Come funziona una locomotiva (parte 2) – chopper, inverter e motori asincrono trifase

Nella precedente puntata, dove abbiamo avuto l’ardire di parlare di motori elettrici su Rollingsteel, vi abbiamo lasciato con una E444R “Tartaruga sarà tua sorella” che sfreccia sulla Roma-Napoli a 200 km/h. Queste macchine, assieme ai Caimani, sono il canto del cigno della lunga dinastia delle locomotive reostatiche italiane. Per quanto queste macchine fossero semplici, affidabili e riparabili anche dallo stesso personale di macchina durante il servizio, avevano anche diversi limiti e qui li riassumiamo brevemente:

• Scarso rendimento complessivo dovuto all’energia dissipata dal reostato per limitare la corrente assorbita dai motori;
• Possibile surriscaldamento di quest’ultimo, che imponeva di utilizzare il più possibile un numero finito di velocità economiche, ovvero col reostato disinserito;
• Condotta complessa, specialmente nelle prime macchine senza avviatore automatico, col macchinista che deve gestire autonomamente le combinazioni di motori e reostati;
• Cambi di combinazione ben percepibili, dei veri e propri piccoli “strappi”;
• Prestazioni contenute dei motori a corrente continua in rapporto a peso e ingombro;
• Presenza negli stessi dei collettori o spazzole, soggetti ad attrito e quindi a riscaldamento e usura.

Nel 1974 comincia a sentirsi odore di cambiamento.

La necessità di disporre di più potenza porta alla sperimentazione sulle E444.056 e .057 del sistema shunt chopper per la regolazione del reostato. Il chopper altro non è che un interruttore elettronico che si apre e chiude ad una frequenza regolabile e comunque elevata. Variandola, si cambia la tensione equivalente alla quale lavora la resistenza e quindi si regola la corrente che “sentono” i motori in maniera continua. I motori sono ancora collegati in vari gradi di serie e parallelo a seconda della velocità.

L’anno successivo tocca alla famosa .005 (la “Tartaruga elettronica”): stavolta si testa con successo la soluzione full chopper, dove il dispositivo non regola più la tensione equivalente del reostato ma direttamente quella dei motori, variabile da 0 a 1800V. Il reostato, presente solo per la frenatura elettrica, diventa inutile ai fini della trazione e scompare il combinatore (i motori sono sempre collegati in parallelo). La potenza oraria cresce da 4300 a 5000 kW e la strada per il progresso è segnata: la E444.005 tornerà originale (e, più avanti, R), ma intanto ci sono dei cervelli che ci lavorano sopra.

La soluzione full chopper si concretizzò sulle successive E632/633 entrate in servizio nel 1982, inizialmente costellate da una serie di problemi di affidabilità. L’obsoleta E656 reostatica sarà infatti prodotta addirittura fino al 1987. Le nuove macchine sono riuscitissime dal punto di vista della meccanica: nonostante l’abbandono della cassa articolata, che migliora enormemente la stabilità alle velocità più alte, sono in grado di affrontare persino curve più strette pur mantenendo i 6 assi su 3 carrelli. Purtroppo, tutto quello che non è meccanica invece si guasta: difetti di gioventù.

Rivisto e corretto il progetto nelle nuove potenti e veloci E652, che sono semplicemente delle 632 più affidabili, rimanevano tutti i limiti dei motori in CC, che hanno un unico vantaggio: per cambiarne la velocità basta variare la tensione di alimentazione.

Allora le imprese ferroviarie di tutta Europa avevano un sogno: la realizzazione di una locomotiva universale, utilizzabile indiscriminatamente in testa a treni passeggeri rapidi e merci, una cosa fino ad allora impensabile proprio per i limiti dei motori. Spesso esistevano versioni merci e passeggeri della stessa macchina la cui unica differenza era il rapporto di trasmissione, che ne cambiava la velocità anche da 120 a 160 km/h. Le stesse E444 andavano in crisi in testa ai rapidi più pesanti nelle linee con pendenze. Si delineavano dunque le caratteristiche della locomotiva che serviva alle FS: un bestione in grado di raggiungere i 200 km/h in testa a treni passeggeri e i soliti 120-130 in testa ai merci. C’erano già riusciti i tedeschi con le E120, completamente diverse per principio (le ferrovie tedesche sono tutte elettrificate in CA) e che non vedremo: queste macchine erano dotate di motori asincrono trifase. La velocità dei motori in CA non dipende dalla tensione, ma da altri fattori: andiamo con ordine.

Tale motore si chiama asincrono perché la velocità del rotore è inferiore a quella del campo magnetico rotante, detta velocità di sincronismo, quest’ultima dipendente essenzialmente dalla frequenza di rete f e dal n° di coppie di poli p secondo la formula:

La differenza fra le due velocità, senza scendere nel dettaglio, è detta scorrimento ed è direttamente proporzionale alla coppia erogata dal motore. Se la velocità di sincronismo, mettiamo, è di 1500 giri (50 Hz 4 poli), a vuoto il motore gira a 1500 giri; se applico un carico, la velocità effettiva scenderà a un regime inferiore, facciamo 1430 giri. Lo scorrimento sarà quindi di 70 giri e corrisponde a una coppia erogata dal motore per mantenere tale velocità costante: più aumento il carico, più diminuisce la velocità di regime, più aumenta lo scorrimento e quindi la coppia erogata. Quindi, controllando lo scorrimento si riesce a dosare la coppia del motore, ma per fare questo bisogna modificare la velocità di sincronismo e dunque la frequenza di rete e senza elettronica non ci si riesce. A inizio secolo, le prime locomotive elettriche italiane (a corrente trifase) avevano motori asincroni a tre o quattro velocità di marcia prefissate, la maggiore mai superiore ai 100 km/h. Si dimostrarono poco versatili, motivo per cui si passò alla corrente continua.

L’idea sulle nuove locomotive era di utilizzare un dispositivo, chiamato inverter, per variare la frequenza di alimentazione dei motori asincrono trifase. In queste prime applicazioni si usa un inverter a tiristori (SCR). Un tiristore altro non è che un diodo controllato da un impulso di tensione o corrente a un elettrodo di controllo, chiamato gate. Quando viene applicato un impulso sufficientemente ampio al gate, il tiristore si attiva passando nello stato di conduzione. Una volta attivato, il tiristore continua a condurre anche se l’impulso al gate viene interrotto. L’unico modo per riportarlo allo stato di blocco è quello di ridurre la corrente che scorre attraverso di esso al di sotto della sua corrente di mantenimento. Questo fa sì che lavorino bene a frequenze molto basse e con potenze elevate, e i motori ferroviari non chiedono altro: un sistema perfino troppo robusto e semplice per essere elettronico.

Si delinea dunque una locomotiva provvista di due inverter, uno per carrello. Detta proprio “terra-terra”: ciascun motore è provvisto di una ruota dentata, detta ruota fonica, che consente a un sensore di misurare la velocità di rotazione del motore in qualunque istante. La frequenza degli impulsi viene convertita in un valore numerico, utilizzato da un microprocessore per determinare la frequenza a cui va alimentato, dunque controllare lo scorrimento, dunque variare la coppia erogata come abbiamo visto prima. In caso di superamento della velocità massima della locomotiva (frequenza di alimentazione massima) lo scorrimento per forza di cosa va a zero (velocità di sincronismo raggiunta), azzerando la coppia, mentre per la frenatura elettrica è sufficiente invertire il tutto: alimentando il motore a una frequenza inferiore a quella di rotazione lo scorrimento diventa negativo e lo stesso si comporta da generatore. È bene notare che alle basse velocità la modulazione avviene invece in tensione e non in frequenza..

Nella stragrande maggioranza delle locomotive la frenatura elettrica si può realizzare sia a recupero, restituendo energia alla linea, che a dissipazione mediante reostato; la dissipazione si rende necessaria quando la tensione di linea è già troppo elevata. Ciò accade banalmente di domenica o di notte, con meno treni in giro. I due inverter alimenteranno quattro soli motori, contro i dodici delle E656; nonostante questo la potenza oraria complessiva ammonta a 6000 kW contro 4800. Altri due inverter alimentano i servizi come compressori di frenatura e ventole.

Il prototipo viene consegnato il 25 marzo 1985 per le corse prova accoppiato a una E444 con l’unica funzione di alimentarlo.

Tre anni dopo arriveranno cinque esemplari di preserie, con l’intento di testarli in servizio regolare in testa a treni passeggeri. Saranno anni e anni di sperimentazione e piccoli aggiustamenti per una tecnologia del tutto nuova. Al 1994 risale, finalmente, l’entrata in servizio delle prime quaranta macchine di serie, con pesanti modifiche estetiche. Infatti, sono fra le prime locomotive con una cabina studiata per proteggere il personale di macchina in caso di incidente; a questo si unisce un disegno accattivante delle testate, che le rende fra le macchine italiane meglio riuscite. Molto faceva la livrea bianca e rossa d’origine, poi sostituita dalla XMPR che vandalizz caratterizzerà quasi ogni rotabile dell’epoca. Con prestazioni quasi esuberanti e pure eccessive per il tipo di servizio che devono svolgere (sono omologate per 220 km/h, ma le nostre carrozze passeggeri più veloci raggiungono al massimo i 200), erano e sono tutt’ora le regine dei servizi Intercity. Dopo una prima generazione di macchine “ibride” quali erano le E652, con le nuove E402A anche in ferrovia comincia l’era dell’elettronica a pieno titolo.

Nel frattempo, l’UE impone, discutibilmente, a tutte le compagnie ferroviarie la divisione contabile per settori operativi, cosicché, per dire, Mercitalia Rail e Trenitalia non potevano più scambiarsi personale e materiale. Crolla il sogno della locomotiva universale polivalente, obiettivo che la E402A, ma anche le DB120, ma anche le Sybic francesi, avevano centrato in pieno; perde semplicemente senso di esistere e le 402A rimangono a trasportare persone. Intanto sono entrate in servizio le E402B, ancora più raffinate e potenti (uno solo dei loro motori sviluppa più kW di un’intera E424). Profondamente aggiornate tanto che è lecito chiedersi perché sono registrate come una diversa versione delle A, hanno un’elegante carrozzeria firmata Pininfarina; pensate per i servizi transfrontalieri, saranno dotate di tripla alimentazione per permetterne la circolazione sulle linee elettrificate in continua a 1500V e in monofase a 25000V 50Hz; ma nel 2010 il progetto di interoperabilità con la Francia fallì miseramente e il pantografo aggiuntivo con tutte le apparecchiature venne eliminato.

Intanto, forti dell’esperienza acquisita, le FS ordinarono una piccola locomotiva per servizi passeggeri locali, la E464, nonché la prima locomotiva elettrica monocabina della storia delle FS (ad eccezione della piccola serie E453/454). La ragione era una e semplice: costi. E non certo quello di un banco guida in più o in meno, bensì quello del personale di macchina. In quel periodo di profondo cambiamento delle FS, infatti, era uscita una normativa che consentiva l’agente unico di condotta, ovvero la presenza di un solo macchinista in cabina. Un bel risparmio per l’impresa; tuttavia, questo era consentito a patto che la stessa fosse raggiungibile dal capotreno col convoglio in marcia.

Se le E464 sono nate già con una testata comunicante, altrettanto non si può dire delle E402A, che saranno però oggetto di una invasiva trasformazione a partire dal 2015, con una delle testate mozzata e ricostruita. Questo va in parte a snaturarne la linea equilibrata d’origine, con la “coda” visibilmente non originale. La parte elettrica verrà aggiornata. Il lavoro di carpenteria sarà portato avanti dalle OGR di Foligno mentre quello della parte elettronica dalla spagnola CAF. Entro il 2019 tutte le locomotive saranno completamente trasformate, reimmatricolate come E401 e tornate in servizio con la nuova livrea Intercity Giorno, che rende se non altro più loro onore delle vecchie XMPR.

Le carrozze Intercity, in gran parte UIC e Gran Comfort risalenti addirittura agli anni Settanta ma aggiornate negli anni, godono ancora di ottima salute; sono state inoltre ordinate nuove carrozze per treni notturni.  Quindi, nonostante la diffusione sempre maggiore di elettrotreni a composizione bloccata è probabile che le vedremo in circolazione ancora a lungo per il nostro paese; per quello che ci riguarda si possono considerare già delle macchine storiche, solo per la quantità di novità che hanno introdotto. Non sono che l’inizio di una nuova storia affascinante (per non esserci del combustibile in mezzo) e tutta da scrivere. Perché gli inverter SCR della E401 sono già passati di moda: ora ci sono gli IGBT, o i motori sincroni di Alstom (TGV francesi e AGV Italo); ma questo è un altro mondo ancora.

E ora che sai com’è nata la E401, perché non compri una copia di FAST qui e passi il tuo prossimo viaggio in Intercity ad attaccare figurine?

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