Sviluppo di un Sensore di Tensione per il Controllo di Impedenza Attiva di un Convertitore Ausiliario per Applicazioni Ferroviarie fino a 3 kV

Abstract

La presente tesi descrive il lavoro svolto durante il tirocinio curriculare presso ABB S.p.A., sede di Genova Sestri Ponente, riguardante la progettazione e la validazione preliminare di un sensore di tensione per convertitori ausiliari ferroviari. Il sensore è stato sviluppato per supportare strategie di impedenza attiva nei sistemi alimentati da linea di trazione, nei quali la misura della tensione di ingresso è fondamentale per l’efficacia del controllo e per il rispetto dei requisiti della normativa UIC 550.

Dopo avere introdotto il contesto applicativo dei convertitori ausiliari e i principali vincoli normativi relativi alle alimentazioni ferroviarie, il lavoro analizza il principio dell’impedenza attiva e definisce i requisiti del sensore in termini di campo di misura, risoluzione, accuratezza, banda utile, tempo di risposta e isolamento.

La parte centrale della tesi è dedicata alla progettazione del front-end analogico. Sono state analizzate tre configurazioni circuitali, basate su amplificatore invertente, amplificatore differenziale e amplificatore da strumentazione, confrontandole mediante simulazioni elettriche e analisi statistiche. Il confronto ha considerato accuratezza, rumore, complessità realizzativa e aspetti economici, permettendo di individuare la soluzione più adatta all’applicazione.

Successivamente è stato realizzato il prototipo su circuito stampato. Le prove sperimentali hanno riguardato il rumore del front-end, la risposta a segnali a bassa tensione e la verifica della catena digitale di acquisizione. I risultati hanno mostrato una buona coerenza tra simulazioni e misure, confermando l’idoneità del front-end per sistemi di acquisizione a 16 bit e mettendo in evidenza una riduzione della banda passante rispetto al valore previsto in progetto.

This thesis presents the work carried out during a curricular internship at ABB S.p.A., Genoa Sestri Ponente, concerning the design and preliminary validation of a voltage sensor for railway auxiliary converters. The sensor was developed to support active impedance strategies in traction line-powered systems, where input voltage measurement is essential for control effectiveness and for compliance with the requirements of the UIC 550 standard.

After introducing the application context of auxiliary converters and the main regulatory constraints related to railway power supply systems, the thesis analyses the principle of active impedance and defines the sensor requirements in terms of measurement range, resolution, accuracy, useful bandwidth, response time, and insulation.

The central part of the work is devoted to the design of the analog front-end. Three circuit configurations were investigated, based on an inverting amplifier, a differential amplifier, and an instrumentation amplifier, and compared through electrical simulations and statistical analyses. The comparison considered accuracy, noise, implementation complexity, and economic aspects, allowing the most suitable solution for the application to be identified.

A prototype was then implemented on a printed circuit board. The experimental activity focused on front-end noise, low-voltage response, and verification of the digital acquisition chain. The results showed good agreement between simulations and measurements, confirming the suitability of the front-end for 16-bit acquisition systems and highlighting a reduction in bandwidth with respect to the design target.