Una locomotora eléctrica es una locomotora que funciona con electricidad procedente de líneas aéreas , un tercer raíl o un sistema de almacenamiento de energía a bordo, como una batería o un supercondensador . Las locomotoras con motores primarios alimentados por combustible a bordo , como motores diésel o turbinas de gas , se clasifican como locomotoras diésel-eléctricas o locomotoras de turbina de gas-eléctricas y no como locomotoras eléctricas, porque la combinación de generador eléctrico/motor solo sirve como sistema de transmisión de energía .
Las locomotoras eléctricas se benefician de la alta eficiencia de los motores eléctricos, a menudo superior al 90% (sin incluir la ineficiencia de generar la electricidad). Se puede obtener una eficiencia adicional con el frenado regenerativo , que permite recuperar la energía cinética durante el frenado para devolver la energía a la línea. Las locomotoras eléctricas más nuevas utilizan sistemas de accionamiento con inversor de motor de CA que proporcionan frenado regenerativo. Las locomotoras eléctricas son silenciosas en comparación con las locomotoras diésel, ya que no hay ruido de motor ni de escape y menos ruido mecánico. La falta de piezas recíprocas significa que las locomotoras eléctricas son más fáciles de usar en la vía, lo que reduce el mantenimiento de la vía. La capacidad de la planta de energía es mucho mayor que la que utiliza cualquier locomotora individual, por lo que las locomotoras eléctricas pueden tener una mayor potencia de salida que las locomotoras diésel y pueden producir incluso mayor potencia de sobrecarga a corto plazo para una aceleración rápida. Las locomotoras eléctricas son ideales para el servicio ferroviario de cercanías con paradas frecuentes. Las locomotoras eléctricas se utilizan en rutas de carga con volúmenes de tráfico constantemente altos o en áreas con redes ferroviarias avanzadas. Las centrales eléctricas, incluso si queman combustibles fósiles , son mucho más limpias que las fuentes móviles, como los motores de las locomotoras. La energía también puede provenir de fuentes bajas en carbono o renovables , como la energía geotérmica , la energía hidroeléctrica , la biomasa , la energía solar , la energía nuclear y las turbinas eólicas . [1] Las locomotoras eléctricas suelen costar un 20% menos que las locomotoras diésel, sus costes de mantenimiento son entre un 25% y un 35% más bajos y su funcionamiento cuesta hasta un 50% menos. [2]
La principal desventaja de la electrificación es el alto costo de la infraestructura: líneas aéreas o tercer carril, subestaciones y sistemas de control. El impacto de esto varía según las leyes y regulaciones locales. Por ejemplo, la política pública en los EE. UU. interfiere con la electrificación: se imponen impuestos inmobiliarios más altos a las instalaciones ferroviarias de propiedad privada si se electrifican. [ cita requerida ] La EPA regula las emisiones de escape de los motores de locomotoras y marinos, de manera similar a las regulaciones sobre las emisiones de automóviles y camiones de carga, para limitar la cantidad de monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados, óxidos nítricos y hollín emitidos por estas fuentes de energía móviles. [3] Debido a que la infraestructura ferroviaria es de propiedad privada en los EE. UU., los ferrocarriles no están dispuestos a realizar las inversiones necesarias para la electrificación. En Europa y en otros lugares, las redes ferroviarias se consideran parte de la infraestructura de transporte nacional, al igual que las carreteras, autopistas y vías navegables, por lo que a menudo son financiadas por el estado. [ cita requerida ] Los operadores del material rodante pagan tarifas de acuerdo con el uso del ferrocarril. Esto hace posible las grandes inversiones necesarias para una electrificación técnicamente y, a largo plazo, también económicamente ventajosa.
La primera locomotora eléctrica conocida fue construida en 1837 por el químico Robert Davidson de Aberdeen , y estaba impulsada por celdas galvánicas (baterías). Davidson construyó más tarde una locomotora más grande llamada Galvani , exhibida en la Exposición de la Royal Scottish Society of Arts en 1841. El vehículo de siete toneladas tenía dos motores de reluctancia de accionamiento directo , con electroimanes fijos que actuaban sobre barras de hierro unidas a un cilindro de madera en cada eje, y conmutadores simples . Transportaba una carga de seis toneladas a cuatro millas por hora (6 kilómetros por hora) durante una distancia de una milla y media (2,4 kilómetros). Se probó en el ferrocarril de Edimburgo y Glasgow en septiembre del año siguiente, pero la potencia limitada de las baterías impidió su uso general. Fue destruida por los trabajadores del ferrocarril, que la vieron como una amenaza para su seguridad laboral. [4] [5] [6]
El primer tren eléctrico de pasajeros fue presentado por Werner von Siemens en Berlín en 1879. La locomotora estaba accionada por un motor de 2,2 kW de bobinado en serie y el tren, compuesto por la locomotora y tres vagones, alcanzaba una velocidad de 13 km/h. Durante cuatro meses, el tren transportó a 90.000 pasajeros en una vía circular de 300 metros de longitud (984 pies). La electricidad (150 V CC) se suministraba a través de un tercer carril aislado entre las vías. Se utilizaba un rodillo de contacto para recoger la electricidad.
La primera línea de tranvía eléctrica del mundo se inauguró en Lichterfelde, cerca de Berlín, Alemania, en 1881. Fue construida por Werner von Siemens (véase Tranvía Gross-Lichterfelde y Berlin Straßenbahn ). El ferrocarril eléctrico de Volk se inauguró en 1883 en Brighton. También en 1883, el tranvía de Mödling y Hinterbrühl se inauguró cerca de Viena, en Austria. Fue el primero del mundo en servicio regular alimentado por una línea aérea. Cinco años después, en los EE. UU., los tranvías eléctricos fueron pioneros en 1888 en el ferrocarril de pasajeros Richmond Union , utilizando equipo diseñado por Frank J. Sprague . [7]
Las primeras líneas ferroviarias húngaras electrificadas se abrieron en 1887. Budapest (Ver: BHÉV ): Línea Ráckeve (1887), Línea Szentendre (1888), Línea Gödöllő (1888), Línea Csepel (1912). [8]
Gran parte del desarrollo inicial de la locomoción eléctrica fue impulsado por el uso creciente de túneles, particularmente en áreas urbanas. El humo de las locomotoras de vapor era nocivo y los municipios cada vez más inclinados a prohibir su uso dentro de sus límites. La primera línea subterránea operada eléctricamente fue el City and South London Railway , impulsada por una cláusula en su ley habilitante que prohibía el uso de energía de vapor. [9] Se inauguró en 1890, utilizando locomotoras eléctricas construidas por Mather y Platt . La electricidad se convirtió rápidamente en la fuente de energía preferida para los subterráneos, impulsada por la invención de Sprague del control de trenes de unidades múltiples en 1897. Los sistemas de tránsito rápido de superficie y elevados generalmente usaban vapor hasta que se vieron obligados a convertirlos por ordenanza.
El primer uso de la electrificación en una línea principal estadounidense fue en un tramo de cuatro millas de la Baltimore Belt Line del Baltimore and Ohio Railroad (B&O) en 1895, conectando la parte principal del B&O con la nueva línea a Nueva York a través de una serie de túneles alrededor de los bordes del centro de Baltimore. Las vías paralelas en el ferrocarril de Pensilvania habían demostrado que el humo de carbón de las locomotoras de vapor sería un problema operativo importante y una molestia pública. Inicialmente se utilizaron tres unidades Bo+Bo , el modelo EL-1. En el extremo sur de la sección electrificada; se acoplaban a la locomotora y al tren y lo arrastraban a través de los túneles. [10] Las entradas del ferrocarril a la ciudad de Nueva York requerían túneles similares y los problemas de humo eran más agudos allí. Una colisión en el túnel de Park Avenue en 1902 llevó a la legislatura del estado de Nueva York a prohibir el uso de locomotoras generadoras de humo al sur del río Harlem después del 1 de julio de 1908. En respuesta, las locomotoras eléctricas comenzaron a funcionar en 1904 en el New York Central Railroad . En la década de 1930, el Pennsylvania Railroad , que había introducido locomotoras eléctricas debido a la regulación de la ciudad de Nueva York, electrificó todo su territorio al este de Harrisburg, Pensilvania .
El ferrocarril Chicago, Milwaukee, St. Paul y Pacific ( Milwaukee Road ), la última línea transcontinental que se construyó, electrificó sus líneas a través de las Montañas Rocosas y hasta el océano Pacífico a partir de 1915. Unas pocas líneas de la costa este, en particular el ferrocarril Virginian y el ferrocarril Norfolk and Western , electrificaron secciones cortas de sus cruces de montaña. Sin embargo, en este punto, la electrificación en los Estados Unidos estaba más asociada con el tráfico urbano denso y el uso de locomotoras eléctricas disminuyó ante la dieselización. [11] El diésel compartía algunas de las ventajas de la locomotora eléctrica sobre el vapor y el costo de construcción y mantenimiento de la infraestructura de suministro de energía, que desalentaba nuevas instalaciones, provocó la eliminación de la mayor parte de la electrificación de las líneas principales fuera del noreste. A excepción de unos pocos sistemas cautivos (por ejemplo, el ferrocarril Deseret Power ), en 2000 la electrificación se limitó al corredor noreste y a algunos servicios de cercanías; incluso allí, el servicio de carga se manejaba con diésel. El desarrollo continuó en Europa, donde la electrificación estaba muy extendida. En algunas líneas cercanas a Francia todavía se utilizan 1.500 V CC y los trenes de alta velocidad utilizan 25 kV 50 Hz. [6]
La primera locomotora eléctrica de CA práctica fue diseñada por Charles Brown , que entonces trabajaba para Oerlikon , Zúrich. En 1891, Brown había demostrado la transmisión de energía a larga distancia para la Exposición Electrotécnica Internacional , utilizando CA trifásica , entre una planta hidroeléctrica en Lauffen am Neckar y el sitio de la exposición en Frankfurt am Main West, una distancia de 280 km. Utilizando la experiencia que había adquirido mientras trabajaba para Jean Heilmann en diseños de locomotoras eléctricas de vapor, Brown observó que los motores trifásicos tenían una relación potencia-peso más alta que los motores de CC y, debido a la ausencia de un conmutador , eran más simples de fabricar y mantener. [i] Sin embargo, eran mucho más grandes que los motores de CC de la época y no podían montarse en bogies bajo el piso : solo podían llevarse dentro de las carrocerías de las locomotoras. [13] En 1896, Oerlikon instaló el primer ejemplo comercial del sistema en el tranvía de Lugano . Cada locomotora de 30 toneladas tenía dos motores de 110 kW (150 hp) accionados por una tensión trifásica de 750 V 40 Hz alimentada por catenarias dobles. Los motores trifásicos funcionan a una velocidad constante y proporcionan frenado regenerativo , por lo que son muy adecuados para rutas con pendientes pronunciadas; en 1899, Brown (en ese entonces en asociación con Walter Boveri ) suministró las primeras locomotoras trifásicas de línea principal al ferrocarril Burgdorf-Thun de 40 km (punto más alto 770 metros), Suiza. La primera implementación de suministro de CA monofásica de frecuencia industrial para locomotoras provino de Oerlikon en 1901, utilizando los diseños de Hans Behn-Eschenburg y Emil Huber-Stockar ; La instalación en la línea Seebach-Wettingen de los Ferrocarriles Federales Suizos se completó en 1904. Las locomotoras de 15 kV, 50 Hz, 345 kW (460 hp) y 48 toneladas usaban transformadores y convertidores rotativos para alimentar motores de tracción de CC. [14]
En 1894, el ingeniero húngaro Kálmán Kandó desarrolló un nuevo tipo de motores y generadores eléctricos asíncronos trifásicos para locomotoras eléctricas en la Compañía Fives-Lille . Los primeros diseños de Kandó de 1894 se aplicaron por primera vez en un tranvía corto de corriente alterna trifásica en Évian-les-Bains (Francia), que se construyó entre 1896 y 1898. [15] [16] [17] [ 18] [19] En 1918, [20] Kandó inventó y desarrolló el convertidor de fase rotativo , que permitía a las locomotoras eléctricas utilizar motores trifásicos mientras se alimentaban a través de un solo cable aéreo, que transportaba la corriente alterna monofásica de frecuencia industrial simple (50 Hz) de las redes nacionales de alto voltaje. [21]
Los ferrocarriles italianos fueron los primeros del mundo en introducir tracción eléctrica en toda la longitud de una línea principal en lugar de solo en un tramo corto. La línea Valtellina de 106 km se inauguró el 4 de septiembre de 1902, diseñada por Kandó y un equipo de Ganz Works . [22] [21] El sistema eléctrico era trifásico a 3 kV 15 Hz. El voltaje era significativamente más alto que el utilizado anteriormente y requirió nuevos diseños para motores eléctricos y dispositivos de conmutación. [23] [24] El sistema trifásico de dos cables se utilizó en varios ferrocarriles en el norte de Italia y se conoció como "el sistema italiano". Kandó fue invitado en 1905 a asumir la gestión de Società Italiana Westinghouse y lideró el desarrollo de varias locomotoras eléctricas italianas. [23] Durante el período de electrificación de los ferrocarriles italianos, se realizaron pruebas sobre qué tipo de energía utilizar: en algunas secciones había una 16+ Alimentación trifásica de 2 ⁄ 3 Hz, en otros había alimentación de 1.500 V CC, 3 kV CC y 10 kV CA de 45 Hz. Después de la Segunda Guerra Mundial, se optó por la alimentación de 3 kV CC para todo el sistema ferroviario italiano. [25]
Un desarrollo posterior de Kandó, en colaboración con las obras de Ganz y Societa Italiana Westinghouse , fue un convertidor electromecánico , que permitía el uso de motores trifásicos a partir de corriente alterna monofásica, eliminando la necesidad de dos cables aéreos. [26] En 1923, se construyó la primera locomotora con convertidor de fase en Hungría sobre la base de los diseños de Kandó y la producción en serie comenzó poco después. La primera instalación, a 16 kV 50 Hz, fue en 1932 en el tramo de 56 km de los Ferrocarriles Estatales Húngaros entre Budapest y Komárom . Esto resultó exitoso y la electrificación se extendió a Hegyeshalom en 1934. [27]
En Europa, los proyectos de electrificación se centraron inicialmente en las regiones montañosas por varias razones: el suministro de carbón era difícil, la energía hidroeléctrica estaba fácilmente disponible y las locomotoras eléctricas proporcionaban más tracción en líneas más empinadas. Esto fue particularmente aplicable en Suiza, donde casi todas las líneas están electrificadas. Una contribución importante a la adopción más amplia de la tracción de CA provino de la SNCF de Francia después de la Segunda Guerra Mundial . La empresa había evaluado la línea de CA de frecuencia industrial que atravesaba el empinado valle de Höllental , Alemania, que estaba bajo administración francesa después de la guerra. Después de las pruebas, la empresa decidió que el rendimiento de las locomotoras de CA estaba suficientemente desarrollado para permitir que todas sus futuras instalaciones, independientemente del terreno, fueran de este estándar, con su infraestructura asociada más barata y eficiente. [28] La decisión de la SNCF, que ignoró las 2000 millas (3200 km) de CC de alto voltaje ya instaladas en las rutas francesas, influyó en el estándar seleccionado para otros países de Europa. [28]
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En los años 60 se electrificaron muchas líneas principales europeas. A partir de los años 20, la tecnología de las locomotoras eléctricas europeas mejoró de forma constante. En comparación, la serie EP-2 de Milwaukee Road (1918) pesaba 240 t, tenía una potencia de 3330 kW y una velocidad máxima de 112 km/h; en 1935, la locomotora alemana E 18 tenía una potencia de 2800 kW, pero pesaba solo 108 toneladas y alcanzaba una velocidad máxima de 150 km/h. El 29 de marzo de 1955, la locomotora francesa CC 7107 alcanzó los 331 km/h. En 1960, las locomotoras SJ de la serie Dm 3 de los ferrocarriles suecos alcanzaron un récord de 7200 kW. En el mismo período, aparecieron en Alemania y Francia locomotoras capaces de transportar pasajeros comerciales a 200 km/h. Otras mejoras fueron el resultado de la introducción de sistemas de control electrónico, que permitieron el uso de motores cada vez más ligeros y potentes que se podían montar en el interior de los bogies (estandarizándose a partir de los años 90 en motores trifásicos asíncronos, alimentados mediante inversores GTO).
En la década de 1980, el desarrollo de servicios de muy alta velocidad trajo consigo una mayor electrificación. El Shinkansen japonés y el TGV francés fueron los primeros sistemas para los que se construyeron desde cero líneas dedicadas a la alta velocidad. Se llevaron a cabo programas similares en Italia , Alemania y España ; en los Estados Unidos, el único servicio principal nuevo fue una extensión de la electrificación sobre el Corredor Noreste desde New Haven, Connecticut , hasta Boston, Massachusetts , aunque se siguieron construyendo nuevos sistemas de trenes ligeros eléctricos.
El 2 de septiembre de 2006, una locomotora eléctrica Siemens de producción estándar del tipo Eurosprinter ES64-U4 ( ÖBB Clase 1216) alcanzó 357 km/h (222 mph), el récord para un tren remolcado por locomotora, en la nueva línea entre Ingolstadt y Núremberg. [29] Esta locomotora es utilizada ahora por ÖBB sin prácticamente modificaciones para remolcar su Railjet , que sin embargo está limitado a una velocidad máxima de 230 km/h debido a preocupaciones económicas y de infraestructura.
Una locomotora eléctrica puede ser alimentada con energía desde
Las características de diseño distintivas de las locomotoras eléctricas son:
La diferencia más fundamental radica en la elección entre corriente alterna y corriente continua. Los primeros sistemas utilizaban corriente continua, ya que la corriente alterna no se entendía bien y no se disponía de material aislante para líneas de alta tensión. Las locomotoras de corriente continua suelen funcionar con una tensión relativamente baja (entre 600 y 3000 voltios); por lo tanto, el equipo es relativamente pesado porque las corrientes implicadas son grandes para transmitir suficiente potencia. La energía debe suministrarse a intervalos frecuentes, ya que las corrientes elevadas dan lugar a grandes pérdidas en el sistema de transmisión.
A medida que se desarrollaron los motores de CA, se convirtieron en el tipo predominante, particularmente en rutas más largas. Se utilizan altos voltajes (decenas de miles de voltios) porque esto permite el uso de corrientes bajas; las pérdidas de transmisión son proporcionales al cuadrado de la corriente (por ejemplo, el doble de la corriente significa cuatro veces la pérdida). Por lo tanto, se puede conducir alta potencia a largas distancias en cables más livianos y económicos. Los transformadores en las locomotoras transforman esta potencia en un voltaje bajo y una corriente alta para los motores. [30] No se podría emplear un sistema similar de alto voltaje y baja corriente con locomotoras de corriente continua porque no hay una manera fácil de hacer la transformación de voltaje/corriente para CC con tanta eficiencia como se logra con los transformadores de CA.
La tracción de CA todavía utiliza ocasionalmente cables aéreos dobles en lugar de líneas monofásicas. La corriente trifásica resultante impulsa motores de inducción , que no tienen conmutadores sensibles y permiten la fácil realización de un freno regenerativo . La velocidad se controla cambiando el número de pares de polos en el circuito del estator, con aceleración controlada por la conmutación de resistencias adicionales dentro o fuera del circuito del rotor. Las líneas bifásicas son pesadas y complicadas cerca de los interruptores, donde las fases tienen que cruzarse entre sí. El sistema fue ampliamente utilizado en el norte de Italia hasta 1976 y todavía se usa en algunos ferrocarriles de cremallera suizos . La simple viabilidad de un freno eléctrico a prueba de fallas es una ventaja del sistema, mientras que el control de velocidad y las líneas bifásicas son problemáticos.
Las locomotoras rectificadoras , que utilizaban transmisión de potencia de CA y motores de CC, eran comunes, aunque los conmutadores de CC tenían problemas tanto en el arranque como a bajas velocidades. [ se necesita más explicación ] Las locomotoras eléctricas avanzadas de hoy utilizan motores de inducción de CA trifásicos sin escobillas . Estas máquinas polifásicas se alimentan mediante inversores basados en GTO , IGCT o IGBT . El costo de los dispositivos electrónicos en una locomotora moderna puede llegar a ser hasta el 50% del costo del vehículo.
La tracción eléctrica permite el uso del frenado regenerativo, en el que los motores se utilizan como frenos y se convierten en generadores que transforman el movimiento del tren en energía eléctrica que luego se devuelve a las líneas. Este sistema es particularmente ventajoso en operaciones montañosas, ya que las locomotoras que descienden pueden producir una gran parte de la energía necesaria para los trenes que ascienden. La mayoría de los sistemas tienen un voltaje característico y, en el caso de la energía de CA, una frecuencia de sistema. Muchas locomotoras han sido equipadas para manejar múltiples voltajes y frecuencias a medida que los sistemas se superponían o se actualizaban. Las locomotoras estadounidenses FL9 estaban equipadas para manejar energía de dos sistemas eléctricos diferentes y también podían funcionar como diésel-eléctricas.
Si bien los sistemas actuales funcionan predominantemente con CA, todavía se utilizan muchos sistemas de CC, por ejemplo, en Sudáfrica y el Reino Unido (750 V y 1500 V), Países Bajos , Japón , Irlanda (1500 V), Eslovenia , Bélgica , Italia , Polonia , Rusia , España (3000 V) y Washington, DC (750 V).
Los circuitos eléctricos requieren dos conexiones (o, para corriente alterna trifásica , tres conexiones). Desde el principio, la vía se utilizó para un lado del circuito. A diferencia de los ferrocarriles en miniatura, la vía normalmente alimenta solo un lado, ya que el otro lado o los otros lados del circuito se proporcionan por separado.
Los ferrocarriles suelen preferir las líneas aéreas , a menudo llamadas " catenarias ", por el sistema de soporte utilizado para mantener el cable paralelo al suelo. Existen tres métodos de recolección posibles:
De los tres, el método del pantógrafo es el más adecuado para el funcionamiento a alta velocidad. Algunas locomotoras utilizan tanto la recogida por catenaria como por tercer carril (por ejemplo, la British Rail Class 92 ). En Europa, la geometría y la forma recomendadas de los pantógrafos están definidas por la norma EN 50367/IEC 60486 [31] .
Los sistemas de transporte público y las líneas suburbanas suelen utilizar un tercer raíl en lugar de cables aéreos. Permite túneles más pequeños y un espacio libre menor bajo los puentes, y tiene ventajas para el tráfico intensivo, ya que es un sistema muy resistente, no es sensible a las roturas de los cables aéreos. Algunos sistemas utilizan cuatro raíles, especialmente algunas líneas del metro de Londres. Un inconveniente de los sistemas de tercer raíl es que los pasos a nivel se vuelven más complejos y, por lo general, requieren una sección de paso a nivel.
La electrificación original del ferrocarril de Baltimore y Ohio utilizaba una pastilla deslizante (una zapata de contacto o simplemente la "zapata") en un canal elevado, un sistema que rápidamente se consideró insatisfactorio. Se lo reemplazó por un tercer riel , en el que una pastilla se desplaza por debajo o por encima de un riel más pequeño paralelo a la vía principal, por encima del nivel del suelo. Hay varias pastillas a ambos lados de la locomotora para acomodar los descansos en el tercer riel que requieren las vías. Este sistema es el preferido en los subterráneos debido a los espacios libres reducidos que ofrece.
Durante el desarrollo inicial de la propulsión eléctrica ferroviaria, se idearon varios sistemas de accionamiento para acoplar la salida de los motores de tracción a las ruedas. Las primeras locomotoras solían utilizar transmisiones por eje intermedio . En esta disposición, el motor de tracción se monta dentro del cuerpo de la locomotora y acciona el eje intermedio a través de un conjunto de engranajes. Este sistema se empleó porque los primeros motores de tracción eran demasiado grandes y pesados para montarlos directamente en los ejes. Debido a la cantidad de piezas mecánicas involucradas, era necesario un mantenimiento frecuente. La transmisión por eje intermedio se abandonó para todas las unidades, excepto las más pequeñas, cuando se desarrollaron motores más pequeños y livianos.
A medida que la locomotora eléctrica fue madurando, se idearon otros sistemas. El sistema de accionamiento Buchli era un sistema totalmente accionado por resorte, en el que el peso de los motores de accionamiento estaba completamente desconectado de las ruedas motrices. Utilizado por primera vez en locomotoras eléctricas a partir de la década de 1920, el sistema de accionamiento Buchli fue utilizado principalmente por la SNCF francesa y los Ferrocarriles Federales Suizos . El sistema de accionamiento de caña también se desarrolló en esta época y montaba el motor de tracción por encima o al costado del eje y se acoplaba al eje a través de un engranaje reductor y un eje hueco (la caña) conectado de forma flexible al eje motriz. La locomotora GG1 de Pennsylvania Railroad utilizaba un sistema de accionamiento de caña. Una vez más, a medida que los motores de tracción continuaron reduciéndose en tamaño y peso, los sistemas de accionamiento de caña gradualmente cayeron en desuso en las locomotoras de carga de baja velocidad. En las locomotoras de pasajeros de alta velocidad utilizadas en Europa, el sistema de accionamiento de caña sigue siendo predominante.
Otro sistema de propulsión era el " bipolar ", en el que la armadura del motor era el propio eje, y el bastidor y el conjunto de campo del motor estaban unidos al bogie en una posición fija. El motor tenía dos polos de campo, lo que permitía una cantidad limitada de movimiento vertical de la armadura. Este sistema tenía un valor limitado, ya que la potencia de salida de cada motor era limitada. El sistema eléctrico bipolar EP-2 utilizado por Milwaukee Road compensó este problema utilizando una gran cantidad de ejes motrices.
Las locomotoras eléctricas de carga modernas, al igual que sus contrapartes diésel-eléctricas , utilizan casi universalmente motores de tracción suspendidos del eje, con un motor para cada eje motor. En esta disposición, un lado de la carcasa del motor está sostenido por cojinetes lisos que se deslizan sobre un muñón pulido y rectificado que es parte integral del eje. El otro lado de la carcasa tiene una protuberancia en forma de lengüeta que se acopla a una ranura correspondiente en el travesaño del bogie, y su propósito es actuar como un dispositivo de reacción de par, además de como soporte. La transferencia de potencia del motor al eje se efectúa mediante engranajes rectos , en los que un piñón en el eje del motor se acopla a un engranaje torcido en el eje. Ambos engranajes están encerrados en una carcasa hermética que contiene aceite lubricante. El tipo de servicio en el que se utiliza la locomotora determina la relación de transmisión empleada. Las relaciones numéricamente altas se encuentran comúnmente en las unidades de carga, mientras que las relaciones numéricamente bajas son típicas de las locomotoras de pasajeros.
El sistema de notación Whyte para clasificar las locomotoras de vapor no es adecuado para describir la variedad de disposiciones de las locomotoras eléctricas, aunque el ferrocarril de Pensilvania aplicó clases a sus locomotoras eléctricas como si fueran de vapor. Por ejemplo, la clase PRR GG1 indica que está dispuesta como dos locomotoras de clase G 4-6-0 acopladas una tras otra.
El sistema de clasificación UIC se utilizaba normalmente para locomotoras eléctricas, ya que podía gestionar las complejas disposiciones de ejes motorizados y no motorizados y podía distinguir entre sistemas de transmisión acoplados y desacoplados.
Una locomotora eléctrica de batería (o locomotora de batería) es impulsada por baterías a bordo; un tipo de vehículo eléctrico de batería .
Estas locomotoras se utilizan en los casos en que una locomotora diésel o una locomotora eléctrica convencional no serían adecuadas. Un ejemplo son los trenes de mantenimiento en líneas electrificadas cuando se corta el suministro eléctrico. Otro uso de las locomotoras de batería es en instalaciones industriales (por ejemplo, fábricas de explosivos, refinerías de petróleo y gas o fábricas químicas) donde una locomotora impulsada por combustión (es decir, a vapor o diésel ) podría causar un problema de seguridad debido a los riesgos de incendio, explosión o humos en un espacio confinado. Las locomotoras de batería son las preferidas para los ferrocarriles mineros donde el gas podría encenderse por las unidades impulsadas por carros que forman un arco en las zapatas de recolección, o donde podría desarrollarse resistencia eléctrica en los circuitos de suministro o retorno, especialmente en las juntas de los rieles, y permitir una fuga de corriente peligrosa al suelo. [32]
La primera locomotora eléctrica construida en 1837 fue una locomotora de batería. Fue construida por el químico Robert Davidson de Aberdeen , Escocia , y funcionaba con celdas galvánicas (baterías). Otro ejemplo temprano fue en la mina de cobre Kennecott , McCarthy, Alaska , donde en 1917 se ampliaron los caminos de transporte subterráneos para permitir el trabajo de dos locomotoras de batería de 4+1 ⁄ 2 toneladas cortas (4,0 toneladas largas; 4,1 t). [33] En 1928, Kennecott Copper ordenó cuatro locomotoras eléctricas de la serie 700 con baterías a bordo. Estas locomotoras pesaban 85 toneladas cortas (76 toneladas largas; 77 t) y funcionaban con un cable aéreo de 750 voltios con un alcance considerablemente mayor mientras funcionaban con baterías. [34] Las locomotoras proporcionaron varias décadas de servicio utilizando tecnología de batería de níquel-hierro (Edison). Las baterías fueron reemplazadas por baterías de plomo-ácido y las locomotoras se retiraron poco después. Las cuatro locomotoras fueron donadas a museos, pero una fue desguazada. Las otras se pueden ver en el Boone and Scenic Valley Railroad , Iowa, y en el Western Railway Museum en Rio Vista, California.
La Comisión de Tránsito de Toronto utilizó anteriormente en el metro de Toronto una locomotora eléctrica a batería construida por Nippon Sharyo en 1968 y retirada en 2009. [35]
El metro de Londres utiliza periódicamente locomotoras eléctricas de batería para trabajos de mantenimiento general.
A partir de 2022 [actualizar], las líneas ferroviarias han pedido locomotoras de batería con una capacidad energética de 7 y 14 MWh y están en desarrollo. [36]
En 2020, Zhuzhou Electric Locomotive Company , fabricante de sistemas de energía eléctrica almacenada que utilizan supercondensadores desarrollados inicialmente para su uso en tranvías , anunció que estaban ampliando su línea de productos para incluir locomotoras. [37]
La electrificación está muy extendida en Europa, y en los trenes de pasajeros se utilizan unidades múltiples eléctricas . Debido a la mayor densidad de horarios, los costos operativos son más importantes que en los costos de infraestructura que en los EE. UU. y las locomotoras eléctricas tienen costos operativos mucho más bajos que las diésel. Además, los gobiernos se vieron motivados a electrificar sus redes ferroviarias debido a la escasez de carbón que experimentaron durante la Primera y la Segunda Guerra Mundial.
Las locomotoras diésel tienen menos potencia que las locomotoras eléctricas para el mismo peso y dimensiones. Por ejemplo, los 2200 kW de una locomotora diésel moderna de la clase 66 de British Rail fueron igualados en 1927 por la SBB-CFF-FFS Ae 4/7 eléctrica (2300 kW), que es más ligera. Sin embargo, para velocidades bajas, el esfuerzo de tracción es más importante que la potencia. Los motores diésel pueden ser competitivos para el tráfico lento de mercancías (como es común en Canadá y los EE. UU.), pero no para el tráfico de pasajeros o mixto de pasajeros y mercancías como en muchas líneas ferroviarias europeas, especialmente donde los trenes de mercancías pesados deben circular a velocidades comparativamente altas (80 km/h o más).
Estos factores llevaron a altos grados de electrificación en la mayoría de los países europeos. En algunos países, como Suiza, incluso los vagones de maniobras eléctricos son comunes y muchos apartaderos privados son atendidos por locomotoras eléctricas. Durante la Segunda Guerra Mundial , cuando los materiales para construir nuevas locomotoras eléctricas no estaban disponibles, los Ferrocarriles Federales Suizos instalaron elementos de calefacción eléctricos en las calderas de algunos vagones de maniobras de vapor , alimentados desde el suministro aéreo, para hacer frente a la escasez de carbón importado. [38] [39]
Los recientes acontecimientos políticos en muchos países europeos para potenciar el transporte público han dado otro impulso a la tracción eléctrica. Además, se están cerrando huecos en la vía no electrificada para evitar la sustitución de locomotoras eléctricas por diésel para estos tramos. La necesaria modernización y electrificación de estas líneas es posible gracias a la financiación de la infraestructura ferroviaria por parte del Estado.
Las unidades múltiples eléctricas británicas se introdujeron por primera vez en la década de 1890, y las versiones actuales proporcionan transporte público y también hay varias clases de locomotoras eléctricas, como: Clase 76 , Clase 86 , Clase 87 , Clase 90 , Clase 91 y Clase 92 .
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Rusia y otros países de la antigua Unión Soviética tienen una combinación de 3.000 V CC y 25 kV CA por razones históricas.
En las "estaciones de enlace" especiales (unas 15 en la antigua URSS: Vladimir , Mariinsk cerca de Krasnoyarsk, etc.) el cableado es conmutable de corriente continua a corriente alterna. En estas estaciones es imprescindible sustituir las locomotoras y se realiza junto con el cambio del cableado de contacto.
La mayoría de las locomotoras soviéticas, checas (la URSS encargó locomotoras eléctricas de pasajeros a Škoda ), rusas y ucranianas pueden funcionar solo con CA o CC. Por ejemplo, la VL80 es una máquina de CA, mientras que la VL10 es una versión de CC. Hubo algunas series pequeñas semiexperimentales como la VL82, que podía cambiar de CA a CC y se utilizaron en pequeñas cantidades alrededor de la ciudad de Járkov en Ucrania , donde no hay estaciones de unión en muchas líneas. Además, la última locomotora de pasajeros rusa EP20 y su predecesora semiexperimental EP10 son un sistema dual.
Históricamente, se utilizaba una corriente continua de 3000 V para simplificar el proceso. La primera vía experimental se encontraba en las montañas de Georgia, luego se electrificaron las zonas suburbanas de las ciudades más grandes para los trenes eléctricos, lo que resultó muy ventajoso debido a la dinámica mucho mejor de este tipo de trenes en comparación con los de vapor, lo que es importante para el servicio suburbano con paradas frecuentes. Luego se electrificó la gran línea montañosa entre Ufa y Cheliábinsk .
Durante algún tiempo, los ferrocarriles eléctricos solo se consideraron adecuados para líneas suburbanas o de montaña. En torno a 1950, se tomó la decisión (según la leyenda, por orden de Iósif Stalin ) de electrificar la línea de llanura de alta carga de Omsk a Novosibirsk . A partir de entonces, la electrificación de las principales líneas férreas a 3000 V CC se convirtió en una práctica habitual.
La corriente alterna de 25 kV comenzó a utilizarse en la URSS en torno a 1960, cuando la industria consiguió construir locomotoras con motor de corriente continua y cable de corriente alterna con rectificador (todas las locomotoras de corriente alterna soviéticas y checas eran de este tipo; sólo las post-soviéticas cambiaron a motores de inducción controlados electrónicamente). La primera gran línea con corriente alterna fue la de Mariinsk-Krasnoyarsk-Tayshet-Zima; le siguieron las líneas de la Rusia europea, como Moscú-Rostov del Don.
En los años 90, algunas líneas de corriente continua se reconstruyeron como líneas de corriente alterna para permitir el uso de la enorme locomotora de corriente alterna de 10 MW de la VL85. La línea alrededor de Irkutsk es una de ellas. Las locomotoras de corriente continua liberadas por esta reconstrucción se transfirieron a la región de San Petersburgo.
El ferrocarril Transiberiano está parcialmente electrificado desde 1929 y en su totalidad desde 2002. El sistema es de 25 kV CA 50 Hz después de la estación de unión de Mariinsk cerca de Krasnoyarsk, 3.000 V CC antes de ella y los pesos de los trenes son de hasta 6.000 toneladas. [40]
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Históricamente, Canadá ha utilizado una variedad de locomotoras eléctricas, principalmente para transportar pasajeros y carga a través de túneles mal ventilados. Las locomotoras eléctricas que estaban en uso en Canadá incluyen la St. Clair Tunnel Co. Boxcab Electric , la CN Boxcab Electric y la GMD GF6C . Exo en Montreal operó locomotoras electro-diésel de modo dual ALP-45DP para permitir que las locomotoras atravesaran el mal ventilado túnel Mount Royal . Las locomotoras funcionan en modo eléctrico a lo largo de toda la línea Deux-Montagnes y a lo largo de la línea Mascouche entre la estación central de Montreal y la estación Ahuntsic . Las locomotoras funcionan en modo diésel durante el resto de la línea Mascouche y a lo largo de otras tres líneas no electrificadas. [41] Sin embargo, con la conversión del túnel Mount Royal en la línea principal del sistema de metro ligero Réseau express métropolitain y el truncamiento permanente de la línea Mascouche hasta la estación Ahuntsic a partir de enero de 2020, las locomotoras funcionan exclusivamente en modo diésel. [42]
Al igual que en Estados Unidos, la flexibilidad de las locomotoras diésel y el coste relativamente bajo de su infraestructura han hecho que prevalezcan, excepto cuando las limitaciones legales u operativas dictan el uso de la electricidad. Esto ha dado lugar a una infraestructura ferroviaria eléctrica limitada y, por extensión, a locomotoras eléctricas que operan en Canadá en la actualidad. En 2021, solo existe un ejemplo en la actualidad: las locomotoras eléctricas GMD SW1200MG operadas por la Iron Ore Company of Canada para un pequeño ferrocarril aislado que transporta mineral en bruto desde su mina de Carol Lake hasta una planta de procesamiento.
En el futuro, GO Transit de Toronto tiene previsto operar una flota de nuevas locomotoras eléctricas como parte de su iniciativa Regional Express Rail . También se está estudiando la viabilidad de utilizar locomotoras de pila de combustible de hidrógeno. [43]
Las locomotoras eléctricas se utilizan en los trenes de pasajeros del Corredor Noreste de Amtrak entre Washington, DC y Boston , con un ramal a Harrisburg, Pensilvania , y en algunas líneas ferroviarias de cercanías . Los sistemas de transporte público y otras líneas de cercanías electrificadas utilizan unidades múltiples eléctricas , donde cada vagón recibe energía eléctrica. Todos los demás servicios de pasajeros de larga distancia y, con raras excepciones , toda la carga se transportan mediante locomotoras diésel-eléctricas.
En América del Norte, la flexibilidad de las locomotoras diésel y el coste relativamente bajo de su infraestructura han hecho que prevalezcan, excepto donde las restricciones legales u operativas dictan el uso de electricidad. Un ejemplo de esto último es el uso de locomotoras eléctricas por parte de Amtrak y los ferrocarriles de cercanías en el Corredor Noreste . El corredor de Nueva York de Amtrak y New Jersey Transit utiliza locomotoras eléctricas, actualmente ALP-46 , debido a la prohibición de operar con diésel en Penn Station y los túneles Hudson y East River que conducen a ella. Algunos otros trenes a Penn Station utilizan locomotoras de modo dual que también pueden funcionar con energía del tercer carril en los túneles y la estación.
Durante la era del vapor, algunas áreas montañosas fueron electrificadas, pero se ha interrumpido su uso. La unión entre el territorio electrificado y el no electrificado es el lugar donde se realizan los cambios de locomotoras; por lo tanto, los trenes del Corredor Noreste que se extienden al sur de Washington, DC, cambian de locomotora allí. Los trenes del Corredor Noreste solían hacer paradas prolongadas en New Haven, Connecticut , ya que se intercambiaban las locomotoras, una demora que contribuyó a la decisión de electrificar el segmento de New Haven a Boston del Corredor Noreste en 2000. [44]
China tiene más de 100.000 kilómetros (62.000 millas) de vías férreas electrificadas. [45] La mayoría de los trenes de carga y de pasajeros de larga distancia de las líneas principales funcionan con locomotoras eléctricas de alta potencia, normalmente con más de 7.200 kilovatios (9.700 hp) de potencia de salida. Las mercancías pesadas se transportan con locomotoras multisección de potencia extremadamente alta, que alcanzan hasta 28.800 kilovatios (38.600 hp) en la serie "Shen 24" de locomotoras eléctricas de seis secciones. [46]
Todas las rutas principales electrificadas en la India utilizan electrificación aérea de 25 kV CA a 50 Hz. A marzo de 2017, los ferrocarriles indios transportan el 85% del tráfico de carga y pasajeros con locomotoras eléctricas y se han electrificado 45.881 km de líneas ferroviarias. [47]
Japón se ha acercado a la electrificación completa en gran medida debido a las distancias relativamente cortas y al terreno montañoso, que hacen del servicio eléctrico una inversión particularmente económica. Además, la combinación de servicios de carga y pasajeros está mucho más ponderada hacia el servicio de pasajeros (incluso en áreas rurales) que en muchos otros países, y esto ha ayudado a impulsar la inversión gubernamental en la electrificación de muchas líneas remotas. Sin embargo, estos mismos factores llevan a los operadores de ferrocarriles japoneses a preferir las unidades electromagnéticas a las locomotoras eléctricas. La gran mayoría del servicio eléctrico de pasajeros en Japón se opera con unidades electromagnéticas, relegando las locomotoras eléctricas al transporte de carga y a determinados servicios de larga distancia.
Los ferrocarriles victorianos y los ferrocarriles gubernamentales de Nueva Gales del Sur , que fueron pioneros en la tracción eléctrica en Australia a principios del siglo XX y continúan operando unidades múltiples eléctricas de 1500 V CC , han retirado sus locomotoras eléctricas.
En ambos estados, el uso de locomotoras eléctricas en las principales rutas interurbanas resultó ser un éxito limitado. En Victoria, como solo se electrificó la línea Gippsland , las ventajas económicas de la tracción eléctrica no se aprovecharon plenamente debido a la necesidad de cambiar las locomotoras para los trenes que circulaban fuera de la red electrificada. Las locomotoras de clase L de Victorian Railways se retiraron del servicio en 1987 [48] y la electrificación de la línea Gippsland se había desmantelado en 2004 [49].
Las locomotoras de clase 86 de Nueva Gales del Sur introducidas en Nueva Gales del Sur en 1983 tuvieron una vida relativamente corta debido a que el costo de mantenimiento de la infraestructura, la necesidad de cambiar las locomotoras en los extremos de la red electrificada y los cargos más altos cobrados por la electricidad hicieron que las locomotoras diésel asumieran los servicios de la red electrificada. [50]
Queensland Rail implementó la electrificación en la década de 1980 y utiliza la tecnología más reciente de 25 kV CA , con alrededor de 1000 km de la red de vía estrecha ahora electrificada. Opera una flota de locomotoras eléctricas para transportar carbón para exportación, la más reciente de las cuales es la clase 3300/3400 de 3000 kW (4020 HP) . [51]
Estación de Evian-les-Bains.
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