Locomotora electrica

Una locomotora eléctrica es una locomotora alimentada por electricidad procedente de líneas aéreas, un tercer carril o un almacenamiento de energía a bordo, como una batería o un supercondensador. Las locomotoras con propulsores alimentados a bordo, como motores diésel o turbinas de gas, se clasifican como diésel-eléctricas o turbinas de gas-eléctricas y no como locomotoras eléctricas, porque la combinación de generador eléctrico y motor sólo 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 electricidad). Se puede obtener una eficiencia adicional con el frenado regenerativo, que permite recuperar energía cinética durante el frenado para devolver la potencia a la línea. Las locomotoras eléctricas más nuevas utilizan sistemas de accionamiento de motor inversor de CA que proporcionan frenado regenerativo. Las locomotoras eléctricas son silenciosas en comparación con las locomotoras diésel, ya que no hay ruido del motor ni del escape y menos ruido mecánico. La falta de piezas alternativas 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 una sobretensión de corto plazo aún mayor para una aceleración rápida. Las locomotoras eléctricas son ideales para el servicio de trenes de cercanías con paradas frecuentes. Las locomotoras eléctricas se utilizan en rutas de mercancías con un volumen de tráfico constantemente elevado o en zonas 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 renovables o con bajas emisiones de carbono, incluida la energía geotérmica, la energía hidroeléctrica, la biomasa, la energía solar, la energía nuclear y las turbinas eólicas. Las locomotoras eléctricas suelen costar un 20% menos que las diésel, sus costes de mantenimiento son entre un 25 y un 35% más bajos y su funcionamiento cuesta hasta un 50% menos.

La principal desventaja de la electrificación es el alto coste de la infraestructura: líneas aéreas o tercer carril, subestaciones y sistemas de control. La política pública en Estados Unidos interfiere con la electrificación: se imponen impuestos a la propiedad más altos a las instalaciones ferroviarias de propiedad privada si están electrificadas. La EPA regula las emisiones de escape de motores marinos y de locomotoras, de manera similar a las regulaciones aplicables a automóviles y vehículos. emisiones de camiones de carga, con el fin de limitar la cantidad de monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados, óxidos nítricos y hollín producidos por estas fuentes de energía móviles. Dado que la infraestructura ferroviaria en Estados Unidos es de propiedad privada, 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. Los operadores del material rodante pagan tarifas en función del uso del ferrocarril. Esto hace posible las grandes inversiones necesarias para una electrificación técnicamente y, a largo plazo, también económicamente ventajosa.

Historia

Corriente continua

La primera locomotora eléctrica conocida fue construida en 1837 por el químico Robert Davidson de Aberdeen y funcionaba con celdas galvánicas (baterías). Más tarde, Davidson construyó una locomotora más grande llamada Galvani, expuesta en la Exposición de la Real Sociedad Escocesa de las Artes 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 sencillos. Arrastró 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 destruido por los trabajadores ferroviarios, que lo vieron como una amenaza a su seguridad laboral.

El primer tren eléctrico de pasajeros fue presentado por Werner von Siemens en Berlín en 1879. La locomotora estaba propulsada 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 largo. La electricidad (150 V CC) se suministraba a través de un tercer carril aislado entre las vías. Se utilizó un rodillo de contacto para recoger la electricidad.

La primera línea de tranvía eléctrico del mundo se inauguró en Lichterfelde, cerca de Berlín, Alemania, en 1881. Fue construida por Werner von Siemens (ver Gross-Lichterfelde Tramway y Berlin Straßenbahn). El ferrocarril eléctrico de Volk se inauguró en 1883 en Brighton. También en 1883 se inauguraron los tranvías de Mödling y Hinterbrühl cerca de Viena, en Austria. Fue el primero del mundo en servicio regular alimentado desde línea aérea. Cinco años más tarde, en los EE. UU., los carros eléctricos fueron pioneros en 1888 en el Richmond Union Passenger Railway, utilizando equipos diseñados por Frank J. Sprague.

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).

Gran parte del desarrollo inicial de la locomoción eléctrica fue impulsado por el uso cada vez mayor de túneles, particularmente en áreas urbanas. El humo de las locomotoras de vapor era nocivo y los municipios se inclinaban cada vez más a prohibir su uso dentro de sus límites. La primera línea de metro operada eléctricamente fue la City and South London Railway, impulsada por una cláusula en su ley habilitante que prohibía el uso de energía de vapor. Se inauguró en 1890 y utilizó locomotoras eléctricas construidas por Mather y Platt. La electricidad se convirtió rápidamente en el suministro de energía preferido para los metros, instigado 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 una ordenanza los obligó a convertirlos.

El primer uso de electrificación en una línea principal estadounidense fue en un tramo de cuatro millas de la línea Baltimore Belt Line del ferrocarril de Baltimore y Ohio (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 límites del centro de Baltimore. Las vías paralelas del 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 del tramo electrificado; Se acoplaron a la locomotora y al tren y lo arrastraron a través de los túneles. Las entradas de ferrocarril a la ciudad de Nueva York requerían túneles similares y los problemas de humo eran más graves 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 operar en 1904 en el Ferrocarril Central de Nueva York. En la década de 1930, el Ferrocarril de Pensilvania, 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 de 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. Algunas costas este, en particular, el Virginian Railway y el Norfolk and Western Railway, electrificaron tramos cortos de sus cruces de montaña. Sin embargo, en ese momento la electrificación en Estados Unidos estaba más asociada con un tráfico urbano denso y el uso de locomotoras eléctricas disminuyó ante la dieselización. El diésel compartió algunas de las ventajas de las locomotoras eléctricas sobre las de vapor y el costo de construcción y mantenimiento de la infraestructura de suministro de energía, que desalentó nuevas instalaciones, provocó la eliminación de la mayor parte de la electrificación de las líneas principales fuera del noreste. Excepto por unos pocos sistemas cautivos (por ejemplo, el Deseret Power Railroad), en 2000 la electrificación se limitó al Corredor Noreste y a algunos servicios de cercanías; Incluso allí, el servicio de carga se realizaba con diésel. El desarrollo continuó en Europa, donde la electrificación estaba generalizada. En algunas líneas cercanas a Francia todavía se utilizan 1.500 V CC y en los trenes de alta velocidad se utiliza 25 kV 50 Hz.

Corriente alterna

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, utilizando CA trifásica, entre una planta hidroeléctrica en Lauffen am Neckar y 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 corriente continua y, debido a la ausencia de un conmutador, eran más sencillos de fabricar. y mantener. Sin embargo, eran mucho más grandes que los motores de corriente continua de la época y no podían montarse en bogies bajo el suelo: sólo podían transportarse dentro de las locomotoras. 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 CV) accionados por corriente trifásica de 750 V y 40 Hz alimentados por líneas aéreas dobles. Los motores trifásicos funcionan a velocidad constante y proporcionan frenado regenerativo, por lo que son muy adecuados para rutas con pendientes pronunciadas; En 1899, Brown (entonces asociado con Walter Boveri) suministró las primeras locomotoras trifásicas de línea principal al ferrocarril Burgdorf-Thun de 40 km (punto más alto a 770 metros), Suiza. La primera implementación de suministro de CA monofásico 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 utilizaban transformadores y convertidores rotativos para alimentar motores de tracción de CC.

En 1894, el ingeniero húngaro Kálmán Kandó desarrolló un nuevo tipo de motores y generadores eléctricos asíncronos trifásicos para locomotoras eléctricas en la empresa Fives-Lille. Los diseños de Kandó de principios de 1894 se aplicaron por primera vez en un tranvía corto de CA trifásico en Évian-les-Bains (Francia), que se construyó entre 1896 y 1898. En 1918, 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 único cable aéreo, transportando la CA monofásica de frecuencia industrial simple (50 Hz) de las redes nacionales de alto voltaje.

Los ferrocarriles italianos fueron los primeros en el mundo en introducir la 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. El sistema eléctrico fue trifásico a 3 kV 15 Hz. El voltaje era significativamente mayor que el utilizado anteriormente y requirió nuevos diseños para motores eléctricos y dispositivos de conmutación. El sistema trifásico de dos hilos se utilizó en varios ferrocarriles del norte de Italia y pasó a ser conocido como "el sistema italiano". Kandó fue invitado en 1905 a asumir la dirección de la Società Italiana Westinghouse y dirigió el desarrollo de varias locomotoras eléctricas italianas. Durante el período de electrificación de los ferrocarriles italianos, se hicieron pruebas sobre qué tipo de energía utilizar: en algunos tramos había una tensión de 3.600 V 16+2⁄3 Fuente de alimentación trifásica Hz, en otros hay fue de 1.500 V CC, 3 kV CC y 10 kV CA 45 Hz. Después de la Segunda Guerra Mundial, se eligió una potencia de 3 kV CC para todo el sistema ferroviario italiano.

Un desarrollo posterior de Kandó, en colaboración con Ganz Works y Societa Italiana Westinghouse, fue un convertidor electromecánico que permitía el uso de motores trifásicos a partir de CA monofásicos, eliminando la necesidad de dos cables aéreos. En 1923 se construyó la primera locomotora con convertidor de fase en Hungría basándose en los diseños de Kandó y poco después comenzó la producción en serie. La primera instalación, a 16 kV 50 Hz, se realizó en 1932 en el tramo de 56 km de los ferrocarriles estatales húngaros entre Budapest y Komárom. Esto tuvo éxito y la electrificación se extendió a Hegyeshalom en 1934.

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 daban más tracción en las líneas más empinadas. Esto fue especialmente aplicable en Suiza, donde casi todas las líneas están electrificadas. Una contribución importante a la adopción más amplia de la tracción AC 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 escarpado valle de Höllental, en Alemania, que después de la guerra estaba bajo administración francesa. Tras las pruebas, la empresa decidió que las prestaciones de las locomotoras de CA estaban lo suficientemente desarrolladas como para permitir que todas sus futuras instalaciones, independientemente del terreno, fueran de este estándar, con su asociada infraestructura más económica y eficiente. La decisión de la SNCF, ignorando los 3.200 kilómetros de corriente continua de alto voltaje ya instalados en las rutas francesas, influyó en la norma seleccionada para otros países de Europa.

La década de 1960 vio la electrificación de muchas líneas principales europeas. La tecnología europea de locomotoras eléctricas había mejorado constantemente desde la década de 1920 en adelante. En comparación, el Milwaukee Road clase EP-2 (1918) pesaba 240 t, con una potencia de 3.330 kW y una velocidad máxima de 112 km/h; En 1935, el E 18 alemán tenía una potencia de 2.800 kW, pero pesaba sólo 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 Clase Dm 3 de los ferrocarriles suecos produjeron un récord de 7.200 kW. En el mismo período aparecieron en Alemania y Francia locomotoras capaces de realizar servicios comerciales de pasajeros a 200 km/h. Otras mejoras resultaron de la introducción de sistemas de control electrónico, que permitieron el uso de motores cada vez más ligeros y potentes que podían instalarse dentro de los bogies (estandarizándose a partir de la década de 1990 en motores trifásicos asíncronos, alimentados a través de inversores GTO).

En la década de 1980, el desarrollo del servicio 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 continuaron construyendo nuevos sistemas de trenes ligeros eléctricos.

El 2 de septiembre de 2006, una locomotora eléctrica Siemens de serie Eurosprinter tipo ES64-U4 (ÖBB Clase 1216) alcanzó 357 km/h (222 mph), el récord para un tren arrastrado por locomotoras, en la nueva línea entre Ingolstadt y Núremberg. Actualmente, la ÖBB utiliza esta locomotora prácticamente sin modificaciones para transportar su Railjet, aunque por cuestiones económicas y de infraestructura está limitada a una velocidad máxima de 230 km/h.

Tipos

Una locomotora eléctrica puede recibir energía de

• Sistemas de almacenamiento de energía recargables, como una batería o locomotoras de minería ultracapacitadas.
• Una fuente estacionaria, como un tercer tren o un cable superior.

Las características de diseño distintivas de las locomotoras eléctricas son:

• El tipo de energía eléctrica utilizada, AC o DC.
• El método de almacenamiento (baterías, ultracapacitadores) o recogida (transmisión) de energía eléctrica.
• Los medios utilizados para acoplar los motores de tracción a las ruedas de conducción (reductores).

Corriente continua y alterna

La diferencia más fundamental radica en la elección de CA o CC. Los primeros sistemas utilizaban CC, ya que la CA no se entendía bien y no se disponía de material aislante para líneas de alto voltaje. Las locomotoras de CC suelen funcionar con un voltaje relativamente bajo (600 a 3000 voltios); Por lo tanto, el equipo es relativamente grande porque las corrientes involucradas son grandes para transmitir suficiente potencia. La energía debe suministrarse a intervalos frecuentes ya que las altas corrientes provocan grandes pérdidas en el sistema de transmisión.

A medida que se desarrollaron los motores de CA, se convirtieron en el tipo predominante, especialmente en rutas más largas. Se utilizan voltajes altos (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, dos veces la corriente significa cuatro veces la pérdida). Por tanto, se puede conducir alta potencia a largas distancias mediante cables más ligeros y baratos. Los transformadores de las locomotoras transforman esta potencia en bajo voltaje y alta corriente para los motores. No se podría emplear un sistema similar de alto voltaje y baja corriente con locomotoras de corriente continua porque no existe una manera fácil de realizar la transformación de voltaje/corriente para CC de manera tan eficiente como la que se logra con los transformadores de CA.

La tracción de CA todavía utiliza ocasionalmente cables aéreos duales en lugar de líneas monofásicas. La corriente trifásica resultante acciona motores de inducción, que no tienen conmutadores sensibles y permiten realizar fácilmente un freno regenerativo. La velocidad se controla cambiando el número de pares de polos en el circuito del estator, y la aceleración se controla cambiando 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. El sistema se utilizó ampliamente en el norte de Italia hasta 1976 y todavía se utiliza en algunos cremalleras suizos. La sencilla viabilidad de un freno eléctrico de seguridad es una ventaja del sistema, mientras que el control de velocidad y las líneas bifásicas son problemáticas.

Las locomotoras rectificadoras, que utilizaban transmisión de energía de CA y motores de CC, eran comunes, aunque los conmutadores de CC tenían problemas tanto en el arranque como a bajas velocidades. Las locomotoras eléctricas avanzadas de hoy utilizan motores de inducción de CA trifásicos sin escobillas. Estas máquinas polifásicas funcionan con inversores basados en GTO, IGCT o IGBT. El coste de los dispositivos electrónicos en una locomotora moderna puede llegar hasta el 50% del coste 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 descendentes pueden producir una gran parte de la potencia necesaria para los trenes ascendentes. La mayoría de los sistemas tienen un voltaje característico y, en el caso de la alimentación de CA, una frecuencia del sistema. Muchas locomotoras han sido equipadas para manejar múltiples voltajes y frecuencias a medida que los sistemas se superponían o se actualizaban. Las locomotoras americanas 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, muchos sistemas de CC todavía se utilizan, por ejemplo, en Sudáfrica y el Reino Unido (750 V y 1500 V); Países Bajos, Japón, Irlanda (1.500 V); Eslovenia, Bélgica, Italia, Polonia, Rusia, España (3.000 V) y Washington, D.C. (750 V).

Transmisión de potencia

Los circuitos eléctricos requieren dos conexiones (o para CA trifásica, tres conexiones). Desde el principio la pista se utilizó para un lado del circuito. A diferencia de los modelos de ferrocarril, la vía normalmente suministra solo un lado, mientras que el otro lado del circuito se proporciona por separado.

Líneas aéreas

Los ferrocarriles generalmente tienden a preferir las líneas aéreas, a menudo llamadas "catenarias" después del sistema de soporte utilizado para sujetar el cable paralelo al suelo. Son posibles tres métodos de recogida:

• Trolley pole: un poste flexible largo, que involucra la línea con una rueda o un zapato.
• Coleccionista de arco: un marco que sostiene una varilla de coleccionamiento larga contra el alambre.
• Pantógrafo: un bastidor de bisagra que sostiene los zapatos coleccionistas contra el alambre en una geometría fija.

De los tres, el método del pantógrafo es el más adecuado para operaciones a alta velocidad. Algunas locomotoras utilizan recogida aérea y de tercer carril (por ejemplo, British Rail Class 92). En Europa, la geometría y forma recomendadas de los pantógrafos están definidas por la norma EN 50367/IEC 60486.

Tercer carril

La electrificación original del ferrocarril de Baltimore y Ohio utilizó una pastilla deslizante (una zapata de contacto o simplemente la "zapata") en un canal elevado, un sistema que rápidamente resultó insatisfactorio. Fue reemplazado por un tercer riel, en el que una camioneta viaja debajo o encima de un riel más pequeño paralelo a la vía principal, sobre el nivel del suelo. Hay varios recolectores a ambos lados de la locomotora para acomodar las pausas en el tercer carril requeridas por las vías. Este sistema es el preferido en el metro debido a las estrechas distancias que ofrece.

Conducir las ruedas

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 utilizaban a menudo transmisiones por eje intermedio. En esta disposición, el motor de tracción está montado dentro del cuerpo de la locomotora y acciona el eje secundario 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 sobre 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 para las más pequeñas, cuando se desarrollaron motores más pequeños y livianos.

Se idearon varios otros sistemas a medida que la locomotora eléctrica maduraba. La propulsión Buchli era un sistema totalmente accionado por resortes, en el que el peso de los motores motrices estaba completamente desconectado de las ruedas motrices. Utilizado por primera vez en locomotoras eléctricas a partir de la década de 1920, el accionamiento Buchli fue utilizado principalmente por la SNCF francesa y los Ferrocarriles Federales Suizos. La transmisión de caña también se desarrolló en esta época y montaba el motor de tracción 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 manera flexible al eje motriz. La locomotora GG1 del Ferrocarril de Pensilvania utilizaba un accionamiento de pluma. Una vez más, a medida que los motores de tracción continuaron reduciéndose en tamaño y peso, las transmisiones de pluma gradualmente fueron perdiendo popularidad en las locomotoras de carga de baja velocidad. En las locomotoras de pasajeros de alta velocidad utilizadas en Europa, el accionamiento por pluma sigue predominando.

Otro impulso fue el "bipolar" sistema, en el que la armadura del motor era el propio eje, estando el bastidor y el conjunto de campo del motor unidos al camión (bogie) en una posición fija. El motor tenía dos polos de campo, lo que permitía un movimiento vertical limitado de la armadura. Este sistema tenía un valor limitado ya que la potencia de salida de cada motor era limitada. La electricidad bipolar EP-2 utilizada por Milwaukee Road compensó este problema utilizando una gran cantidad de ejes motores.

Las locomotoras eléctricas de carga modernas, al igual que sus homólogas diésel-eléctricas, utilizan casi universalmente motores de tracción suspendidos, con un motor para cada eje propulsor. En esta disposición, un lado de la carcasa del motor está sostenido por cojinetes lisos que se desplazan sobre un muñón rectificado y pulido que es integral al eje. El otro lado de la carcasa tiene una protuberancia en forma de lengüeta que encaja en una ranura correspondiente en el soporte del camión (bogie), siendo su propósito actuar como un dispositivo de reacción de torsión, además de soporte. La transferencia de potencia del motor al eje se efectúa mediante un engranaje recto, en el que un piñón en el eje del motor engrana un engranaje giratorio 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 dicta la relación de transmisión empleada. Las relaciones numéricamente altas se encuentran comúnmente en unidades de carga, mientras que las relaciones numéricamente bajas son típicas de los motores de pasajeros.

Disposiciones de las ruedas

El sistema de notación Whyte para clasificar locomotoras de vapor no es adecuado para describir la variedad de disposiciones de 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 4-6-0 clase G acopladas espalda con espalda.

El sistema de clasificación UIC se usaba típicamente para locomotoras eléctricas, ya que podía manejar las complejas disposiciones de ejes propulsados y no propulsados y podía distinguir entre sistemas de propulsión acoplados y desacoplados.

Locomotora de batería

Una locomotora eléctrica de batería (o locomotora de batería) funciona con baterías a bordo; una especie de vehículo eléctrico de batería.

Estas locomotoras se utilizan cuando una locomotora diésel o eléctrica convencional no sería adecuada. 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 de productos químicos) donde una locomotora de combustión (es decir, de 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 se prefieren para ferrocarriles mineros donde el gas podría encenderse mediante unidades accionadas por carros que forman arcos en las zapatas colectoras, o donde podría desarrollarse resistencia eléctrica en los circuitos de suministro o retorno, especialmente en las uniones de los rieles, y permitir una fuga de corriente peligrosa al suelo.

La primera locomotora eléctrica construida en 1837 fue una locomotora de batería. Fue construido por el químico Robert Davidson de Aberdeen, Escocia, y funcionaba con celdas galvánicas (baterías). Otro ejemplo temprano fue en la mina de cobre Kennecott, Latouche, Alaska, donde en 1917 se ampliaron las vías de transporte subterráneas para permitir el trabajo con dos locomotoras de batería de 4+1⁄2 toneladas cortas (4,0 toneladas largas; 4,1 t). En 1928, Kennecott Copper encargó 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 de trole aéreo de 750 voltios con un alcance considerable mientras funcionaban con baterías. Las locomotoras brindaron varias décadas de servicio utilizando tecnología de baterías 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. Los demás se pueden ver en Boone and Scenic Valley Railroad, Iowa, y en el Western Railway Museum en Rio Vista, California.

La Comisión de Tránsito de Toronto operó anteriormente en el metro de Toronto una locomotora eléctrica de batería construida por Nippon Sharyo en 1968 y retirada en 2009.

El Metro de Londres opera regularmente locomotoras eléctricas de batería para trabajos de mantenimiento general.

A partir de 2022, las líneas ferroviarias han encargado locomotoras de batería con 7 y 14 MWh de capacidad energética y están en desarrollo.

Almacenamiento de energía con supercondensador

En 2020, Zhuzhou Electric Locomotive Company, fabricantes de sistemas de energía eléctrica almacenada que utilizan supercondensadores desarrollados inicialmente para su uso en tranvías, anunciaron que estaban ampliando su línea de productos para incluir locomotoras.

Locomotoras eléctricas en todo el mundo

Europa

La electrificación está muy extendida en Europa, y las unidades eléctricas múltiples se utilizan habitualmente en los trenes de pasajeros. Debido a los horarios de mayor densidad, los costos operativos son más dominantes con respecto a los costos de infraestructura que en los EE. UU. y las locomotoras eléctricas tienen costos operativos mucho más bajos que los diésel. Además, los gobiernos se vieron motivados a electrificar sus redes ferroviarias debido a la escasez de carbón experimentada durante la Primera y Segunda Guerra Mundial.

Las locomotoras diésel tienen menos potencia en comparación con las locomotoras eléctricas para el mismo peso y dimensiones. Por ejemplo, los 2.200 kW de una moderna locomotora diésel British Rail Class 66 fueron igualados en 1927 por la eléctrica SBB-CFF-FFS Ae 4/7 (2.300 kW), que es más ligera. Sin embargo, a bajas velocidades, el esfuerzo de tracción es más importante que la potencia. Los motores diésel pueden ser competitivos para el tráfico de mercancías lento (como es común en Canadá y Estados Unidos), 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 las maniobras eléctricas son comunes y muchas vías privadas cuentan con locomotoras eléctricas. Durante la Segunda Guerra Mundial, cuando no se disponía de materiales para construir nuevas locomotoras eléctricas, los Ferrocarriles Federales Suizos instalaron elementos calefactores eléctricos en las calderas de algunas máquinas de vapor, alimentados desde el suministro aéreo, para hacer frente a la escasez de carbón importado.

Los recientes acontecimientos políticos en muchos países europeos para mejorar el transporte público han dado lugar a otro impulso para la tracción eléctrica. Además, se cierran 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 brindan transporte público y también hay varias clases de locomotoras eléctricas, como: Clase 76, Clase 86, Clase 87, Clase 90, Clase 91 y Clase 92.

Rusia y la antigua URSS

Rusia y otros países de la antigua Unión Soviética tienen una combinación de 3000 V CC y 25 kV CA por razones históricas.

Las "estaciones de cruce" (alrededor de 15 en la antigua URSS: Vladimir, Mariinsk cerca de Krasnoyarsk, etc.) tienen cableado conmutable de CC a CA. La sustitución de locomotoras es imprescindible en estas estaciones y se realiza junto con la conmutación del cableado de contactos.

La mayoría de las locomotoras soviéticas, checas (la URSS encargó locomotoras eléctricas de pasajeros a Škoda), rusas y ucranianas pueden funcionar únicamente con CA o CC. Por ejemplo, la VL80 es una máquina de CA, mientras que la VL10 es una versión de CC. Había algunas series pequeñas semiexperimentales como VL82, que podían cambiar de CA a CC y se usaban en pequeñas cantidades en la ciudad de Kharkiv en Ucrania. Además, la última locomotora rusa de pasajeros EP10 es de sistema dual.

Históricamente, se utilizaban 3000 V CC por simplicidad. La primera vía experimental se realizó en las montañas de Georgia, luego se electrificaron las zonas suburbanas de las ciudades más grandes para las UEM, lo que resulta muy ventajoso debido a la dinámica mucho mejor de un tren de este tipo en comparación con uno de vapor, lo cual es importante para el servicio suburbano con paradas frecuentes.. Luego se electrificó la gran línea montañosa entre Ufa y Chelyabinsk.

Durante algún tiempo, los ferrocarriles eléctricos solo se consideraron adecuados para líneas suburbanas o de montaña. Alrededor de 1950, se tomó la decisión (según la leyenda, por Joseph Stalin) de electrificar la muy cargada línea de pradera de Omsk-Novosibirsk. Después de esto, la electrificación de los principales ferrocarriles a 3.000 V CC se convirtió en algo habitual.

25 kV CA comenzó en la URSS alrededor de 1960, cuando la industria logró construir la locomotora con motor CC con cable de CA basada en rectificador (todas las locomotoras de CA soviéticas y checas eran tales; solo las post-soviéticas cambiaron a controladas electrónicamente). motores de inducción). La primera línea importante con corriente alterna fue Mariinsk-Krasnoyarsk-Tayshet-Zima; Siguieron las líneas en la Rusia europea como Moscú-Rostov-on-Don.

En la década de 1990, algunas líneas de CC se reconstruyeron como CA para permitir el uso de la enorme locomotora de CA de 10 MW VL85. La línea alrededor de Irkutsk es una de ellas. Las locomotoras DC liberadas gracias a esta reconstrucción fueron trasladadas a la región de San Petersburgo.

El Ferrocarril Transiberiano ha estado electrificado parcialmente desde 1929, en su totalidad desde 2002. El sistema es de 25 kV CA 50 Hz después de la estación de cruce de Mariinsk, cerca de Krasnoyarsk, 3000 V CC antes, y los trenes pesan hasta 6000 toneladas..

América del Norte

Canadá

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 se utilizaban en Canadá incluyen St. Clair Tunnel Co. Boxcab Electric, CN Boxcab Electric y GMD GF6C. Exo en Montreal operó locomotoras electrodiésel de modo dual ALP-45DP para permitir que las locomotoras atraviesen el túnel Mount Royal mal ventilado. Las locomotoras circulan 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 de Ahuntsic. Las locomotoras funcionarán en modo diésel durante el resto de la línea Mascouche y a lo largo de otras tres líneas no electrificadas. 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.

Al igual que en Estados Unidos, la flexibilidad de las locomotoras diésel y el costo relativamente bajo de su infraestructura las ha llevado a prevalecer excepto cuando restricciones legales u operativas dictan el uso de electricidad. Lo que lleva a una infraestructura ferroviaria eléctrica limitada y, por extensión, a locomotoras eléctricas que operan hoy en Canadá. A partir de 2021, en la actualidad solo existe un ejemplo: las locomotoras eléctricas GMD SW1200MG operadas por Iron Ore Company de Canadá para un pequeño ferrocarril aislado que transporta mineral en bruto desde su mina Carol Lake hasta una planta de procesamiento.

En el futuro, GO Transit de Toronto planea operar una flota de nuevas locomotoras eléctricas como parte de su iniciativa Regional Express Rail. También se está estudiando la viabilidad de utilizar locomotoras con pilas de combustible de hidrógeno.

Estados Unidos

Las locomotoras eléctricas se utilizan para trenes de pasajeros en el corredor noreste de Amtrak entre Washington, DC y Boston, con un ramal a Harrisburg, Pensilvania, y en algunas líneas de trenes de cercanías. Los sistemas de transporte masivo y otras líneas de cercanías electrificadas utilizan unidades eléctricas múltiples, donde cada automóvil funciona. Todos los demás servicios de pasajeros de larga distancia y, salvo raras excepciones, toda la carga se transportan mediante locomotoras diésel-eléctricas.

En América del Norte, la flexibilidad de las locomotoras diésel y el costo relativamente bajo de su infraestructura las han llevado a prevalecer excepto donde 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 noreste. El corredor New Jersey Transit New York utiliza locomotoras eléctricas ALP-46, debido a la prohibición del funcionamiento 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 operar con energía del tercer carril en los túneles y la estación.

Durante la era del vapor, algunas zonas montañosas estaban electrificadas, pero ya no se utilizan. El cruce entre el territorio electrificado y el no electrificado es el lugar de los cambios de motor; por ejemplo, los trenes de Amtrak tuvieron paradas prolongadas en New Haven, Connecticut, cuando se intercambiaron locomotoras, un retraso que contribuyó a la decisión de electrificar el segmento de New Haven a Boston del Corredor Noreste en 2000.

Asia

China

China tiene más de 100.000 kilómetros (62.000 mi) de ferrocarriles electrificados. La mayoría de los trenes de carga y de pasajeros de larga distancia de las líneas troncales funcionan con locomotoras eléctricas de alta potencia, normalmente con más de 7200 kilovatios (9700 hp) de potencia de salida. La carga pesada se transporta con locomotoras multisección de altísima potencia, que alcanzan hasta 28.800 kilovatios (38.600 hp) en el tren "Shen 24". Serie de locomotoras eléctricas de seis tramos.

India

Todas las rutas electrificadas principales de la India utilizan electrificación aérea de 25 kV CA a 50 Hz. En marzo de 2017, los Ferrocarriles de la India transportaban el 85% del tráfico de mercancías y pasajeros con locomotoras eléctricas y se habían electrificado 45.881 kilómetros de líneas ferroviarias.

Japón

Japón ha estado cerca de completar la electrificación en gran parte debido a las distancias relativamente cortas y el terreno montañoso, que hacen del servicio eléctrico una inversión particularmente económica. Además, la combinación de servicios de carga y pasajeros se inclina mucho más 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 UEM a las locomotoras eléctricas. La gran mayoría del servicio eléctrico de pasajeros en Japón se opera con EMU, lo que relega las locomotoras eléctricas a servicios de carga y servicios selectos de larga distancia.

Australia

Los Ferrocarriles de Victoria y los Ferrocarriles del Gobierno de Nueva Gales del Sur, que fueron pioneros en la tracción eléctrica en Australia a principios del siglo XX y continúan operando unidades eléctricas múltiples de 1500 V CC, han retirado sus locomotoras eléctricas.

En ambos estados federados, el uso de locomotoras eléctricas en las principales rutas interurbanas resultó ser un éxito calificado. En Victoria, debido a que solo se electrificó la línea Gippsland, las ventajas económicas de la tracción eléctrica no se aprovecharon plenamente debido a la necesidad de cambiar locomotoras por trenes que circulaban más allá de la red electrificada. La clase L de Victorian Railways se retiró del servicio en 1987 y la electrificación de la línea Gippsland se desmanteló en 2004.

Las locomotoras de la 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 aplicados por la electricidad, hicieron que el diésel Las locomotoras se hacen cargo de los servicios de la red electrificada.

Queensland Rail implementó la electrificación en la década de 1980 y utiliza la tecnología más reciente de 25 kV CA, con alrededor de 1.000 km de red de vía estrecha ahora electrificados. Opera una flota de locomotoras eléctricas para transportar carbón para exportación, la más reciente de las cuales es la clase 3300/3400 de 3.000 kW (4.020 HP).