Hitachi-Generoso De Marco - Settore Trasporto su Rotaia

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Convegno AICQ
HITACHI CONFIDENTIAL
Misura e gestione dell’energia a bordo veicolo:
situazione attuale e sviluppi futuri
01/12/2016
Hitachi Rail Italy
G. De Marco
© Hitachi Rail Italy, S.p.A. 2015. All rights reserved.
Misura e gestione energia – Applicazioni HRI
Situazione attuale
 Misura energia a bordo veicolo tramite sistemi di comando e controllo di
bordo
 Misura energia a bordo veicolo tramite energy meter conforme alla normativa
EN50463
 Accorgimento tecnologici per la riduzione dei consumi energetici su veicoli
regionali e metropolitani
 Simulazioni per la verifica dei consumi energetici secondo norma UNIFE
TECREC 100_001
 Applicazioni HRI con utilizzo di sistemi Supercap
Sviluppi futuri
 Misure di energia a bordo veicolo in presenza di sottostazioni a recupero
 Sviluppo algoritmi di ecodrive
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Misura energia a bordo veicolo – Elettronica di bordo
 Sui veicoli metropolitani forniti ad ATM per Metro Milano linee 1 e 2 (fornitura
base di 30 veicoli completata, opzione di 15 veicoli in corso di fornitura) ai fini
della verifica del contenimento dei consumi di energia è contrattualmente
prevista la misura e la verifica dell’energia assorbita dagli equipaggiamenti di
trazione e quella restituita nelle fasi di frenatura elettrodinamica.
 Per la misura sono stati utilizzate le centraline del sistema di comando e
controllo del veicolo (TCMS – Train Control and Monitoring System) e del
controllo del sistema di propulsione e ausiliari (TCU – Traction Control Unit,
ACU – Auxiliary Control Unit), che comunicano tramite la rete di
comunicazione di bordo.
 Per la validazione sono stati installati a valle di un pantografo degli Energy
Meter EM4T della LEM, per confronto con i valori inviati dalle centraline di
bordo.
 La prova ufficiale di validazione, eseguita dal cliente ATM, ha rilevato
scostamenti contenuti (entro il 5%) tra il valore misurato dall’ Energy Meter e
quello rilevato dalle centraline del veicolo e visualizzate sul monitor di banco.
2
Misure a bordo veicolo – Architettura del sistema
Unità base Metro Milano, il veicolo è formato da 2 triplette
R
M1
M2
EM
Sistema
ausiliari
Sistema di
propulsione
ACU
TCU
Sistema di
propulsione
TCU
Bus di veicolo MVB
TOD
Monitor di
banco
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Misura energia a bordo veicolo – Energy Meter
 Sui veicoli ferroviari per trasporto regionale è prevista l’installazione di un
sistema ridondato per la misura dell’energia, sia quella assorbita dalla linea
nelle fasi di trazione, sia quella rigenerata in linea nelle fasi di frenatura
elettrodinamica.
 Il sistema è conforme alla normativa EN50463 – Energy measurement on
board trains, ed è collegato a valle di ciascun pantografo.
 L’energy meter è composto dai seguenti componenti:
 Una parte di alta tensione, installata sul tetto nelle vicinanze degli altri
componenti del circuito di captazione, che include i trasduttori per la
misura della tensione e della corrente di linea
 Una centralina, ubicata in un armadio di bassa tensione posto all’interno
delle stesse casse, che è collegata al TCMS per fornire i dati di energia
misurata ed i valori istantanei della tensione e della corrente di linea.
 Il DIS riceve via MVB da TCMS, anche i dati di consumo energetico per la
relativa registrazione.
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Energy Meter – Architettura del sistema
EMS
Energy
Meter
Rivelatore Armoniche
Precarica
Propulsione + Ausiliari
M
HVEM
(Misura
tensione e
corrente di
linea)
Pantografo
Circuiti di
alta tensione
Tetto
Comparto
CNBEM
(Elaborazione,
Comunicazione
Eth link
(VL, IL, En)
TCMS
MVB
(En)
DIS
 Possibili sviluppi: Integrazione tra Energy Meter
e rivelatore di armoniche per il controllo delle
componenti a 50 Hz della corrente di linea
(maschera FS 96)
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Gestione energia – Riduzione consumi energetici
Accorgimenti tecnici utilizzati durante la progettazione dei veicoli, da parte di
HRI, sia per applicazioni ferroviarie che metropolitane
Regolazione aria fresca
Il sistema HVAC viene dotato di sensori di CO2 per la regolazione
dell’aspirazione dell’aria esterna in base reale occupazione del veicolo, in
alternativa ai sistemi tradizionali con aspirazione di aria costante.
Materiali di isolamento
L’uso di materiali isolanti avanzati permette di avere prestazioni superiori di
isolamento termico, con ingombri e pesi minori. Questo comporta ovvi benefici
dal punto di vista dei consumi energetici, in particolare dell’impianto di
condizionamento.
Riduzione del peso a tara del veicolo
Il peso del veicolo a tara ha un impatto determinante sul consumo energetico.
Particolare attenzione è stata dedicata quindi alla riduzione del peso sia tramite
l’utilizzo di materiali “leggeri” ad elevate prestazioni, sia ottimizzando il
dimensionamento delle strutture e dei componenti principali, sia tramite scelte
progettuali come ad esempio l’utilizzo di 2 dischi in acciaio al posto dei
tradizionali 3 dischi in ghisa per ogni asse portante, alimentazione di bassa
tensione a 110 Vdc invece che a 24 Vdc.
6
Illuminazione a LED
Il sistema di illuminazione impiega moduli led di potenza di ultima generazione
ad alta efficienza si riflette in una sostanziale riduzione dei consumi elettrici.
Catena di propulsione e ausiliari
Per quanto riguarda la catena di trazione le scelte progettuali che incrementano
il rendimento del sistema e quindi portano ad una riduzione dei consumi
complessivi sono:
 Inverter di trazione ad IGBT monostadio, ovvero senza la sezione di
chopper step down
 Utilizzo di sistemi di raffreddamento del convertitore più efficienti
 Integrazione sistema di raffreddamento per inverter di trazione e
convertitori servizi ausiliari
 Ventilatore a doppia velocità del sistema di raffreddamento per ridurre i
consumi a treno fermo.
 Motori a ventilazione naturale
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Modalità parking basso consumo
Tale modalità ha lo scopo di ottimizzare la fase di sosta prolungata, ad esempio
in deposito, da un punto di vista energetico riducendone il consumo.
La modalità “Parking basso consumo” permette infatti di mantenere attiva
l’alimentazione da catenaria del treno con convertitori ausiliari e carica batteria in
funzione con banco disabilitato mentre vengono disabilitati tutti i carichi non
necessari.
Le funzioni principali di questa modalità sono:
 Mantenimento in carica delle batterie
 Mantenimento della temperatura interna del convoglio ad una
temperatura superiore a 0°C in modo da evitare il possibile
congelamento
 Alimentazione delle prese per le attività di pulizia
 Possibilità di alimentare i carichi MT e BT per verifiche funzionali
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Gestione energia - Simulazione consumo energetico
 Le simulazioni relative all’assorbimento di energia per i veicoli regionali sono
state realizzate in accordo alla norma UIC/UNIFE TECREC 100_001 Specification and verification of energy consumption for railway rolling stock.
 La simulazione del consumo energetico è stata effettuata in accordo allo
standard UIC/UNIFE TECREC 100_001 utilizzando come tratta di riferimento
la tratta B3, “regional passenger traffic”, riportata nell’appendice B dello
standard considerando una velocità di linea di 160 km/h laddove lo standard
richiede una velocità di 140 km/h.
 Il peso del convoglio è quello in condizioni di pieno carico come da richiesta
di capitolato, invece che il carico normale operativo richiesto dalla norma di
riferimento UIC/UNIFE TECREC 100_001
 Su tale tratta sono stati calcolati i consumi energetici e sono stati verificati i
tempi di percorrenza della tratta, sia nelle condizioni di normale
funzionamento con il 100% della trazione disponibile, sia nelle condizioni di
degrado corrispondenti al 75% della trazione funzionante e al 50% della
trazione funzionante.
 Le verifiche sono state effettuate con tool di simulazioni di sistema di HRI.
Si riporta nella seguente figura a titolo di esempio la simulazione della tratta
sopra citata effettuata con il 50% della trazione disponibile.
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Gestione energia – Simulazione consumo energetico
Simulazione di tratta di B3, “regional passenger traffic” con 50% della trazione
disponibile [Tempo di percorrenza di 68 minuti circa]
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Gestione energia – Utilizzo di sistemi supercap
Ripartizione del consumo di energia di un veicolo ferroviario (fonte UITP)
 Sviluppo sistema basato su supercap per risparmio energetico, e testato su
veicolo tramviario dimostratore.
 Sviluppo sistema supercap integrato con sistema di captazione da terra per
superamento tratti neutri, sperimentato su un veicolo dimostratore e
successivamente implementato su commesse tramviarie.
 Possibili sviluppi allo studio: Utilizzo Supercap nuova generazione e/o batterie
al litio / batterie al sale per aumento prestazioni di autonomia.
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Gestione energia – Supercap per energy saving
Modulo
Supercap
(100 Wh)
M
3~
Braking Resistor
Modulo
Chopper DC /
DC
Banco
Supercap
(400 Wh)
SuperCaps
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Gestione energia – Sistemi di accumulo a supercap
Super capacitor – Funzionamento
sistema di accumulo
Immagazzinamento di energia
durante la fase di frenatura
Riuso dell’energia immagazzinata
per la trazione
Riuso dell’energia per il
superamento di tratti senza
catenaria
Altri utilizzi
 Limitazioni correnti di picco sottostazione
 Discontinuità catenaria (icing, tratti neutri)
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Gestione energia – Supercap con sistema Tramwave
 Il sistema Tramwave, sviluppato con Ansaldo STS, è un sistema di captazione
da terza rotaia di alimentazione in sede promiscua di sicurezza
 La captazione avviene mediante strisciamento delle spazzole del captatore
sulla superficie attiva della canalina
 Il polo positivo è posto al centro della canalina e viene portato in tensione
mediante sollecitazione magnetica del captatore sulla bus bar interna
(collettore lineare)
 L’integrazione di tale sistema con i supercap consente un assorbimento
continuo di energia dalla linea in presenza di incroci / scambi / deviatoi, o in
generale zone dove la linea necessita di interruzione
Motor
negative shoe
Magnet
positive shoe
14
Gestione energia – Supercap con sistemi tramwave
Utilizzo supercap per superamento tratti neutri
Immagazzinamento di energia
in condizione di captazione
dalla linea
Riuso dell’energia per il
superamento di tratti senza
catenaria
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Misura energia – Sottostazioni reversibili
Metrology for Smart Energy Management in Railway Systems
MyRailS
NECESSITA’:
prevedere vantaggi ed
impatto prodotti dall’installazione di nuove
sottoostazioni reversibili (RSS)
OBIETTIVO: realizzare un tool che
coinvolga misure e modelli per stimare
l’impatto di nuove RSS
PROPOSTA TECNICA: misurare in modo accurato l’energia dissipata dai reostati di
frenatura per uno specifico mezzo di trazione, correlare l’andamento, nel tempo dell’energia
dissipata con informazioni relative agli stati del convertitore di frenatura (istanti di accensione
e spegnimenti, angolo di accensione, temperatura del reostato, ecc...attraverso le
informazioni raccolte dalla logica di veicolo, stimare l’energia dissipata dai reostati di
frenatura di una serie di treni circolanti in una sezione specifica
Output:
•
•
Best Practice Guideline per la stima dell’energia dissipata dai reostati di frenatura potenziale energia
recuperabile dall’installazione di RSSs
Applicazione on-site presso Metropolitana di Madrid
EMPIR: European Metrology Project on Innovation and Research. Cofinanziati dal consorzio di enti metrologici Europe, i
EURAMET e da HORIZON 2020.
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Gestione energia – Algoritmi di Ecodrive
 La funzione Ecodrive è di supporto alle decisioni del PdM ed ha lo scopo di intervenire sullo
stile di guida del macchinista, indicandogli il consumo di energia del veicolo, in modo da
consentire una condotta più economica.
 Tale funzionalità si implementa attraverso il monitoraggio e l’analisi dei dati relativi ai
consumi energetici delle varie utenze di bordo ovvero:
 Energia assorbita complessivamente da tutte le unità di trazione
 Energia recuperata complessivamente da tutte le unità di trazione
 Le energie sono calcolate dalle centraline TCMS in funzione dei dati provenienti dagli
Energy Meter (via Ethernet) e dalle unità di controllo di trazione (disponibili sul bus MVB).
 I consumi così calcolati sono storicizzati in un database contenuto nella centralina di
diagnostica del TCMS per successiva lettura e trasferimento su PC o tablet.
 L’unità rileva la posizione del veicolo mediante le coordinate GPS pubblicate sul bus MVB
dalla centralina DIS e le associa ai consumi di tratta memorizzati.
 L’unità ospita un database con i consumi energetici previsti ed assegnati a ciascuna tratta
(budget energetico).
 I consumi misurati in tempo reale sono confrontati con quelli definiti nel database per la
tratta e viene fornita sul monitor di banco una indicazione dello scostamento per indirizzare
il macchinista a una guida più efficiente.
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END
Misura e gestione dell’energia a bordo veicolo:
situazione attuale e sviluppi futuri
01/12/2016
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