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 mediante el contacto con una línea aérea . El término surge del parecido 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 pasa a través de los rieles . Otros tipos de colectores de corriente incluyen el colector de arco y el poste trole .
El pantógrafo, con una tira de contacto de grafito reemplazable o " zapata " de baja fricción para minimizar la tensión lateral en el cable de contacto, apareció por primera vez a finales 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 Este de la Bahía 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, los sistemas de ferrocarril eléctrico de todo el mundo utilizaron la misma forma de diamante y Algunos siguen utilizándolo hoy en día.
El pantógrafo supuso una mejora con respecto al simple poste del trole 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 a la desconexión del cable del poste del trole. .
A pesar de esto, la recolección de corriente con postes de trole se utilizó con éxito a velocidades de hasta 140 km/h (90 mph) en los vehículos Electroliner del ferrocarril Chicago North Shore y Milwaukee , también conocida como North Shore Line.
El tipo de pantógrafo más común hoy en día es el llamado medio pantógrafo (a veces en forma de Z), que evolucionó para proporcionar un diseño de un solo brazo más compacto y con mayor capacidad de respuesta a altas velocidades a medida que los trenes se hacían 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 Taurus , operan con ellas en la dirección opuesta. En Europa la geometría y forma de los pantógrafos las especifica 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 cual está suspendido un cable de contacto. El pantógrafo tiene un resorte y empuja una zapata de contacto contra la parte inferior del cable de contacto para extraer la corriente necesaria para hacer funcionar el tren. Los carriles 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 recolección de corriente. Esto significa que en algunos sistemas no se permiten pantógrafos adyacentes.
Los pantógrafos son la tecnología sucesora de los postes de trole , que se utilizaron ampliamente en los primeros sistemas de tranvías. Los trolebuses todavía utilizan postes de trolebús , cuya libertad de movimiento y la necesidad de un circuito de dos cables hacen que los pantógrafos no sean prácticos, y algunas redes de tranvías, como el sistema de tranvías de Toronto , que tienen curvas frecuentes lo suficientemente cerradas como para requerir libertad de movimiento adicional en sus colección actual para garantizar un contacto ininterrumpido. Sin embargo, muchas de estas redes, incluida la de Toronto, están siendo modernizadas para adaptarse 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 carril , permiten el uso de voltajes más altos.
Los pantógrafos suelen funcionar mediante aire comprimido procedente del sistema de frenado 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 posición baja mediante un pestillo. Para los sistemas de alto voltaje, 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 subir y bajar, pero también pueden ser más tolerantes a fallos.
En los ferrocarriles de la antigua URSS , los pantógrafos más utilizados son los de doble brazo ("hechos de dos rombos"), pero, desde finales de los años 1990, 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 trole o pantógrafos de un solo brazo.
La mayoría de los sistemas de tránsito rápido funcionan con un tercer carril , pero algunos utilizan pantógrafos, en particular los que implican un recorrido extenso sobre el suelo. La mayoría de líneas híbridas de metro-tranvía o 'pre-metro' cuyos recorridos incluyen vías en las calles de la ciudad o en otras zonas de acceso público, como (anteriormente) la línea 51 del Metro de Ámsterdam , la Línea Verde MBTA , RTA Rapid Transit en Cleveland, Frankfurt am Main U-Bahn y Muni Metro de San Francisco utilizan cables aéreos, ya que un tercer carril 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 Dubai , que utilizan un sistema subterráneo propio desarrollado por Alstom , llamado APS , que sólo 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 cables aéreos 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 a veces se utilizan como alternativa a los terceros rieles porque los terceros rieles pueden congelarse en ciertas condiciones climáticas invernales. La Línea Azul MBTA utiliza energía de pantógrafo para toda la sección de su ruta que discurre en la superficie, mientras cambia a energía del tercer carril antes de ingresar a la parte subterránea de su ruta. Todos los sistemas de metro de Sydney , Madrid , Barcelona , Shanghai , Hong Kong , Seúl , Kobe , Fukuoka , Sendai , Jaipur , Chennai , Mumbai y Delhi utilizan cables aéreos y pantógrafos (así como algunas líneas de los sistemas de metro de Beijing , 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 empresa operadora de la época, Compagnie du chemin de fer métropolitain de Paris , compró la empresa y reemplazó todo el cableado aéreo con el sistema estándar de tercer carril 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 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 parte 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 pantógrafos en cualquier longitud. Como tal, la línea requería vagones que contaran con pantógrafos y zapatas de tercer carril, y dado que el techo era una parte muy pequeña del sistema, solo unos pocos vagones estarían equipados de esa manera. El cambio se produjo en el paso a nivel en East Prairie, el antiguo sitio de la estación Crawford-East Prairie . Aquí, los trenes con destino a Dempster-Skokie elevaban sus pantógrafos, mientras que los que se dirigían a Howard los bajaban, haciéndolo a gran velocidad en ambos casos. En 2005, debido al costo y las necesidades únicas de mantenimiento de lo que solo representaba una porción muy pequeña del sistema, el sistema aéreo fue retirado y reemplazado con la misma energía del tercer riel que se usó en el resto del sistema, lo que permitió que todos Los vagones de Chicago operarán en la línea. Se retiraron todos los pantógrafos de los coches equipados con Skokie.
Hasta 2010, la línea 1 del metro de Oslo cambió del tercer carril a la línea aérea 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 rieles tienen espacios, pero hay dos zapatas de contacto.
En algunos sistemas que utilizan alimentación trifásica , las locomotoras y los vagones motores tienen dos pantógrafos con el circuito de tercera fase proporcionado por los carriles de rodadura. En 1901, una instalación experimental de alta velocidad, otro diseño de Walter Reichel en Siemens & Halske, utilizaba 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 carguen desde arriba, la catenaria podrá desplazarse para permitirlo; A continuación, los pantógrafos se montan en ángulo con la vertical. [18]
El contacto entre un pantógrafo y una catenaria suele estar asegurado mediante un bloque de grafito . Este material conduce la electricidad mientras actúa como lubricante . Como el grafito es quebradizo, pueden desprenderse trozos durante el funcionamiento. Los pantógrafos defectuosos pueden agarrar 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 evitarlo, se puede utilizar una estación de monitorización de pantógrafo . 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 provocar una formación de arco excesiva y una eventual falla. [19]
En Reino Unido, los pantógrafos ( Brecknell Willis y Stone Faiveley ) de los vehículos se elevan mediante la presión del aire y los "carbonos" de contacto del grafito crean una galería de aire en el cabezal del pantógrafo que libera el aire si se pierde una tira de grafito, activando la caída automática. dispositivo y bajar el pantógrafo para evitar daños. Las unidades de tracción eléctrica más nuevas pueden utilizar métodos más sofisticados que detectan las perturbaciones causadas por la formación de arcos 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 de ellos está dañado; un ejemplo de esta situación sería un Pendolino Clase 390 . El pantógrafo trasero en relación con la dirección de la marcha se utiliza a menudo para evitar dañar ambos pantógrafos en caso de enredos: si se utilizara el pantógrafo delantero, los restos de un enredo podrían causar daños al pantógrafo trasero, dejando inoperables ambos pantógrafos y el vehículo. .
El dispositivo de caída automática (ADD) es un dispositivo de seguridad que baja automáticamente el pantógrafo de los trenes eléctricos para evitar accidentes en caso de obstrucciones o emergencias. [20] [21] También se le conoce como dispositivo de descenso de pantógrafo . [22] El dispositivo de descenso automático es obligatorio para trenes con velocidades operativas de 160 km/h o superiores. En caso contrario, los operadores de trenes son libres de instalar estos dispositivos. Los daños que provocan la caída del pantógrafo pueden incluir el cabezal de tira, el cabezal del pantógrafo y otras piezas. 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 interior del tubo de aire.
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