Blocco di potenza di una fase del motore di trazione di un veicolo ferroviario – un caso di studio nella pratica di servizio

A prima vista, potrebbe sembrare solo un altro pezzo di elettronica di potenza. In realtà, il blocco di potenza di una fase del motore di trazione di un veicolo ferroviario è uno dei componenti più sollecitati e critici dell’intero sistema di trazione. È qui che si incontrano valori estremi di tensione, corrente ed energia che l’automazione industriale classica non deve affrontare.

Il caso presentato è l’effettivo guasto di una fase di un motore di trazione. Una singola fase – è bene sottolinearlo – perché una singola fase è già in grado di rilasciare energia che porta alla fusione di materiali plastici, alla carbonizzazione di componenti strutturali e alla distruzione fisica di moduli semiconduttori.

Non si tratta di un “lieve guasto”, di un errore di comunicazione o di un sensore difettoso. Si tratta di energia di trazione che fa rispettare le leggi della fisica in millisecondi.

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Che cos’è un’unità di potenza di una fase di un’unità di trazione?

Il blocco di potenza nei motori di trazione è responsabile del controllo diretto dell’energia fornita al motore. I suoi componenti includono:

  • moduli IGBT o tiristori ad alta potenza,
  • binari di corrente e connessioni con una resistenza molto bassa,
  • sistemi di raffreddamento (ad aria o a liquido),
  • componenti isolanti e meccanici,
  • sensori di temperatura e funzioni di sicurezza.

Nel caso dei veicoli ferroviari che operano in condizioni polacche, si tratta di sistemi alimentati dalla rete DC a 3 kV. Sebbene la tensione di rete sia costante, nei convertitori e negli inverter si verificano tensioni locali di alcuni kilovolt e correnti di centinaia di ampere.

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Blocco di potenza per una fase del motore

Perché una fase può distruggere metà del guardaroba

Nei motori di trazione, ogni fase funziona con un’enorme densità di energia. In caso di cortocircuito o di rottura dell’isolamento, non si verifica un lento aumento della temperatura. Questo accade:

  • corrente,
  • arco elettrico all’interno del modulo,
  • surriscaldamento immediato delle strutture a semiconduttore,
  • esplosione meccanica dell’alloggiamento dell’elemento di potenza.

Il risultato è costituito da componenti in plastica fusi, isolanti carbonizzati, meccanici sparsi e sbarre collettrici imbrattate. Quello che vedi dopo l’apertura è il risultato di eventi che durano frazioni di secondo.

Le cause più comuni di questo tipo di guasto nella realtà della trazione ferroviaria

Sulla base dell’esperienza del servizio di assistenza, è possibile identificare alcuni degli scenari più probabili che portano a danni così estesi:

  • cortocircuito interno di un modulo IGBT o di un tiristore a pieno carico di trazione,
  • rottura dell’isolamento a causa di umidità, polvere conduttiva o contaminazione operativa,
  • asimmetria di fase o errore di controllo che porta a un sovraccarico di un ramo,
  • affaticamento del materiale dopo anni di funzionamento in cicli di avviamento-freno,
  • danni al motore di trazione che distruggono in secondo luogo il blocco di potenza.

Perché l’elettronica di potenza “non avverte”

A differenza dei classici sistemi di automazione, l’elettronica di potenza non dà segnali di allarme sotto forma di errori che si accumulano nel tempo. Quando i parametri limite della struttura a semiconduttori vengono superati, si verifica una distruzione immediata e irreversibile.

Per questo motivo è fondamentale nella diagnostica delle unità di trazione:

  • analisi della storia del carico
  • controllo della qualità del raffreddamento,
  • misurare regolarmente la resistenza di isolamento,
  • verifica dei collegamenti meccanici e delle sbarre.

Diagnosi, opzioni di riparazione e consigli pratici per l’assistenza

Come diagnosticare un blocco di potenza di trazione difettoso

Il processo diagnostico inizia sempre con una valutazione visiva, che in questi casi fornisce informazioni fondamentali. Carbonizzazione, deformazione e segni di arco indicano chiaramente la direzione da seguire.

Viene quindi eseguito:

  • misure di cortocircuito tra i bus DC e le uscite di fase,
  • test di isolamento a tensioni elevate,
  • controllo dei sensori di temperatura e dei sistemi di protezione,
  • analisi dei segnali di controllo e di gate.

Che cosa può essere recuperato e che cosa è da rottamare

Contrariamente alle apparenze, non tutti i componenti visibilmente danneggiati devono essere smaltiti. In pratica:

  • I moduli di potenza non sono riparabili una volta che la struttura del semiconduttore è esplosa,
  • I binari attuali spesso devono essere sostituiti o messi a punto,
  • i componenti meccanici e di raffreddamento possono essere recuperati dopo un’accurata verifica,
  • Gli involucri e l’isolamento sono solitamente idonei alla sostituzione.

Ogni caso deve essere valutato caso per caso, poiché la sicurezza e l’affidabilità della trazione ferroviaria sono una priorità assoluta.

Consigli pratici per ingegneri e servizi di manutenzione

Sulla base dei guasti reali dei blocchi di potenza di una fase del sistema di trazione, è possibile formulare alcune raccomandazioni fondamentali:

  • controlla regolarmente le condizioni dell’isolamento, soprattutto dopo periodi di elevata umidità,
  • monitorare le temperature di esercizio dei moduli durante i cicli di trazione reali,
  • non ignorano le piccole asimmetrie di fase e le anomalie di corrente,
  • ricorda che l’invecchiamento dell’elettronica di potenza è un processo inevitabile.

Il blocco di potenza di una fase del motore di trazione di un veicolo ferroviario è il punto in cui la teoria incontra la pratica brutale. Ciò che sembra innocuo sullo schema, in realtà funziona con un’energia capace di trasformare mezzo armadio in resti carbonizzati in una frazione di secondo.

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