Trazione

1 6    2 / 3    H z    o    1 6 . 7    H z ?

Introduzione

Come ampiamente risaputo, le ferrovie svizzere principali a scartamento normale hanno una tensione di linea di 15 kV a corrente alternata. La frequenza però non è di 50 Hz come la normale rete commerciale domestica ma di 16.7 Hz. La scelta di questa frequenza è stata fatta all'inizio del ventesimo secolo ¹ perché all'epoca i motori monofase a corrente alternata producevano troppe scintille sul collettore se fatti funzionare con frequenze elevate ed avevano una potenza troppo bassa. Si scelse così la frequenza di 16 2/3 Hz, ovvero esattamente un terzo della frequenza commerciale.

Andamento temporale di una tensione a 50 Hz e a 16 2/3 Hz

Questa scelta aveva vantaggi e svantaggi: se da un lato permetteva un funzionamento più pulito ed efficiente dei motori, dall'altro non si poteva utilizzare direttamente l'energia della rete pubblica e richiedeva l'installazione di trasformatori sui treni molto più grossi. Si dovette quindi installare una seconda rete parallela a quella pubblica. Oltre a quella ricavata da apposite centrali elettriche, l'energia viene prelevata in parte dalla rete pubblica. La riduzione di frequenza veniva fatta, e in parte viene fatta ancora oggi, grazie a dei convertitori rotanti costituiti da un motore sincrono a 50 Hz collegato alla rete pubblica e da un generatore sincrono, accoppiato meccanicamente in maniera fissa con l'albero del motore e con un numero di poli 3 volte più piccolo rispetto al motore (generalmente 4, rispettivamente 12 poli). In questo modo, la frequenza era in ogni caso esattamente 1/3 della frequenza commerciale. La variazione massima di frequenza permessa è di -3/+2%, vale a dire tra 16 1/6 Hz e 17 Hz ².

Targa della centrale elettrica FFS di Mühleberg (BE)

La rete dell'Europa centrale (Svizzera, Germania e Austria) oggi deve essere separata dal resto della rete commerciale. Ciò significa, senza entrare troppo nei dettagli, che le due reti devono poter essere regolate indipendentemente l'una dall'altra. A tale scopo, nei convertitori rotanti il motore sincrono è stato sostituito da un motore asincrono: alimentando il rotore di un motore asincrono con una tensione alternata (Schleifringläufer), è possibile variare la potenza trasmessa in maniera indipendente dal numero di giri della macchina. Lo scorrimento s è dato dalla differenza della frequenza dello statore (determinata dalla rete pubblica) e della frequenza meccanica (rotore). La frequenza della corrente che scorre nel rotore equivale a quella allo scorrimento s. Nel caso la rete ferroviaria dovesse mantenersi per lunghi periodi ad una frequenza esatta di 16 2/3 Hz, il rotore del motore asincrono girerebbe esattamente a 50 Hz e ciò provocherebbe uno scorrimento s pari a zero. A causa di ciò, nel rotore scorrerebbe una corrente continua che, con il tempo, provoca un surriscaldamento dello stesso e un consumo anomalo delle spazzole di carbone.
Questo effetto fu osservato a partire dall'inizio degli anni '90, in particolar modo nel centrale di conversione di Neckarwestheim (D). In precedenza questo effetto avveniva molto più raramente in quanto le reti erano più piccole e quindi più soggette a variazioni di frequenza causate dall'assorbimento incostante di energia da parte dei treni provocato dal continuo accelerare e frenare. Oggi, essendo le reti più grandi, questi sbalzi di potenza si livellano all'interno della rete e ciò rende automaticamente la frequenza più stabile. Inoltre, durante la notte quando circolano un numero limitato di treni, alcune centrali vengono usate per pompare acqua nei bacini idroelettrici. Queste centrali lavorano così a potenza praticamente costante e ciò induce ad avere una frequenza anch'essa costante nel tempo. Ora, se questa frequenza costante nel tempo è regolata esattamente a 16 2/3 Hz, ecco che lo scorrimento s tende a 0 causando così l'effetto citato in precedenza.
Il 16 ottobre 1995 alle 12:00 avvenne la commutazione ufficiale della frequenza da 16 2/3 Hz a 16.70 Hz in Svizzera, Germania e Austria. Nel nord dell'Europa (Svezia e Norvegia) e in alcune zone della Germania la frequenza continua invece ad essere esattamente 16 2/3 Hz a causa delle centrali ancora accoppiate direttamente con la rete pubblica. Dal momento del cambiamento non si sono più verificati episodi di surriscaldamenti nei rotori o di consumi anomali delle spazzole.
Piccola precisazione finale: nonostante la frequenza impostata (Sollwert) sia stata portata a 16.7 Hz, la frequenza nominale (Nennwert) è e rimane di 16 2/3 Hz. Altri dettagli nell'articolo "Nennfrequenz 16 2/3 Hz ade?" (dettagli a fondo pagina).

Rotore avvolto di un motore asincrono

¹ La prima linea ad utilizzare una bassa frequenza in servizio commerciale fu la Murnau-Oberammergau in Baviera, elettrificata a 5 kV 16 Hz dalla Siemens nel 1904. Nel 1912 le ferrovie tedesche adottarono la tensione 15kV 16 2/3 Hz come standard.
² DIN EN 50163 VDE 0115 parte 102 (maggio 1996)

Pubblicazioni

• eb 6-7/2001 - Nennfrequenz von 16 2/3 Hz auf 16,7 Hz geändert
• eb 12/2002 - Umstellung der Sollfrequenz im zentralen Bahnstromnetz von 16 2/3 Hz auf 16,70 Hz
• eb 12/2002 - Nennfrequenz 16 2/3 Hz ade?

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