tram e trasporto pubblico a Roma

Note di trazione elettrica

F.J. Sprague: la regolazione della velocità con variazione di eccitazione

 

La regolazione della velocità mediante variazione di eccitazione dei motori
La riduzione di eccitazione utilizzata insieme all'avviamento reostatico

Frank J. Sprague

Si deve ritenere che la prima linea tramviaria realizzata secondo i criteri che sarebbero successivamente divenuti consueti sia stata quella costruita da Frank Julian Sprague nella città di Richmond, in Virginia negli Stati Uniti, nel 1888; non che prima di quella data non vi fossero stati esperimenti e piccole installazioni di trazione elettrica, ma la linea di Richmond, per la sua estensione e le sue caratteristiche piano-altimetriche, segna veramente la fine della fase sperimentale e l'inizio della fase commerciale della trazione elettrica tramviaria urbana.

Questo Sprague (1857-1934) non era all'inizio un tecnico di professione, ma era uno che si era dato alla carriera militare in marina e, avendo il pallino dell'elettrotecnica, nel suo periodo di imbarco, dal 1878 al 1882, si era dedicato a vari perfezionamenti e all'introduzione di nuovi dispositivi negli impianti elettrici delle navi. Lasciata la marina, passò nel 1883 a lavorare nell'officina di Edison, il grande inventore. Era costui un individuo insopportabile, pieno di boria e incapace di ammettere che qualcun altro fosse più bravo di lui, o almeno lo eguagliasse in bravura; oltre a ciò, non aveva solide basi scientifiche, ma tutte le sue invenzioni, che bisogna riconoscere anche spesso geniali, erano state frutto di prove e tentativi eseguiti più o meno a casaccio, con risultati talvolta disastrosi (una volta, tanto per contraddire il Siemens che allora cominciava a costruire alternatori, inventò una macchinetta per produrre corrente alternata che ancor oggi è esilarante a leggerne la descrizione); era infine abilissimo ad appropriarsi delle invenzioni di altri. Sprague ebbe uno dei vari scontri con Edison per la progettazione delle reti di distribuzione, che a quell'epoca erano di limitate dimensioni, per stazioni, teatri, piazze, ecc.; in questi casi da Edison si procedeva come al solito empiricamente, stendendo un modello della rete da progettare su lunghissime tavole di legno con fili che giravano in lungo e in largo e simulando le utenze con lampadine o gruppi di resistenze; si andava poi, per tentativi, a trovare la sezione dei conduttori che con il carico e la tensione di partenza prestabiliti davano alle utenze la tensione richiesta. E' anche da notare che Edison calcolava (per modo di dire) una rete elettrica con gli stessi criteri con i quali si calcolavano allora le tubazioni dell'acqua, senza assolutamente far caso al fatto che una eccessiva caduta di pressione in un tubo si risolve solo in meno acqua fornita all'utente, mentre ogni caduta di tensione su un filo vuol dire energia che deve essere prodotta per essere dispersa in calore. Avendo Sprague dimostrato come con semplicissimi calcoli si potesse progettare la rete senza ricorrere alle lunghe tavole di legno, Edison lo prese subito in antipatia, tanto che un anno dopo, nel 1884, lo stesso Sprague giudicò conveniente andarsene.

Sprague fondò allora una propria società, la Sprague Electric Railway and Motor Company, che iniziò ben presto a fornire l'industria di macchine elettriche, motori, dinamo, ecc.. Nel campo della trazione elettrica è di Sprague l'invenzione del trolley a rotella, più o meno nella forma che sarebbe poi stata largamente utilizzata; mentre la linea di Richmond fu completata tra il 1887 e il 1888. Le motrici di Richmond sono notevoli, presentando già le caratteristiche che il tram avrebbe avuto nei successivi decenni, quali la presenza di due motori variamente accoppiabili per realizzare l'avviamento e le diverse velocità, la trasmissione ad ingranaggi, il montaggio dei motori appoggiandoli sugli assi motori e sospendendoli elasticamente alla cassa (montaggio detto in seguito per il naso).

L'attenzione di Sprague si rivolse poi agli ascensori, settore all'epoca in grande espansione con i giganteschi ascensori multipli presenti in America in grandi magazzini, porti, stazioni, ecc.; sostituendo gli antichi equipaggiamenti idraulici con il comando elettrico, l'installazione e la manutenzione degli ascensori risultò notevolmente semplificata; nel 1892 Sprague fondò allo scopo una ditta, la Sprague Electric Elevators Company, che sarebbe stata successivamente (1895) venduta alla ben nota Otis Elevator Company.

Gli ascensori elettrici basano il loro funzionamento su telecomandi, attuati a mezzo di teleruttori, relè, servomotori e simili e proprio studiando gli ascensori venne in mente a Sprague di adottarne i principi di funzionamento ai veicoli elettrici su rotaie. Pare che Sprague si divertisse, a tempo perso, a collegare reciprocamente vari ascensori presenti in un gruppo, per comandarli simultaneamente secondo certi criteri che aveva in mente e sembra che ad un cero punto gli sia venuta in mente l'idea: se vari ascensori si possono manovrare da un unico punto, perchè lo stesso non si potrebbe fare con un certo numero di motrici tramviarie? Era, in germe, il principio del comando multiplo, che nei decenno successivi avrebbe conquistato la tecnica tramviaria e ferroviaria e che ancor oggi, sia pure con differente tecnologia, è di generale impiego in trazione elettrica.

La prima applicazione del sistema Sprague di comando multiplo si ebbe sulla South Side Elevated Railway di Chicago nel 1898, sulla quale linea Sprague dette la dimostrazione dell'efficienza e della realizzabilità del proprio sistema, facendo dapprima correre un treno formato da tre motrici; le stesse furono poi sganciate tra loro, mantenendo i soli collegamenti elettrici e pneumatici, in modo da poter dimostrare il perfetto sincronismo (che in realtà si dimostrò poi non tanto perfetto) che si aveva nel comando delle motrici che, se pur meccanicamente non collegate, seguitavano a marciare insieme. Alla fine, fece condurre il treno da suo figlio, che pare avesse 14 anni, per mostare la facilità con la quale il comando multiplo permetteva la manovra di un treno. Il comando multiplo sistema Sprague fu applicato dapprima sulla linea citata e successivamente sulla Brooklin, New York and Boston nel Massachussett, sulla quale Sprague fece circolare treni composti da tredici automotrici accoppiate; si estese rapidamente in America e in Europa.

La regolazione della velocità mediante variazione di eccitazione dei motori

I rotabili impiegati da Sprague sulla tramvia di Richmond erano ordinarie motrici a due assi e due motori; un po' particolari erano i motori, di tipo bipolare, quindi ad elevata velocità di rotazione, ciò che determinò, almeno all'inizio, l'impiego di una doppia riduzione ad ingranaggi, soluzione meccanicamente non troppo felice; solo con l'introduzione di motori a quattro poli, ad opera soprattutto della Thomson Houston, si potè tornare alla semplice riduzione. Sulle prime motrici Sprague impiegò l'ordinario sistema di avviamento reostatico, con inserzione serie-parallelo dei motori, ma era sua convinzione che tale sistema non fosse l'ottimo, se non altro per la dissipazione di energia nel reostato di avviamento e per le difficoltà insite nella costruzione dei controller, che erano allora di un tipo primitivo, detto piatto, direttamente derivato dai reostati di avviamento usati per macchine stazionarie. L'idea di Sprague era che, eseguito un primo spostamento della vettura con la disinserzione di una piccola resistenza, le successive velocità dovessero esclusivamente ottenersi a mezzo di successiva riduzione dell'eccitazione dei campi dei motori. Occorre subito notare che, se la riduzione di eccitazione fu in seguito largamente utilizzata in trazione tramviaria e ferroviaria, tuttavia l'idea di Sprague di sostituirla completamente o quasi all'avviamento reostatico si rivelò sbagliata, non riuscendo ad ottenersi una sufficiente gamma di velocità senza mettere in pericolo i motori; lo stesso Sprague dovette poi convenirne, tornando nelle successive costruzioni all'usuale sistema serie-parallelo.

Lo schema inizialmente adottato da Sprague consisteva nel suddividere l'avvolgimento di campo dei motori in sezioni, utilizzando poi le stesse opportunamente collegate per avere i corrispondenti gradini di velocità. Si osservi lo schema sottostante.

In a) è la configurazione del circuito alla prima tacca del controller: tutto l'avvolgimento di campo è inserito e la corrente è limitata da una resistenza R. Se indichiamo con N il numero di spire di ognuna delle tre bobine di campo e se I è la corrente assorbita dalla linea, la forza magnetomotrice (f.m.m., è ciò che crea il campo magnetico tra le espansioni polari dello statore ed è pari al prodotto della corrente per il numero di spire) è 3NI. In b), seconda tacca di avviamento, è esclusa la resistenza R, ma le connessioni di campo e la f.m.m. restano le stesse. In c) una bobina di campo è corto circuitata, con che la f.m.m si riduce a 2NI; in d) sono cortocircuitate due bobine e la f.m.m. è NI. Il campo è quindi successivamente ridotto passando da b) a d).

Nella disposizione usata in origine da Sprague, pare che il controller avesse 8 tacche, una di avviamento reostatico e 7 di successiva riduzione di eccitazione; alcune fonti vogliono l'avvolgimento di campo diviso in tre sezioni, ma da qualche immagine fotografica del motore sembra che le sezioni fossero quattro; in ogni caso, come avesse fatto il nostro ad avere 7 posizioni anche con 4 sezioni, è un mistero (solo con tre bobine con numeri di spire proporzionali a 1, 2, 4 avrebbe potuto avere le 7 posizioni usando le bobine una alla volta o due o tre in serie, ma con una enorme complicazione del controller).

Il sistema, apparentemente semplice, nella pratica si complica in modo da renderlo inutilizzabile, non appena la potenza dei motori superi un certo limite abbastanza basso.

Si veda lo schema sotto riportato. Il motore eccitato in serie M, di resistenza interna r, è alimentato alla tensione costante E in serie alla resistenza R, parte del reostato di avviamento; se lo stesso reostato fosse tutto escluso si avrebbe R=0. Il motore, ruotando alimentato dalla sorgente, funziona da generatore e genera una forza elettromotrice V di segno contrario alla tensione applicata E (forza contro-elettromotrice, f.c.e.m.), per cui la corrente assorbita è data da I=(E-V)/(R+r); a reostato escluso sarebbe I=(E-V)/r. La f.c.e.m. V aumenta con la velocità e con l'intensità del campo magnetizzante, in altre parole con la f.m.m. data dalle bobine di campo; per una data velocità, tanto maggiore è la f.m.m., tanto maggiore è anche la f.c.e.m.; questa è ovviamente nulla a motore fermo, V=0. Se il motore fosse, da fermo, direttamente collegato alla linea, senza il reostato, la corrente raggiungerebbe il valore E/r, certamente eccessivo; lo scopo del reostato di avviamento è proprio quello di ridurre la corrente iniziale ad un valore accettabile, mentre successivamente, crescendo V con l'aumentare della velocità della vettura, la corrente diminuirà e lo stesso reostato sarà progressivamente ridotto, per essere alla fine completamente escluso.

Nel diagramma a fianco dello schema, la curva in bleu dà la corrente assorbita da un motore tramviario da 55 HP alle varie velocità della vettura, nelle condizioni di piena eccitazione, ossia con tutto l'avvolgimento di campo inserito in serie all'indotto. Si suppone qui che la massima corrente che il motore può assorbire senza danni sia di 60 A, ciò che corrisponde alla velocità di circa 20 km/h se inserito a reostato escluso. Quindi, per arrivare da fermo a 20 km/h occorrerà inserire dapprima il reostato e ridurlo poi progressivamente fino ad escluderlo a 20 km/h; da questo punto in poi la vettura seguiterà ad accelerare vincendo le resistenze al moto fino ad arrivare ad una velocità di regime, che potrà essere ad es. 35 km/h che, dalla curva, corrisponde ad una corrente assorbita di circa 23 A.

A questo punto, volendo aumentare ulteriormente la velocità, si può ridurre l'eccitazione, secondo il concetto introdotto dallo Sprague, ma sempre facendo attenzione a non superare la corrente massima di 60 A. Occorre quindi considerare una curva analoga alla precedente, ma tracciata con una eccitazione minore, ad es. pari al 70% della precedente (riduzione del 30%, che si potrebbe ottenere, seguendo Sprague, all'incirca cortocircuitando una delle tre bobine di campo). La curva marrone del diagramma è proprio quella del campo ridotto del 30%; da questa si vede subito come l'aumento di corrente conseguente alla riduzione di eccitazione vari con la velocità: se passando da pieno campo a campo ridotto a 35 km/h la corrente passa da 23 a 37 A, lo stesso passaggio a 27 km/h porterebbe la corrente da 37 A al valore massimo 60 A; anzi, 27 km/h rappresenta la velocità limite, al di sotto della quale la riduzione di eccitazione porta ad una corrente maggiore di 60 A, con conseguenti danni al motore.

La riduzione di eccitazione utilizzata insieme all'avviamento reostatico

Per vari motivi legati al funzionamento del motore in serie non è facile, però, andare oltre i due o tre gradini di riduzione di eccitazione; per questo il sistema di regolazione di Sprague non ha potuto trovare pratica applicazione. La riduzione di eccitazione è però entrata nell'uso comune in trazione a corrente continua con motori in serie come mezzo ausiliario per accrescere la velocità della vettura oltre quella corrispondente all'esclusione di tutto il reostato, sia in serie che in parallelo (nota 1).

Oggi non si ricorre più all'avvolgimento di campo sezionato, ma si preferisce ridurre la corrente nella bobina di campo, e quindi la f.m.m., derivando la stessa con una opportuna resistenza, in uno o due gradini; un esempio in questo senso è dato dal circuito di trazione delle motrici della Roma Fiuggi gr. 200.

Sorge però un notevole problema. Si supponga di avere una motrice con un ordinario controller dotato di una posizione di campo ridotto oltre quella di file parallelo, che si trovi nella situazione illustrata dal precedente diagramma: la riduzione di eccitazione non deve essere applicata prima che la vettura abbia raggiunto la velocità di 27 km/h. Che cosa succede se il conducente è di quelli frettolosi, che appena avviata la vettura portano il controller direttamente a fine corsa, magari sbattendo con forza la manovella contro l'arresto (guida alla napoletana)? E' probabile che la corrente supererà il limite di 60 A, se di poco, passi, ma se di molto con probabili danni ai motori. Il motore in serie ha la fastidiosa tendenza, per sovraccarico o altra condizione anomala, a produrre il flash over, un arco continuo tra le due spazzole, sulla superficie del collettore, che viene irrimediabilmente distrutta; nella migliore delle ipotesi il collettore va tornito, nella peggiore va riavvolto, un'operazione che richiede alta professionalità. Per evitare l'inconveniente, si hanno due vie:

  1. indurre i conducenti a non ridurre l'eccitazione prima che il rotabile abbia superato la velocità limite o, ciò che è lo stesso, prima che la corrente nel circuito di trazione non sia scesa al di sotto di un certo limite;
  2. munire la vettura di un automatismo che impedisca la riduzione dell'eccitazione se la corrente non è scesa al di sotto di una data soglia.

La via a) è stata sempre scarsamente utilizzabile, sia per la resistenza opposta dai conducenti a rispettare norme di qualsiasi genere, sia per l'impossibilità, da parte anche di un conducente coscienzioso, di conoscere velocità o corrente: di rado le motrici tramviarie e di ferrovie leggere furono dotate di tachimetro o amperometro. Per quanto riguarda la via b), l'adozione di relè tarati di complessa realizzazione per via puramente elettromeccanica (senza elettronica), è stata adottata solo da aziende tramviarie che negli anni Venti e Trenta si sono distinte per l'alto livello tecnologico raggiunto, prime fra tutte Parigi, Berlino e Budapest. Nella maggior parte dei casi si è invece seguita una terza via, più semplice: raggiunta una certa frequenza di collettori distrutti da flash over, le posizioni di campo ridotto sono state semplicemente bloccate, ossia inibite ai conducenti. E' quanto hanno sistematicamente fatto la STFER per le motrici della Roma-Fiuggi e molte altre aziende in Italia.

(1) Tutto quello che raccontiamo qui vale per la trazione a corrente continua con motori in serie; oggi, il motore in serie è quasi completamente abbandonato, sono subentrati l'elettronica, i chopper, gli inverter, i motori trifasi ed altro e non è più tanto facile raccapezzarsi.


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rev. A 13/02/18