione, ogni ulteriore rimozione del motore, ogni sollevamento del veicolo, ogni volta che si disturbano cavi pesanti e condotti di raffreddamento, comporta un rischio aggiuntivo per il sistema. La decisione non riguarda solo il cilindro di rame. Si tratta di tempi di inattività, disponibilità del parco macchine e competenze pratiche disponibili nelle vostre officine.
Una tattica utile è quella di classificare i motori in “a vita intera residua”, “da recuperare con la ristrutturazione” e “da sostituire” a ogni revisione importante, in base alle condizioni del commutatore, ai test di isolamento e ai dati storici. I motori dell'ultimo gruppo possono essere abbinati a veicoli che sono a loro volta prossimi alla fine del ciclo di vita. In questo modo si evita di spendere soldi per il commutatore su auto che saranno comunque presto rottamate.
Dove ci porta tutto questo
La trazione a corrente alternata, i motori a magneti permanenti e i convertitori a stato solido ricevono l'attenzione dei tecnici, e a ragione. Ma i gruppi spazzola-commutatore che si trovano sotto molti treni ormai obsoleti stanno ancora determinando la capacità reale che gli operatori possono spremere dalle loro reti. Un singolo grado di spazzola scelto male o un cambiamento inosservato del ciclo di lavoro possono consumare silenziosamente la vita residua dei motori di trazione di una flotta.
Trattare i commutatori nella trazione ferroviaria come un sistema vivente e accoppiato, anziché come “ferraglia” ereditata, rende il lavoro più interessante e più onesto. Collega le osservazioni dei depositi con le decisioni del software di controllo e con gli aggiornamenti a livello di sistema degli alimentatori. Una volta che si iniziano a unire i puntini, i commutatori smettono di sembrare delle reliquie e iniziano a sembrare ciò che sono sempre stati nella trazione a corrente continua: convertitori meccanici compatti e un po' goffi che portano ancora sulle loro spalle una parte sorprendente del destino del sistema.
