IT202000026618A1 - Sistema di corto circuito selettivo - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DELL?INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO: ?SISTEMA DI CORTO CIRCUITO

SELETTIVO?,

INTRODUZIONE:

Contesto di riferimento

Il sedime ferroviario e le rotaie che di esso fanno parte, oltre a dover meccanicamente sostenere e instradare il movimento dei rotabili, sono sede di passaggio di correnti elettriche generate per vari fini quali:

? Correnti per la trazione elettrica di convogli,

? Segnali di comunicazione (ad esempio correnti codificate) terra-treno,

? Segnali per il rilevamento presenza rotabile,

? Segnali per la diagnostica delle rotaie medesime etc? .

I parametri elettrici della struttura in cui passano dette correnti variano fortemente al variare delle situazioni ambientali (sole, pioggia, neve etc...)

Le diverse correnti in gioco possono variare in intensit? per diversi ordini di grandezza: da diverse migliaia di ampere per le correnti di trazione in trazione continua a frazioni di ampere per segnali di rilevamento rotabile nel caso dei cdb (circuiti di binario) ad audiofrequenza.

I segnali e le correnti debbono essere ?separabili? per tipologia di segnale e per tratta ferroviaria ai quali si riferiscono.

Data la necessit? di fare circolare i rotabili a velocit? pi? sostenuta rispetto al passato, anche in tratte ove la alta velocit? non ? presente, e anche per problematiche di manutenzione si ravvisa l?ulteriore necessit? di eliminare dalle linee i giunti isolati che storicamente separano le diverse tratte (giunti che comportano un indebolimento fisico della linea soprattutto al crescere della velocit?).

Date le caratteristiche proprie del sedime e i livelli di potenza delle correnti sopra indicate, al fine de evitare la introduzione di filtri particolarmente complessi e/o costosi per la separazione / controllo spaziale (di tratta) delle diverse correnti, ? ad oggi uso distanziarli in frequenza ponendoli nelle bande di ove i filtri sono pi? facilmente realizzabili. Questa soluzione comporta necessariamente l?elevamento della frequenza dei segnali (vedi cdb ad audiofrequenza).

La soluzione sopra descritta, dell?elevamento in frequenza delle correnti, pur facilitando la separazione dei segnali per tipologia e tratte di riferimento, porta come contraltare sia la consistente attenuazione dei segnali stessi all?aumentare della distanza dal generatore sia ulteriori criticit? di implementazione causate da fenomeni quali ?cross talk? e variazione delle caratteristiche di risposta in frequenza del sedime in funzione dei fenomeni meteorologici.

Le situazioni sopra indicate impongono la implementazione di specifici accorgimenti che oltre ad essere onerosi comportano vincoli tecnici sulla intera infrastruttura; tra questi accorgimenti tecnici ricordiamo:

? Il posizionamento di un alto numero di generatori lungo la linea,

? Il posizionamento di condensatori lungo linea,

? Il posizionamento di apparati in grado di variare la frequenza trasmissiva su tratte sequenziali con logiche prefissate,

? Il posizionamento di corto circuiti ?periodici? selettivi in frequenza realizzati con filtri accordati sulle frequenze utilizzate.

Soluzione: brevetto 2017 e problematiche comunque irrisolte

Al fine di superare le limitazioni sopra indicate permettendo il funzionamento del sistema alle basse frequenze con conseguente superamento delle controindicazioni / problematiche enumerate e con la possibilit? di separare le correnti in modo semplice si ? individuata nel 2013 una soluzione innovativa.

La soluzione innovativa, descritta nel brevetto concesso dalla Camera di Commercio nel 2017 n. 0001427886 (SISTEMA DI BLOCCO AUTOMATICO A CORRENTI CODIFICATE SENZA L'USO DI GIUNTI ISOLATI E COMPATIBILE CON L'ATTUALE SOTTOSISTEMA DI BORDO INSTALLATO SUI VEICOLI FERROVIARI), con un meccanismo di ?scivolamento in avanti dei cdb? all?avanzamento del treno basato sull?apertura e chiusura dinamica di cortocircuiti di delimitazione di cdb, permette di spostare dinamicamente i generatori di segnale in modo tale che le correnti che portano l?informativa relativa alla tratta in cui il treno passa siano prodotte sempre davanti al treno in corsa.

La soluzione in grado di operare con tutte le correnti alle frequenze basse, evitandone l?elevazione in frequenza, ? per? caratterizzata da un problema di implementazione considerato ?bloccante? per la sua effettiva utilizzazione in campo relativo alla fondamentale componente costituita dagli interruttori che dividono le tratte nel momento in cui si chiudono delimitandole con un cortocircuito tra le rotaie.

Sebbene la soluzione individuata nel brevetto del 2017 abbia funzionalmente necessit? di operare, sulle due rotaie del binario cortocircuitando solo i segnali a correnti codificate (segnali di bassa intensit? alle basse frequenze che variano dai 50 ai 200 Hz), la soluzione tecnica brevettata prevede interruttori concettualmente molto semplici che operano di fatto cortocircuiti su tutte le frequenze (compresa la continua).

Questa caratteristica impone per? all?interruttore chiuso di dover sostenere l?attraversamento di correnti di grande intensit? (quali quelle dovute al riequilibrio delle correnti di trazione in continua che possono raggiungere anche il migliaio di Ampere) e pone consistenti complessit? realizzative / economiche degli interruttori stessi. OBIETTIVI DEL TROVATO PROPOSTO:

La presente proposta di brevetto individua una soluzione che permette il superamento delle problematiche caratterizzanti gli interruttori di cui sopra trattato grazie alla sua capacit? di operare come corto circuito solo per i segnali selezionati (nel caso ferroviario dei BACC (Blocco Automatico a Correnti Codificate) il blocco selettivo delle sole correnti codificate).

Il nuovo ritrovato ?SISTEMA DI CORTO CIRCUITO SELETTIVO? ? facilmente ed economicamente implementabile anche con alte correnti e alle basse frequenze, ove a causa dei parametri elettrici delle rotaie stesse, i filtri classici sono difficilmente realizzabili.

Il presente ritrovato, grazie alla sua capacit? di funzionare come Sistema di Corto Circuito Selettivo e alla sua semplicit? implementativa costituisce perci? una alternativa innovativa all?interruttore previsto nel brevetto del 2017 in grado di svolgere analoghe funzioni superandone le problematiche implementative.

Il ritrovato che nasce dalla necessit? di risolvere uno specifico ed individuato problema ? peraltro di conveniente utilizzo in tutti i contesti in cui si presentino analoghe problematiche.

DESCRIZIONE DEL RITROVATO:

Generalit?

Il nuovo ritrovato ? basato sul posizionamento di generatori di potenza (uscita di amplificatori di potenza PW nei disegni) controllati da un sottosistema di controreazione in grado ai fini pratici ?annullare? le differenze di tensione tra due punti del circuito (nel caso le di studio le rotaie) solo per una parte selezionata del segnale globale. La selezione pu? essere effettuata o in funzione delle frequenze o se il caso di logiche diverse.

La soluzione prevede il controllo dinamico della tensione tra i punti ove si vuole operare il cortocircuito selettivo con la implementazione di una sorta controreazione ?accordata? per annullare l?attraversamento delle correnti selezionate e oggetto di cortocircuito.

Il generatore / amplificatore fornisce perci? le necessarie correnti che sarebbero presenti per i soli segnali selezionati nel caso vi fosse un reale cortocircuito realizzando di fatto un corto circuito selettivo.

Grazie a questo sistema / trovato utilizzato in ambito ferroviario nel brevetto del 2017 in luogo degli interruttori si riescono a separare ?spazialmente? i diversi cdb per quanto attiene a specifiche correnti relative al segnalamento.

Dati i principi sopra esposti, elemento importante ? il sottosistema di pilotaggio in controreazione che ? realizzato in modo da ottenere di fatto l?azzeramento (nel seguito definito solo come azzeramento in quanto il residuo del segnale anche se non completamente azzerato pu? essere reso piccolo a piacere) delle componenti del segnale presenti nel circuito tra i suoi punti A e B (come indicati nella figura 0 successivamente descritta).

Nella applicazione ferroviaria per la quale il ritrovato ? stato concepito si potrebbe richiedere ad esempio in funzione delle esigenze:

1) Azzeramento della differenza di potenziale delle 2 rotaie (corto circuito totale),

2) Eliminazione delle frequenze relative ai sistemi BACC (generalmente 50 e 178 Hz) (corto circuito selettivo, utile nella sostituzione dell?interruttore nel brevetto citato),

3) Eliminazione di uno o pi? specifici segnali / codici

In base alla funzione richiesta il segnale in ingresso all?amplificatore potr? essere derivato o semplicemente dalla tensione tra le rotaie nel medesimo punto (quale una sorta di controreazione selettiva) o da una elaborazione di pi? segnali (tensioni e correnti) prelevati in vari punti del circuito (nel caso di studio rotaie) o esterni allo stesso. Architettura generalizzata (figura 0)

Nella sua accezione generale il trovato (applicabile concettualmente anche in settori diversi dal ferroviario) ? costituito dai blocchi indicati nella figura 0. In essa tra i punti del circuito A e B (nel caso ferroviario punti delle due rotaie) ? rilevata la differenza di tensione che viene fisicamente condizionata (blocco BC-Blocco Condizionamento) ed elaborata / filtrata (blocco B1 non necessariamente realizzato in frequenza ad esempio, Look in amplifier, box car integrator etc..) per riportare in ingresso al blocco A solo la parte del segnale che si vuole cortocircuitare dal segnale complessivo presente sui punti A e B. Il blocco A ? costituito da un amplificatore ad alto guadagno che riduce al minimo il segnale da ?cortocircuitare? sul circuito (nel caso ferroviario le rotaie). Il Blocco B2 serve per evitare transitori sulla tensione in uscita; il blocco opera infatti un opportuno filtraggio che elimina dal segnale in uscita le componenti non proporzionale al segnale da ?cortocircuitare?. Tramite il blocco, Adattamento in uscita (Au), viene fornito in modo idoneo (potenza, impedenza ed eventuale isolamento) nei punti A e B un segnale di opportuna potenza.

La necessit? del blocco B2 deriva dal fatto che essendo l?anello di controreazione chiuso solo per i segnali selezionati dal filtro F1, l?amplificatore A potrebbe andare in saturazione e non uscirne mai. Qualora saturato il sistema di cortocircuito rimarrebbe aperto anche per i segnali rispondenti ai requisiti imposti da F1.

Durante il tempo necessario a tutto l?anello per andare a regime, il filtro F2 seleziona all?uscita di OP le sole componenti di segnale in grado di ?passare? in F1 e quindi chiudere l?anello.

Sempre al fine di evitare possibili blocchi dell?anello di controreazione dovuti alla saturazione di A, l?amplificatore pu? anche essere dotato di un elemento SCT (Sistema Controreazione Totale) che nel caso si vada in saturazione, lo riporti a lavorare in zona lineare abilitando la controreazione di tutto il segnale. L?elemento si disinserisce progressivamente all?atto dell?andata a regime. Sembra pi? facile l?implementazione di tale sistema nel blocco A, anche se concettualmente potrebbe lavorare sui blocchi dei filtri (B1 e B2).

Dovendo il sistema essere stabile e quindi non entrare in oscillazione, ? necessario, all?atto della progettazione definitiva verificare la sua stabilit? tramite qualche criterio di uso comune (ad esempio il criterio di Nyquist o quello di Bode).

Ulteriori segnali possono essere utilizzati per condizionare tutti i blocchi del trovato. I segnali, denominati D o S in funzione della loro natura digitale o analogica, possono provenire da sorgenti esterne al circuito (quali sistemi di controllo remoti, sensori montati per prelevare tensioni e/o correnti in circuiti adiacenti, sensori di temperatura /umidit?) o da punti specifici del circuito stesso. Detti segnali possono necessitare di adeguato condizionamento prima di essere connessi a blocchi del trovato (blocco di condizionamento in ingresso al trovato BC SA (Blocco Condizionamento Segnali Ausiliari) che nel caso possono coincidere con quelli usati per condizionare i segnali su cui si applica il corto selettivo.

A maggior chiarimento degli schemi di principio precedenti illustriamo alcuni esempi applicativi

Esempio 1 (figura 1)

L?esempio ? relativo a contesto ferroviario nell?ambito di cdb (circuito di binario) ove presente il trovato di cui al citato brevetto del 2017.

Il blocco BC ? realizzato tramite l?amplificatore ad isolamento IA preceduto dal condensatore C inserito per evitare possibili saturazioni dello stadio di ingresso dell?amplificatore. La saturazione ? infatti possibile in presenza di differenze di potenziale continue dovute a squilibri della corrente di trazione (si ipotizza trazione in continua a 3000 Volt).

Il blocco B1 ? implementato dal filtro in frequenza F1, in questo esempio applicativo si ? optato per un filtro passabanda da 25 a 200 Hz che permette sia di bloccare componenti continue eventualmente reintrodotte da AI (ricordiamo la presenza di C) sia, considerando le portanti usate in Italia nei sistemi BACC di 50 e 178 Hz, di eliminare eventuali frequenze pi? alte in quanto non significative.

Il blocco A ? costituito da un amplificatore operazionale OP (completato da un elemento di controllo SCT, la cui funzione ? descritta nell?esempio generale) in configurazione invertente il cui anello di controreazione ? costituito dai blocchi F2, PW, T, C, IA, F1.

L?amplificatore di Potenza PW ? necessario per fornire alle rotaie (per quella parte del segnale selezionato da F1) le stesse correnti che scorrerebbero nel caso di un corto circuito normale. Pur se lo standard ferroviario prevede per le correnti codificate un livello massimo di 20 Ampere, e potendo essere il nostro sistema visto come un corto percorso dalle correnti dei 2 generatori appartenenti ai 2 cdb adiacenti, esso deve poter supportare la somma dei medesimi quindi 40 Ampere. La potenza erogata dall?amplificatore ? assai limitata in quanto la sua tensione di uscita ? quasi nulla grazie alla presenza della controreazione (questo aspetto favorisce la implementabilit? del trovato in campo).

Il Blocco Bu ? composto dal predetto amplificatore PW e dal trasformatore di adattamento T.

Viene rappresentata anche la bobina di riequilibrio L, gi? generalmente presente in ambito ferroviario per riequilibrare le correnti continue di trazione nelle due rotaie, essa ? ininfluente per la nostra applicazione a causa della presenza del condensatore C nel blocco AU, appositamente impiegato per evitare che l?eventuale presenza di squilibri di tensione di modo differente possa saturare l?amplificatore ad isolamento IA (si consiglia l?uso di IA in grado di sopportare tensioni di modo comune maggiori a 1000 Volt).

Ovviamente, sempre a causa dei ritardi dei filtri, si potranno avere segnali spuri in presenza di variazioni del segnale da controllare, ma detti transitori nell?applicazione ferroviaria sono del tutto trascurabili (Ricordiamo, ad esempio, che variazione inferiori ai 3 secondi vengono addirittura ignorate nel caso di ripetizione dei segnali tramite correnti codificate).

Da notare che ovviamente i comuni degli elementi IA, F1, OP, F2, PW e primario di T possono essere connessi ad una massa G, mentre la parte facente riferimento alle rotaie deve essere lasciata fluttuante. Non vengono qui considerate le ovvie modifiche da apportare in caso di cdb particolari quali quelli in cui una delle due rotaie viene collegata a massa.

Al fine di rendere il sistema rispondente ai requisiti di sicurezza (SIL4) fondamentali in ambiente ferroviario ? sufficiente la semplice introduzione di una schedina programmabile che permetta di verificare se i segnali presenti, correnti e tensioni, sono congruenti con lo stato istantaneo dei cdb limitrofi. Questo permette di rilevare immediatamente sia problemi legati ai codici che legati ad eventuali variazioni dei parametri fisici del sistema (attribuibili ad eventuali rotture delle rotaie). Sembra superfluo sottolineare che ? consigliabile che la scheda programmabile sia precedentemente certificata SIL4.

Esempio 2 (figura 2)

In figura 2 ? specificata una configurazione a blocchi del trovato applicabile in ambiente ferroviario anch?esso in sostituzione degli interruttori nella soluzione indicata nel brevetto del 2017.

La diversa soluzione mira non gi? alla esclusione dal cortocircuito della componente continua bens?, in modo pi? selettivo alla ?ammissibilit? al corto? delle componenti in frequenza nell?intorno della componente ove ? presente il segnale di interesse.

Obiettivo ? perci? quello di bloccare con un corto selettivo solo i segnali nella banda tipica dello standard italiano BACC (con 2 portanti una a 50 Hz ed una a 178 Hz).

Detto esempio ? sostanzialmente uguale a quello illustrato nella precedente fig.1 ove il blocco B1 composto dal parallelo di due filtri passabanda con adeguata larghezza di banda (F3 a 50 Hz ed F4 a 178 Hz seguiti da un sommatore A), ed il blocco B2 che, salvo piccole possibili variazioni per eventuali compensazioni, potrebbe essere del tutto uguale al blocco B1 con F5 equivalente a F3 ed F6 equivalente a F4.

In questo modo, quando si attiva l?uscita dell?amplificatore, si azzerano tutti i codici realizzati con segnali su una od entrambe le due frequenze sopradette quali quelli standard dei sistemi di ?Blocco Automatico a Correnti Codificate?.

Nella figura L ha la stessa valenza dell?esempio 1.

Esempio 3 (figura 3)

In figura 3 ? specificata una configurazione a blocchi del trovato applicabile in ambito ferroviario .Nella figura le funzioni svolte da B1, B2, OP sono demandate ad un sistema di elaborazione digitale indicato in figura con la sigla ED (in questo caso applicativo sono presenti segnali di condizionamento sia di tipo D (digitale) che S (analogico), i segnali digitali provengono da sistemi esterni mentre i segnali analogici provengono dallo stesso circuito sotto controllo e subiscono un condizionamento in ingresso operato dal medesimo blocco BC usato per le correnti su cui applicato il cortocircuito selettivo.

Si possono individuare nello schema in figura 3, in uscita dai sensori ?S?, 2 segnali di ingresso al trovato. I segnali sono provenienti dalla stessa tratta di circuito cui ? applicato il corto circuito selettivo. I dati sono captati dalle rotaie tramite sensore di tensione e sensore corrente. I circuiti di captazione dei segnali in corrente e tensione necessitano di essere isolati tramite sistema di isolamento costituito da Amplificatori ad Isolamento analoghi a quelli del Blocco di condizionamento BC del trovato e quindi in esso rappresentati. Ad alimentare il sistema sono presenti ulteriori segnali di condizionamento Digitali (D) che come pure i segnali analogici servono per condizionare il blocco ED. Detti segnali sono costituiti da ingressi provenienti da sistemi e sensori esterni (i sensori sono di temperatura e umidit? del ballast etc.). I segnali analogici e digitali condizionano i blocchi del trovato al fine di ottimizzare e velocizzare la risposta del sistema nel circuito.

Nella figura L ha la stessa valenza dell?esempio 1.

CONCLUSIONI:

Nella presente descrizione ? illustrato un innovativo trovato, che seppur di pi? ampia impiegabilit?, ? stato concepito per rendere implementabile il trovato di cui al brevetto ?SISTEMA DI BLOCCO AUTOMATICO A CORRENTI CODIFICATE SENZA L'USO DI GIUNTI ISOLATI E COMPATIBILE CON L'ATTUALE SOTTOSISTEMA DI BORDO INSTALLATO SUI VEICOLI FERROVIARI?.

Il trovato permette infatti la sostituzione degli interruttori presenti nel brevetto del 2017 con un diverso sistema in grado di garantire corti selettivi accordati sulle frequenze di segnale evitando l?inaccettabile sovraccarico di correnti sugli interruttori proposti. Come gi? indicato, la ipotesi di diminuire la corrente mediante la introduzione di filtro in serie all?interruttore ? di fatto tecnicamente irrealizzabile.

Alcuni accorgimenti tecnici quali:

? La controreazione effettuata esclusivamente su una parte selezionata del segnale (Blocco B1), ? Il controllo dell?uscita del sistema, tramite il blocco B2, introdotto per eliminare presenze di reazioni non volute attribuibili principalmente ai tempi dovuti al blocco B1 (ricordiamo che l?anello di controreazione ? chiuso solo per quella parte di segnale selezionata dal blocco B1),

? La abilitazione alla controreazione di tutti gli elementi del segnale in modo temporaneo per accelerare l?uscita da eventuali stati di saturazione del medesimo imputabili alle ragioni sovraesposte (grazie alla presenza dell?elemento SCT),

? La modulazione dell?intervento dei vari blocchi dell?anello in funzione dei parametri locali e/o remoti, quali ad esempio temperatura, umidit? del ballast etc.. (segnali di ingresso S e D),

? L?inserimento di un amplificatore PW di potenza abbastanza limitata anche in presenza di grosse correnti, in quanto la tensione che impone ? molto bassa (Corto Circuito),

? La architettura stessa del trovato che, permettendo una facile lettura delle uscite ed ingressi dei diversi blocchi di tensioni e correnti, rende semplice, con una elaborazione operata da una scheda programmabile precedentemente certificata SIL4 la rilevazione continua e sicura dello stato del trovato in modo da poterlo far rispondere ai requisiti di sicurezza SIL4 che ne permettono la reale utilizzabilit? nel contesto ferroviario.

Da notare che una soluzione di questo genere oltre ad essere di facile implementazione e altamente affidabile, ? del tutto variabile dinamicamente in modo banale, e permette anche una verifica delle variazioni dei parametri del sistema sfruttabile anche per motivi diagnostici.

In relazione alla problematica per risolvere la quale il trovato ? stato concepito il trovato stesso pu? essere paragonato a filtro passabanda a elementi attivi (filtro che se basato su classici condensatori, impedenze e altri elementi passivi, nel contesto implementativo specifico non sarebbe realizzabile) caratterizzato da semplice e affidabile implementabilit?.

In una sua accezione pi? estensiva, il trovato pu? essere caratterizzato da filtri non necessariamente in frequenza, da adattatori in ingresso ed in uscita che possono avere caratteristiche differenti da quelle tipiche dell?ambiente ferroviario e da logica di filtraggio adattabile ad esigenze stabilite da logiche esterne variabili nel tempo.

Claims (6)

RIVENDICAZIONI DELL?INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO: ?SISTEMA DI CORTO CIRCUITO SELETTIVO?,

1. Sistema elettronico composto dai seguenti blocchi: blocco amplificatore di potenza PW la cui uscita ? applicata, tramite un circuito di adattamento dell?impedenza ad alle due rotaie di un binario; blocco di condizionamento BC del segnale che preleva il segnale presente sul binario nello stesso punto ove ? applicata l?uscita dell?amplificatore PW; blocco B1 applicato in uscita al blocco di condizionamento BC, che permette il passaggio di sole componenti selezionate del segnale, composto quindi da un filtro; blocco A costituito da un amplificatore invertente ad alto guadagno che amplifica il segnale in uscita al blocco B1; blocco B2 costituito in modo analogo al blocco B1 che elimina dal segnale in uscita dal precedente blocco A componenti differenti rispetto quelle selezionate dal blocco B1, che potrebbero generarsi all?uscita dell?amplificatore invertente, la cui uscita ? applicata all?ingresso dell?amplificatore di potenza PW; detto sistema come ? concepito ? atto ad annullare nel punto di sua applicazione tra le 2 rotaie solo alcune componenti selezionate del segnale ivi presente comportandosi come un cortocircuito ma solo per componenti selezionate senza alterarne le altre.

2. Sistema come da rivendicazione 1 in cui i blocchi B1 e B2 ed A sono dotati di ingressi e di logica, analogica o digitale, atti a variare i parametri di funzionamento, in funzione di segnali di controllo e pilotaggio esterni al sistema.

3. Sistema di cui alla rivendicazione 1 dotato di un blocco analogico o digitale che nel caso l?amplificatore ad alto guadagno A vada in saturazione riduce il guadagno dell?amplificatore A medesimo finch? esso non torna a lavorare in zona lineare.

4. Sistema di cui alla rivendicazione 1 dotato di un blocco analogico o digitale che nel caso l?amplificatore ad alto guadagno A vada in saturazione elimina elettricamente i due blocchi B1 e B2 ripristinandoli quando l?amplificatore A esce dallo stato saturato.

5. Sistema di cui alla rivendicazione 1 architetturalmente dotato di uscite per la lettura di tensioni e correnti all?uscita / ingresso dei diversi blocchi da fornire a schede di analisi esterne per fini diversi quali sicurezza e diagnosi.

6. Sistema di cui alla rivendicazione 1 in cui l?inversione del segnale sia realizzata in qualsiasi blocco o che sia presente pi? volte.