Un pantógrafo (o " pan " o " panto ") es un aparato montado en el techo de un tren eléctrico , tranvía o autobús eléctrico [1] para recolectar energía a través del contacto con una línea aérea . El término proviene de la semejanza de algunos estilos con los pantógrafos mecánicos utilizados para copiar escritura a mano y dibujos.
El pantógrafo es un tipo común de colector de corriente ; por lo general, se utiliza un cable simple o doble, y la corriente de retorno circula por los rieles . Otros tipos de colectores de corriente incluyen el colector de proa y el poste de trole .
El pantógrafo, con una tira de contacto de grafito reemplazable de baja fricción o " zapata " para minimizar la tensión lateral en el cable de contacto, apareció por primera vez a fines del siglo XIX. Las primeras versiones incluyen el colector de arco , inventado en 1889 por Walter Reichel, ingeniero jefe de Siemens & Halske en Alemania, [2] [3] y un pantógrafo deslizante plano utilizado por primera vez en 1895 por el ferrocarril de Baltimore y Ohio [4]
El conocido pantógrafo de rodillos en forma de diamante fue ideado y patentado por John Q. Brown, de los talleres Key System, para sus trenes de cercanías que circulaban entre San Francisco y la sección East Bay del área de la bahía de San Francisco en California . [5] [6] [7] [8] Aparecen en fotografías del primer día de servicio, el 26 de octubre de 1903. [9] Durante muchas décadas después, la misma forma de diamante fue utilizada por los sistemas ferroviarios eléctricos de todo el mundo y algunos la siguen utilizando hoy en día.
El pantógrafo fue una mejora respecto al simple poste de trolebús que prevalecía hasta ese momento, principalmente porque el pantógrafo permite que un vehículo ferroviario eléctrico viaje a velocidades mucho más altas sin perder el contacto con las líneas aéreas, por ejemplo, debido al descableado del poste de trolebús.
A pesar de esto, la recolección de corriente mediante trolebuses se utilizó con éxito a velocidades de hasta 140 km/h (90 mph) en los vehículos Electroliner del ferrocarril Chicago North Shore and Milwaukee Railroad , también conocido como North Shore Line.
El tipo de pantógrafo más común en la actualidad es el llamado medio pantógrafo (a veces en forma de Z), que evolucionó para proporcionar un diseño de un solo brazo más compacto y sensible a altas velocidades a medida que los trenes se volvían más rápidos. Louis Faiveley inventó este tipo de pantógrafo en 1955. [10] El medio pantógrafo se puede ver en uso en todo, desde trenes muy rápidos (como el TGV ) hasta sistemas de tranvía urbanos de baja velocidad. El diseño funciona con la misma eficiencia en cualquier dirección de movimiento, como lo demuestran los ferrocarriles suizos y austriacos cuyas locomotoras de alto rendimiento más nuevas, la Re 460 y la Taurus , funcionan con ellas configuradas en la dirección opuesta. En Europa, la geometría y la forma de los pantógrafos están especificadas por CENELEC , el Comité Europeo de Normalización Electrotécnica. [11]
El sistema de transmisión eléctrica de los sistemas ferroviarios eléctricos modernos consta de un cable superior que soporta peso (conocido como catenaria ) del que cuelga un cable de contacto. El pantógrafo está accionado por resorte y empuja una zapata de contacto contra la parte inferior del cable de contacto para extraer la corriente necesaria para que el tren funcione. Los rieles de acero de las vías actúan como retorno eléctrico . A medida que el tren se mueve, la zapata de contacto se desliza a lo largo del cable y puede generar ondas estacionarias en los cables que rompen el contacto y degradan la captación de corriente. Esto significa que en algunos sistemas no se permiten pantógrafos adyacentes.
Los pantógrafos son la tecnología sucesora de los postes de trolebús , que se utilizaron ampliamente en los primeros sistemas de tranvías. Los postes de trolebús todavía se utilizan en los trolebuses , cuya libertad de movimiento y la necesidad de un circuito de dos cables hace que los pantógrafos sean poco prácticos, y en algunas redes de tranvías, como el sistema de tranvía de Toronto , que tienen curvas frecuentes lo suficientemente cerradas como para requerir una libertad de movimiento adicional en su conjunto actual para garantizar un contacto ininterrumpido. Sin embargo, muchas de estas redes, incluida la de Toronto, están experimentando mejoras para dar cabida al funcionamiento del pantógrafo.
Los pantógrafos con cables aéreos son ahora la forma dominante de recolección de corriente para los trenes eléctricos modernos porque, aunque son más frágiles que un sistema de tercer riel , permiten el uso de voltajes más altos.
Los pantógrafos suelen funcionar con aire comprimido procedente del sistema de frenos del vehículo, ya sea para elevar la unidad y sujetarla contra el conductor o, cuando se utilizan resortes para efectuar la extensión, para bajarla. Como precaución contra la pérdida de presión en el segundo caso, el brazo se mantiene en la posición inferior mediante un pestillo. En los sistemas de alta tensión, se utiliza el mismo suministro de aire para "apagar" el arco eléctrico cuando se utilizan disyuntores montados en el techo . [12] [13]
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Los pantógrafos pueden tener un brazo simple o doble. Los pantógrafos de dos brazos suelen ser más pesados y requieren más potencia para subirlos y bajarlos, pero también pueden ser más tolerantes a fallas.
En los ferrocarriles de la antigua URSS , los pantógrafos más utilizados son los de doble brazo ("formados por dos rombos"), pero, desde finales de los años 90, existen algunos pantógrafos de un solo brazo en los ferrocarriles rusos. Algunos tranvías utilizan pantógrafos de doble brazo, entre ellos los rusos KTM-5, KTM-8, LVS-86 y muchos otros tranvías de fabricación rusa, así como algunos tranvías Euro-PCC en Bélgica. Los tranvías estadounidenses utilizan postes de trolebús o pantógrafos de un solo brazo.
La mayoría de los sistemas de tránsito rápido funcionan con un tercer raíl , pero algunos utilizan pantógrafos, en particular los que implican un gran recorrido sobre el suelo. La mayoría de las líneas híbridas de metro-tranvía o "pre-metro" cuyas rutas incluyen vías en las calles de la ciudad o en otras áreas de acceso público, como la (antigua) línea 51 del metro de Ámsterdam , la línea verde de la MBTA , el RTA Rapid Transit en Cleveland, el U-Bahn de Frankfurt am Main y el metro Muni de San Francisco , utilizan cables aéreos, ya que un tercer raíl estándar obstruiría el tráfico de la calle y presentaría un riesgo demasiado grande de electrocución.
Entre las diversas excepciones se encuentran varios sistemas de tranvía, como los de Burdeos , Angers , Reims y Dubái , que utilizan un sistema subterráneo patentado desarrollado por Alstom , llamado APS , que solo aplica energía a los segmentos de vía que están completamente cubiertos por el tranvía. Este sistema fue diseñado originalmente para ser utilizado en el centro histórico de Burdeos porque un sistema de cableado aéreo causaría una intrusión visual. Bombardier , AnsaldoBreda , CAF y otros han desarrollado sistemas similares que evitan las líneas aéreas. Estos pueden consistir en infraestructura física a nivel del suelo o utilizar energía almacenada en paquetes de baterías para viajar distancias cortas sin cableado aéreo.
Los pantógrafos aéreos se utilizan a veces como alternativas a los terceros carriles porque los terceros carriles pueden congelarse en determinadas condiciones climáticas invernales. La Línea Azul de la MBTA utiliza energía de pantógrafo para toda la sección de su ruta que discurre en la superficie, mientras que cambia a energía de tercer carril antes de entrar en la parte subterránea de su ruta. Todos los sistemas de metro de Sídney , Madrid , Barcelona , Oporto , Shanghái , Hong Kong , Seúl , Kobe , Fukuoka , Sendai , Jaipur , Chennai , Bombay y Delhi utilizan cableado aéreo y pantógrafos (así como ciertas líneas de los sistemas de metro de Pekín , Chongqing , Noida , Hyderabad , Yakarta , Tokio , Osaka , Nagoya , Singapur , Sapporo , Budapest y Ciudad de México ). Los pantógrafos también se utilizaron en las líneas de tránsito rápido de la Compañía Nord-Sud en París hasta que la otra compañía operadora de la época, la Compagnie du chemin de fer métropolitain de Paris , compró la empresa y reemplazó todo el cableado aéreo con el sistema estándar de tercer riel utilizado en otras líneas.
Numerosas líneas ferroviarias utilizan tanto el tercer carril como la recolección de energía aérea a lo largo de diferentes partes de sus rutas, generalmente por razones históricas. Incluyen la línea North London y las líneas West London de London Overground , la Northern City Line de Great Northern , tres de las cinco líneas de la red de metro de Rotterdam , la línea New Haven de Metro-North Railroad y la línea amarilla de la Autoridad de Tránsito de Chicago . En este último caso, la porción aérea era un remanente de la ruta de alta velocidad Skokie Valley de Chicago North Shore y Milwaukee Railroad , [14] y era la única línea en todo el sistema de metro de Chicago que utilizaba la recolección de energía por pantógrafo en cualquier longitud. Como tal, la línea requería vagones que contaran con pantógrafos, así como con zapatas de tercer carril, y dado que la porción aérea era una porción muy pequeña del sistema, solo unos pocos vagones estarían equipados con ella. El cambio se produjo en el paso a nivel de East Prairie, el antiguo emplazamiento de la estación Crawford-East Prairie . Aquí, los trenes con destino a Dempster-Skokie elevaban sus pantógrafos, mientras que los que iban a Howard los bajaban, haciéndolo a gran velocidad en ambos casos. En 2005, debido al costo y a las necesidades únicas de mantenimiento de lo que solo representaba una parte muy pequeña del sistema, se eliminó el sistema aéreo y se reemplazó con la misma energía del tercer carril que se usaba en el resto del sistema, lo que permitió que todos los vagones de Chicago operaran en la línea. Se quitaron todos los pantógrafos de los vagones equipados con Skokie.
Hasta 2010, la línea 1 del metro de Oslo cambió el tercer carril por la catenaria en la estación de Frøen. Debido a los numerosos pasos a nivel, se consideró difícil instalar un tercer carril en el resto de la vía única de la línea anterior . [15] Después de 2010, se utilizaron terceros carriles a pesar de los pasos a nivel. Los terceros carriles tienen huecos, pero hay dos zapatas de contacto.
En algunos sistemas que utilizan alimentación eléctrica trifásica , las locomotoras y los vagones de tracción tienen dos pantógrafos, y el circuito de tercera fase se obtiene a través de los raíles de rodadura. En 1901, una instalación experimental de alta velocidad, otro diseño de Walter Reichel en Siemens & Halske, utilizó tres cables aéreos montados verticalmente con los colectores montados sobre pantógrafos que se extendían horizontalmente. [16] [17]
En las líneas en las que los vagones abiertos se cargan desde arriba, la línea aérea puede estar desplazada para permitir esto; los pantógrafos se montan entonces en ángulo con respecto a la vertical. [18]
El contacto entre un pantógrafo y una línea aérea suele asegurarse mediante un bloque de grafito . Este material conduce la electricidad mientras funciona como lubricante . Como el grafito es frágil, se pueden romper trozos durante el funcionamiento. Los pantógrafos defectuosos pueden agarrotar el cable aéreo y derribarlo, por lo que existe una influencia bidireccional por la cual los cables defectuosos pueden dañar el pantógrafo y los pantógrafos defectuosos pueden dañar los cables. Para evitar esto, se puede utilizar una estación de monitoreo de pantógrafos . A altas velocidades sostenidas, por encima de 300 km/h (190 mph), la fricción puede hacer que la tira de contacto se ponga al rojo vivo, lo que a su vez puede causar un arco excesivo y una falla eventual. [19]
En el Reino Unido, los pantógrafos ( Brecknell Willis y Stone Faiveley ) de los vehículos se elevan mediante presión de aire y los "carbones" de contacto de grafito crean una galería de aire en la cabeza del pantógrafo que libera el aire si se pierde una tira de grafito, activando el dispositivo de caída automático y bajando el pantógrafo para evitar daños. Las unidades de tracción eléctrica más nuevas pueden utilizar métodos más sofisticados que detectan las perturbaciones causadas por el arco eléctrico en el punto de contacto cuando las tiras de grafito están dañadas. No siempre hay dos pantógrafos en una unidad múltiple eléctrica pero, en los casos en que los hay, se puede utilizar el otro si uno está dañado; un ejemplo de esta situación sería un Pendolino Clase 390. El pantógrafo trasero en relación con la dirección de viaje se utiliza a menudo para evitar dañar ambos pantógrafos en caso de enredos: si se utilizara el pantógrafo delantero, los escombros de un enredo podrían causar daños al pantógrafo trasero, dejando inoperativos tanto a los pantógrafos como al vehículo.
El dispositivo de caída automático (ADD) es un dispositivo de seguridad que baja automáticamente el pantógrafo en los trenes eléctricos para evitar accidentes en caso de obstrucciones o emergencias. [20] [21] También se conoce como dispositivo de caída del pantógrafo . [22] El dispositivo de caída automático es obligatorio para trenes con velocidades operativas de 160 km/h y superiores. [ cita requerida ] De lo contrario, los operadores del tren son libres de instalar estos dispositivos. El daño que hace que el pantógrafo se caiga puede incluir el cabezal de la tira, el cabezal del pantógrafo y otras partes. El ADD utiliza principalmente un sistema neumático para detectar un daño. Por ejemplo, una tira de contacto rota provocará una caída de presión en el tubo de aire del interior.
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