Wireless communication system in tram traction converter

The purpose of this study was to conduct a feasibility analysis and a prototype implementation of a wireless communication traction system, aimed at the reduction of the traction converter cost due to cabling and assembling. It was conducted in Alstom starting on November 2016, until April 2017. The first part of the study concerned the acquisition of the state-of-the-art of the wireless technologies available on the market and of their industrial applications, focusing in particular on the railway environment. The limits of wireless were highlighted in this part of the research, given that data rate, reliability, security and equipment costs made a wired solution a much better option. However, from the comparison between wireless technologies, the choice fallen on Bluetooth: it is an advanced technology which ensure a relatively high data rate and reliability, enables the creation of networks and employs elliptical encryption of data, the whole maintaining the cost low. The second part of the research was focused on simulations intended to show the effects that wireless sensors would have on motor regulation. The simulations, based on a Simulink model of Pendolino, rejected the use of Bluetooth for this purpose since it did not provide the minimum performances required by the control unit. Furthermore, Bluetooth was not compliant with reliability and safety requirements of the system, since these sensors were even employed for overcurrent and overvoltage protections. Taking into account the previous results, the study of the traction converter was performed in order to identify the equipment which could be adapted with a wireless communication. A component called PLU, composed by a pre-charge contactor, a line contactor and a current transformer used for thermal and differential protections, was identified as suitable for the purpose. In conclusion, the pre-charge and track simulation tests were performed on a Citadis tram traction converter in order to evaluate whether Bluetooth was able to work properly in an environment with high levels of electromagnetic noise. By means Arduino Bluetooth embedded prototyping electronic board, a wireless system, based on PLU, was set and the tests shown that the performances of the system remain unaffected compared to the wired one. On the basis of the results of this research, it could be concluded that a wireless system may be employed in a traction converter from the technical point of view. Nevertheless, its economic benefits, compared to a wired system, were difficult to detect due to the large number of aspects that it would involve.

L’obiettivo dello studio è quello di effettuare l’analisi di fattibilità e l’ implementazione di un prototipo di un sistema di trazione con comunicazione wireless, volto alla riduzione dei costi del convertitore di trazione legati al cablaggio e all’assemblaggio. Lo studio è stato condotto in Alstom a partire da Novembre 2016 fino ad Arile 2017. La prima parte dello studio ha visto l’acquisizione dello stato dell’arte delle tecnologie wireless disponibili sul mercato e sulle loro applicazioni industriali, concentrandosi in particolare nell’ ambiente ferroviario. I limiti del sistema wireless sono stati evidenziati in questa parte della ricerca, dato che data rate, affidabilità, sicurezza e costo dei dispositivi fanno del sistema cablato un’opzione migliore. Tuttavia dalla comparazione fra le tecnologie wireless, la scelta è caduta sul Bluetooth: essa è una tecnologia avanzata che assicura un data rate e un’ affidabilità relativamente elevati, permette la creazione di reti e utilizza la criptazione dei dati, il tutto mantenendo i costi bassi. La seconda parte della ricerca è stata concentrata sulle simulazioni con lo scopo di mostrare gli effetti che i sensori wireless potrebbero avere sulla regolazione del motore. Le simulazioni, basate su un modello Simulink del Pendolino, hanno scartato l’uso del Bluetooth per questo scopo dato che non fornisce i minimi livelli di performance richiesti dal controllore centrale. Inoltre il Bluetooth non è conforme ai requisiti di affidabilità e sicurezza del sistema, visto che questi sensori sono anche utilizzati per la protezione da sovracorrenti e sovratensioni. Prendendo in considerazione i risultati precedenti, è stato effettuato lo studio del convertitore di trazione in modo da identificare le apparecchiature che potrebbero essere adattate con una comunicazione wireless. Un componente chiamato PLU, composto da un contattore di precarica, un contattore di linea e un sensore di corrente adibito a protezione termica e differenziale, è stato individuato come idoneo per questo scopo. In conclusione, i test di precarica e di simulazione di un tracciato sono stati eseguiti sul convertitore di trazione del tram Citadis in modo da valutare se il Bluetooth è in grado di lavorare adeguatamente in un ambiente con alti livelli di rumore elettromagnetico. Attraverso l’elettronica per prototipi Arduino con Bluetooth integrato, il sistema wireless, basato sul PLU, è stato messo in opera e i test hanno mostrato che le performance del sistema rimangono inalterate rispetto al sistema cablato. Sulla base di questi risultati è possibile concludere che un sistema wireless può essere implementato in convertitore di trazione dal punto di vista tecnico. Tuttavia i suoi benefici economici, comparati con quelli del sistema cablato, sono difficili da individuare per il grande numero di aspetti che bisognerebbe prendere in considerazione.