La electrificación ferroviaria de corriente alterna trifásica se utilizó en Italia, Suiza y Estados Unidos a principios del siglo XX. Italia fue el principal usuario, desde 1901 hasta 1976, aunque las líneas a través de dos túneles también utilizaron el sistema: el túnel Simplon entre Suiza e Italia desde 1906 hasta 1930 (pero no conectado al sistema italiano), y el túnel Cascade del Great Northern Railway en Estados Unidos desde 1909 hasta 1939. La primera línea de ancho estándar estuvo en Suiza, desde Burgdorf hasta Thun (40 km o 25 mi), desde 1899 hasta 1933. [1] [2]
El sistema proporciona frenado regenerativo con la energía devuelta al sistema, por lo que es particularmente adecuado para ferrocarriles de montaña (siempre que la red u otra locomotora en la línea puedan aceptar la energía). Las locomotoras utilizan motores de inducción trifásicos. Al carecer de escobillas y conmutadores, requieren menos mantenimiento. Los primeros sistemas italianos y suizos usaban una frecuencia baja ( 16+2 ⁄ 3 Hz) y un voltaje relativamente bajo (3000 o 3600 voltios) en comparación con los sistemas de CA posteriores. (Sin embargo, tanto el frenado regenerativo como el 16+Los 2 ⁄ 3 Hz se han implementado con éxito también para sistemas monofásicos, como por ejemplo para los modelos Swiss Ce 6/8 II y III tipo "Crocodile").
El cableado aéreo, que generalmente constaba de dos líneas aéreas independientes y el riel para la tercera fase, era más complicado y la baja frecuencia utilizada requería un sistema de generación o conversión y distribución independiente. La velocidad del tren estaba restringida a una o cuatro velocidades, y dos o cuatro velocidades se obtenían mediante cambio de polos o funcionamiento en cascada, o ambos.
La siguiente es una lista de los ferrocarriles que han utilizado este método de electrificación en el pasado: [3]
El sistema se utiliza hoy en día sobre todo en ferrocarriles de cremallera (de montaña), donde el cableado aéreo es menos complicado [ dudoso – discutir ] y las restricciones sobre las velocidades disponibles son menos importantes. Los motores modernos y sus sistemas de control evitan las velocidades fijas de los sistemas tradicionales, ya que están construidos con convertidores de estado sólido.
Los cuatro ferrocarriles actuales son:
Todos utilizan frecuencia estándar (50 Hz o 60 Hz (Brasil)) en lugar de baja frecuencia, utilizando entre 725 y 3.000 voltios.
El tránsito automatizado con guías en China y Japón también puede utilizar electrificación trifásica a través de múltiples terceros carriles ubicados a los lados de la guía.
Esta lista muestra el voltaje y la frecuencia utilizados en varios sistemas, históricos y actuales.
Esta categoría no cubre los ferrocarriles con un suministro monofásico (o de CC) que se convierte a trifásico en la locomotora o el vagón motor, por ejemplo , la mayoría de los equipos ferroviarios de la década de 1990 y anteriores que utilizan convertidores de estado sólido. El sistema Kando de la década de 1930 desarrollado por Kálmán Kandó en Ganz Works , y utilizado en Hungría e Italia, utilizó convertidores de fase rotativos en la locomotora para convertir el suministro monofásico a tres fases, al igual que el sistema de división de fase en Norfolk and Western Railroad en los Estados Unidos.
Por lo general, las locomotoras tenían uno, dos o cuatro motores en el chasis de la carrocería (no en los bogies) y no requerían engranajes. Los motores de inducción están diseñados para funcionar a una velocidad sincrónica particular y, cuando funcionan por encima de la velocidad sincrónica cuesta abajo, la energía se devuelve al sistema. Se utilizó el cambio de polos y el trabajo en cascada (concatenación) para permitir dos o cuatro velocidades diferentes, y se requirieron resistencias (a menudo reóstatos líquidos ) para el arranque. En Italia, las locomotoras de carga usaban cascada simple con dos velocidades, 25 y 50 km/h (16 y 31 mph); mientras que las locomotoras expresas usaban cascada combinada con cambio de polos, lo que daba cuatro velocidades, 37, 50, 75 y 100 km/h (23, 31, 46 y 62 mph). [2] Con el uso de 3000 o 3600 voltios a 16+2 ⁄ 3 (16,7) Hz, la fuente de alimentación podría suministrarse directamente al motor sin un transformador incorporado.
Generalmente, el motor o los motores alimentaban un solo eje, con otras ruedas unidas por bielas, ya que el motor de inducción es sensible a las variaciones de velocidad y con motores no vinculados en varios ejes, los motores en ruedas desgastadas harían poco o incluso ningún trabajo ya que girarían más rápido. [9] Esta característica del motor provocó un percance en el túnel Cascade a un tren de carga con dirección al este de GN con cuatro locomotoras eléctricas, dos en la cabeza y dos empujando. Las dos empujadoras perdieron repentinamente la potencia y el tren disminuyó gradualmente la velocidad hasta detenerse, pero el ingeniero de la unidad principal no se dio cuenta de que su tren se había detenido y mantuvo el controlador en la posición de potencia hasta que transcurrió el tiempo habitual para transitar el túnel. Al no ver la luz del día, finalmente apagó la locomotora y descubrió que las ruedas de su locomotora estacionaria habían atravesado dos tercios de la red de rieles. [10]
Generalmente se utilizan dos líneas aéreas independientes, siendo el raíl para la tercera fase, aunque ocasionalmente se utilizan tres líneas aéreas. En los cruces y en los cruces, las dos líneas deben mantenerse separadas, con un suministro continuo a la locomotora, que debe tener dos conductores activos dondequiera que se detenga. Por lo tanto, se utilizan dos colectores por fase aérea, pero se debe evitar la posibilidad de puentear una sección muerta y causar un cortocircuito desde el colector delantero de una fase al colector trasero de la otra fase. [11] La resistencia de los raíles utilizados para la tercera fase o retorno es mayor para CA que para CC debido al " efecto pelicular ", pero menor para la baja frecuencia utilizada que para la frecuencia industrial. Las pérdidas también aumentan, aunque no en la misma proporción, ya que la impedancia es en gran parte reactiva. [12]
La locomotora necesita tomar la corriente de dos (o tres) conductores aéreos. Las primeras locomotoras de los Ferrocarriles Estatales Italianos usaban un colector de arco ancho que cubría ambos cables, pero las locomotoras posteriores usaban un pantógrafo ancho con dos barras colectoras, una al lado de la otra. Un sistema trifásico también es propenso a tener espacios longitudinales más grandes entre secciones, debido a la complejidad de la catenaria de dos cables, por lo que se necesita una base de captación larga. En Italia esto se logró con los colectores de arco largos que llegaban hasta los extremos de la locomotora, o con un par de pantógrafos, también montados lo más separados posible. [13]
En Estados Unidos se utilizaba un par de postes de tranvía , que funcionaban bien a una velocidad máxima de 15 millas por hora (24 km/h). El sistema de pantógrafo de doble conductor se utiliza en cuatro ferrocarriles de montaña que siguen utilizando energía trifásica ( el Corcovado Zipper Railway en Río de Janeiro, Brasil , Jungfraubahn y Gornergratbahn en Suiza y el Petit train de la Rhune en Francia).
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