Locomotivă electrică

Locomotiva electrică este o mașină dotată cu motoare electrice , potrivită pentru tractarea vehiculelor pentru transportul de mărfuri sau persoane pe linia de cale ferată .

Istorie

Prima locomotivă Siemens din 1879

Locomotivă Milwaukee Road Class EP-3 la 3.000 volți, curent continuu, din 1919

Cea mai veche locomotivă italiană cu 4.000 de volți, curent continuu (1921)

Primele experimente pentru aplicarea forței motrice de electricitate pe o mașină pentru tractarea vehiculelor datează de la mijlocul anilor cincizeci ai secolului al XIX-lea . Scoțianul Robert Davidson din Aberdeen construise o locomotivă alimentată cu baterii, numită „ Galvani ”, care a fost expusă la Royal Scottish Society of Arts Exhibition în 1841. Testată în anul următor pe calea ferată Edinburgh-Glasgow , însă și-a arătat limitele datorită tocmai razei de rulare reduse. ^[1]

Prima locomotivă electrică , care datează din 1879 și era un curent continuu alimentat de o a treia șină, se datorează lui Werner von Siemens care a prezentat la Expoziția de la Berlin un fel de tren în miniatură format dintr-o locomotivă și trei vehicule de călători care în curs de 4 luni a transportat aproximativ 90.000 de persoane pe un traseu circular de aproximativ 300 m la o viteză maximă de 13 km / h ^[2] ; locomotiva a fost echipată cu un motor electric cu curent continuu cu o putere de 2,2 kW; curentul a fost extras dintr-o a treia șină centrală și a fost generat de o dinamă centrală mică. Succesul experimentului a condus, în 1881 , la construirea primei linii de tramvai electric în Lichterfelde lângă Berlin; constructorul responsabil a fost Werner von Siemens care, în aceiași ani prin intermediul companiei Siemens & Halske , a furnizat locomotive similare celei din Berlin și pentru mina Zaukeroda, în Saxonia Inferioară , și pentru transportul vagoanelor de cărbune în uzina industrială de către Cottbus ^[3] .

Primele evoluții ale noului tip de tracțiune au fost, prin urmare, mai ales în sectorul tramvaielor și pentru funcționarea pe căile ferate mici, deoarece dificultățile de construcție datorate izolării conductoarelor și a echipamentelor electrice au împiedicat utilizarea tensiunilor ridicate și, prin urmare, a motoarelor. . În Marea Britanie , prima cale ferată electrică s-a născut la Brighton în 1883 . În Statele Unite, experimentele lui Frank J. Sprague au condus la primele linii electrice de tramvai ale Richmond Union Passenger Railway în următorii ani.

Prima locomotivă feroviară cu tracțiune electrică reală, capabilă să înlocuiască pe deplin cea cu abur, a fost locomotiva trifazată cu curent alternativ la 3600 volți și 15 Hz, construită în 1902 în numele Rețelei Adriatice Italiene pentru utilizare pe linia Valtellina din atelierele maghiare. Ganz (pentru partea electrică) și de maghiarul MÁVAG (pentru partea mecanică), pe atunci una dintre cele mai avansate fabrici din lume în sectorul electric al căilor ferate, proiectat de genialul inginer maghiar Kálmán Kandó . Locomotiva menționată, RA 34 reprezintă primul exemplu real din lumea unui motor electric de cale ferată. ^[4]

Cu toate acestea, în primele zile și în primele decenii ale secolului al XX-lea , locomotivele electrice au fost utilizate în esență în cele mai solicitante cazuri de funcționare, cum ar fi secțiuni cu tuneluri lungi și rampe puternice, unde tracțiunea cu abur și-a avut limitele. Primele locomotive electrice cu curent continuu de 3.000 volți s-au născut în jurul anului 1915 în Statele Unite cu linie aeriană electrică și dispozitive de colectare, în timp ce în Italia prima locomotivă electrică cu curent continuu (4.000 V) a intrat în funcțiune la 6 octombrie 1920 ^[5] pe Torino-Ceres cale ferată . ^[6]

În primele decenii ale secolului trecut, alegerea, starea de stat, a sistemului de alimentare cu energie a avut loc: în timp ce în Italia , accentul a fost inițial pe trei - faza la 3.600 de volți la frecvență joasă (16,7 Hz) (și numai în pragul celui de-al doilea război mondial, cei 10.000 de volți la 45 Hz au fost testați cu succes, dar fără continuare) și din 1928 a fost trecut la curent continuu la 3.000 de volți, celelalte țări din Europa s-au împărțit între 1.500 de volți și curentul continuu al Franței și 15.000 volți și curent alternativ monofazat la 16,7 Hz în Elveția , Germania și Austria . Statele Unite au electrificat câteva linii, împărțind între cea directă la 3000 V și cea monofazată alternând la 11 kV la 25 Hz.

Deja în anii șaizeci în Franța a existat o trecere la sistemul monofazat de curent alternativ la 25.000 V și o frecvență industrială de 50 Hz. Aceasta pare, de asemenea, orientarea generală a tuturor noilor linii europene de mare viteză, inclusiv a celei italiene. .

Locomotivă electrică E.626, curent continuu, a Căilor Ferate de Stat din Italia

Cu toate acestea, această decizie a creat o serie de probleme cu privire la circulația mașinilor chiar și în rețelele naționale, complicând construcția locomotivelor pentru a le face potrivite atât pentru liniile tradiționale, curent continuu, la 1.500 sau 3.000 volți, și pe cele cu curent alternativ (de asemenea, diferite ca tensiune și frecvență între stare și stare). Prin urmare, locomotivele cu două curenți cu transformatoare și redresoare de la bord capabile să circule chiar și pe linii monofazate de înaltă tensiune. Apariția electronicii de putere a îmbunătățit tehnic situația cu posibilitatea construirii de locomotive universale, adică multi-tensiune, multi-curent și multi-frecvență, deci complet interoperabile, capabile să circule pe linii alimentate cu curent continuu la 1.500 și 3.000 de volți, curent alternativ la 15 și 25 kV și la frecvențe de 16,7 și 50 Hz.

Note teoretice

O locomotivă electrică este o mașină care folosește unul sau mai multe motoare electrice în scopul remorcării vehiculelor. Alegerea motorului electric este în esență determinată de caracteristica sa mecanică , care este mai aproape de cea ideală, și de economia sa de funcționare și întreținere în comparație cu alte tipuri de motorizare. Dezavantajul major al sistemului de tracțiune electrică este costul ridicat de construcție al liniei electrice și complexitatea sistemelor de alimentare cu energie electrică.

O locomotivă constă în esență din:

• o piesă mecanică , care poate fi tradițională cu vagon rigid (pentru locomotive vechi), articulată sau cu boghiuri e
• o parte electrică care cuprinde toate echipamentele de tracțiune, control și echipamente auxiliare.

Piesa mecanică

Se compune din următoarele părți:

• Carcasă : piesa care servește pentru a conține echipamente electrice de înaltă și joasă tensiune, baterii la bord, comenzi și echipamente de protecție. În general, este împărțit în trei părți: cele două cabine ale șoferului și compartimentul electric închis cu o cheie specială de blocare din motive de siguranță. Unele tipuri de locomotive au o singură cabină centrală, par-centrală sau de capăt și două corpuri față și spate care conțin echipamentul, altele, cum ar fi locomotiva FS E.626 , au, de asemenea, două corpuri față și spate mai mici, iar cele două motoare intermediare cabine.
• Carul : este partea de sub cutie care susține toate echipamentele și se sprijină prin intermediul unor sisteme de suspensie adecvate pe roți sau cărucioare . Tampoanele , cârligul de tracțiune și conductele de cuplare pneumatice și electrice sunt plasate pe traversele capului.
• Mecanism de transmisie : este setul de piese mecanice care transmit mișcarea de la motoare la roți. Poate fi de diferite tipuri și forme: cu roți dințate , cu biele și manivele , cu ax gol , cu inel de dans , cu ax cardanic .
• Accesorii : sunt specifice fiecărei categorii de locomotive, dar în general toate au următoarele: compresor pentru producerea aerului comprimat necesar diferitelor comenzi și a sistemului de frânare . Ventilatoare electrice pentru răcirea sistemelor de reglare și disipare și a motoarelor de tracțiune. Sisteme de măsurare și control pentru parametrii de funcționare electrică și pneumatică, tahografe și diverse echipamente.

Piesă electrică

Sisteme de alimentare și colectare

Locomotiva electrică a treia șină FS E.321

Alimentarea cu energie a unei locomotive electrice poate avea loc direct dintr-o sursă plasată la bord sau printr-o rețea externă de alimentare.

În cazurile de alimentare la bord, vorbim despre o locomotivă cu acumulator sau una echipată cu un generator electric (a se vedea locomotiva diesel-electrică, locomotiva termică cu transmisie electrică ).
Sistemul de acumulatori este puțin utilizat pentru trenuri datorită autonomiei sale reduse, dar a fost folosit foarte des, atât în ​​trecut, cât și în vremurile recente, pentru construcția de vagoane ^[7] și mașini de manevră, în timp ce sistemele cu generator ajung la creați sisteme bimodale care pot fi alimentate atât de la sursa de la bord, cât și de la rețeaua externă de alimentare (exemplu: BTR 813 ), eventual echipate și cu acumulatori.

Alimentarea din rețeaua externă de alimentare, pe de altă parte, necesită sisteme de alunecare montate pe locomotivă, pentru a realiza cel puțin două contacte electrice constante: în general, unul se face prin contactul roată- șină , iar celălalt fie printr- un contact aerian linie sau cu menționat pe a treia șină .

În cazul celui de-al treilea sistem de șine, se folosește un pantof glisant montat pe materialul rulant lateral inferior (rareori pe acoperiș în căile ferate subterane aeriene joase).

În cazul sistemelor de linii aeriene:

• arc de tramvai folosit în trecut și care a supraviețuit astăzi numai pe materialul rulant istoric vechi.
• Cărucior cu tijă folosit în trecut și astăzi supraviețuind doar pe materialul rulant istoric vechi.
• Cărucior montat, în general, în perechi pe imperialul locomotivelor, care pot fi pantograf sau cu o singură față.

După captare (de la a treia șină sau de la linia aeriană) curentul este transportat prin cabluri foarte izolate către circuitele de tracțiune care trec prin dispozitive sau comutatoare de separare electrică, circuite de protecție și filtrare, sisteme de inversare a mișcării și regulatoare de putere.

Comutatoare sau separatoare

Curentul extras din cărucioare se aplică imediat unui sistem de separare cu întrerupătoare de înaltă tensiune . În trecut, această problemă era foarte critică, deoarece, după cum se știe, deschiderea unui circuit electric, în special sub absorbție ridicată, generează un arc electric de mare putere, capabil chiar să topească echipamentul. Prin urmare, sistemele de siguranțe au fost adoptate pentru a fi înlocuite în caz de intervenție, apoi separatoarele (inclusiv separatorul italian D'Arbela ) și în cele din urmă comutatoarele de mare viteză în aer pentru tensiuni medii și în ulei pentru cele mai mari. Pentru a limita daunele cauzate de supratensiunile de linie, adesea cauzate de trăsnet , opritoarele de tensiune sau impedanțele de blocare sunt introduse, în timp ce pentru supracurenți din cauza scurtcircuitelor sau supraîncărcărilor, sistemele de releu de supracurent sau circuitele electronice sunt utilizate în locomotivele mai vechi.

Invertoare, regulatoare ( combinatoare ) și regulatoare de putere

Banc de conducere pentru locomotiva E.646 cu control reostatic manual

O componentă indispensabilă este sistemul de marșarier care are o comandă specială pe băncile de manevră; poate fi fie electromecanică prin comutarea contactelor, fie electronică prin intermediul circuitelor de tiristor. O altă componentă esențială este controlul puterii care în locomotivele de curent continuu mai vechi a avut loc prin disipare, pe un reostat , introdus complet la pornire și apoi exclus treptat odată ce viteza a fost atinsă. În funcție de numărul de motoare, combinația de motoare în serie, grupuri paralele în serie și paralele în raport cu linia a fost, de asemenea, utilizată pentru a trimite o tensiune mai mică la motoare la pornire și mai mare atunci când funcționează la viteză constantă. O altă caracteristică de funcționare a fost obținută prin manevrarea câmpului motoarelor obținute prin excluderea virajelor sau prin introducerea rezistențelor. În locomotivele trifazate italiene, combinațiile posibile erau cele în cascadă sau paralele fiind în general echipate cu doar două motoare; celelalte caracteristici de rulare (cel mult patru, la viteze fixe) au fost obținute prin variația numărului de poli și în perioade mai recente, de asemenea, a fazelor. Este evident că astfel de conexiuni, care au fost variate continuu în timpul deplasării, au produs necesitatea ca un număr mare de contacte să fie comutate sau întrerupte cu întrerupătoare de înaltă tensiune sau întrerupătoare cu tambur rotativ de înaltă tensiune, toate surse de defecțiuni posibile.

Începând cu anii șaptezeci ai secolului al XX-lea , dezvoltarea electronicii de putere a tiristorului ( GTO și IGBT ) a permis implementarea circuitelor de tracțiune statică cu fracționare electronică ( chopper ) care, cu eliminarea reostatului de pornire , au îmbunătățit eficiența și forța de tracțiune a locomotive electrice cu curent continuu, oferindu-le performanțe care permit o calitate mai bună a rulării în toate condițiile și elimină criticitățile pornirii în sus.

Circuite de comandă, control, auxiliare și de siguranță de joasă tensiune

Locomotivele de primă generație foloseau comenzi mecanice sau pneumatice pentru a opera componente electrice de înaltă tensiune, cum ar fi contacte și comutatoare; aceste părți, totuși, din cauza pericolului lor, au provocat chiar accidente fatale. De îndată ce a fost posibil din punct de vedere tehnic, au fost introduse o serie întreagă de echipamente precum relee , servomotoare și servomecanisme de joasă tensiune, care au permis funcționarea celor de înaltă tensiune în deplină siguranță. Astăzi, în principiu, echipamentul menționat mai sus pentru locomotive electrice este alimentat de curent continuu, 24 volți, cu o baterie tampon pentru funcționarea inițială. Cu toate acestea, au fost utilizate și tensiuni mai mari, cum ar fi 48, 72 și 128 de volți. O componentă indispensabilă este, de exemplu, compresorul de aer acționat de un motor electric de joasă tensiune necesar pentru ridicarea pantografelor și inițializarea servomecanismelor de aer comprimat. Locomotivele moderne sunt considerabil mai complexe, în circuitele de joasă tensiune, deoarece există și circuite de control pentru funcționarea corectă a echipamentului, pentru supravegherea muncii șoferului, pentru repetarea semnalelor în mașină și pentru siguranță și pentru schimbul de date cu solul stații de control, cum ar fi dispozitivul de supraveghere , SCMT , ERTMS și altele, și legătura radio GSM-R .

Motoare pentru tractiune electrica

Diagrama motorului electric:
A) cu excitație paralelă
B) cu excitație de serie
C) cu excitație compusă

Alegerea motoarelor adecvate a fost întotdeauna făcută în funcție de sistemul de alimentare ales, indiferent dacă este curent continuu sau curent alternativ. Dintre diferitele tipuri de motoare, cel care a prezentat o curbă de cuplu în funcție de numărul de rotații care s-a apropiat cel mai mult de cel ideal, care este capabil să ofere un cuplu ridicat la pornire și tendință la zero odată cu creșterea vitezei de rotație: candidații ideali, de la început, au fost motorul de curent continuu cu excitație în serie și curentul alternativ trifazat al câmpului rotativ al motorului asincron . În cazul rețelelor feroviare alimentate cu curent alternativ monofazat, alegerea s-a îndreptat către motoarele colectoare monofazate. Apariția electronicii de putere a dus la o tranziție aproape totală la utilizarea motoarelor de tracțiune trifazate chiar și pe rețelele feroviare de curent continuu, deoarece invertoarele adecvate controlate cu frecvență și tensiune sunt capabile să convertească DC în trifazat fără complicații. . Acest lucru se datorează în principal simplității mai mari a motorului trifazat, fără partea delicată constituită din colectorul de stuf, care necesită întreținere și o posibilă sursă de defecțiuni.

În perioada de glorie a trifazei, unul dintre motivele alegerii a fost determinat și de caracteristica tipică a motorului asincron trifazat de a funcționa automat ca generator, dacă este forțat să depășească viteza de sincronism ; acest fapt a fost exploatat în coborârile lungi pentru a ține trenul, fără nicio intervenție a conducătorului auto sau a sistemului de frânare, generând în același timp energie electrică care ar putea fi utilizată de alte trenuri. Această caracteristică nu a fost posibilă cu motorul DC excitat în serie, care ar fi continuat să-și mărească viteza. În cazurile în care trebuia să se utilizeze frânarea electrică, a fost necesar să se recurgă la motoare cu curent continuu cu dublă excitație în paralel sau compuse, complicând considerabil circuitul mașinii. Un exemplu a fost, în Italia, construcția, fără urmăriri ulterioare, a unor unități din grupul FS E.424 .

Tipuri de locomotive

Unitate de transmisie a motorului pe cărucior rigid cu trepte

Locomotivă articulată Ce 6/8 Crocodil

Locomotivă americană Baldwin / Westinghouse din 1934, ampatament rigid și boghiuri, monofazat de 11 kV

Tipurile de locomotive electrice au fost foarte variate de-a lungul timpului și acest lucru în funcție, în secolul trecut, al limitărilor tehnologice și ulterior cererii de performanță tot mai mare: Locomotivele din primele generații au urmat mecanica locomotivelor cu aburi și au fost, prin urmare, în trepte rigide cu cel mult un cărucior de ghidare față și spate; configurația lor electrică a inclus unul sau două motoare conectate la roți cu biele sau cu roți dințate. În primul caz, motorul a fost așezat pe vagon, în general într-o poziție centrală și mai ales pentru că dimensiunile sale erau mari; în cel de-al doilea caz, mai modern pentru locomotivele feroviare, dar folosit și în cele mai vechi timpuri pentru locomotivele de tramvai, motorul a fost aranjat pe cărucior și a fost suspendat pe o parte de nas în timp ce cu cealaltă s-a aplecat direct cu angrenajul. În locomotivele trifazate italiene motorizarea a rămas montată pe vagon până la ultimele construcții din motive de spațiu. Pe măsură ce tehnica de construcție a motorului a progresat, în special în producția de materiale izolante, motoarele au găsit dispunerea pe trăsuri, dând naștere unei diferențieri mai mari a configurațiilor mecanice; au fost construite după cum urmează:

• Locomotive cu un singur corp care se sprijină pe două boghiuri cu două axe; această tipologie a găsit din ce în ce mai multă specializare pentru trenurile de călători cu caracter local și pentru căile ferate secundare: astăzi a devenit în schimb cea mai utilizată pentru construcția locomotivelor electronice moderne de mare putere și viteză.
• Locomotive cu vagoane articulate, cel mai cunoscut exemplu al acestora fiind Crocodilul , în practica locomotivelor duble, care este tipic școlii elvețiene, dar care a urmat în Austria și alte țări.
• Locomotive cu un singur corp, dar sprijinite pe trei boghiuri, pentru construcția de locomotive mai puternice pentru serviciile grele de transport de marfă și pasageri, puțin utilizate în trecut în Italia, dar răspândite în rețelele din Europa Centrală. A fost reluată în Italia pentru construcția locomotivelor electronice E.633 și a derivatelor sale, cum ar fi E.652 .
• Locomotive cu un singur corp cu ampatament rigid rigid și boghiuri de capăt pentru construcția de locomotive cu putere mai mare; utilizat în Italia pentru construcția E.626 cu toate vagoanele cu motor și pentru construcția E.428 cu pas rigid rigid și două vagoane cu rulmenți biaxiali la ambele capete. Această configurație s-a dovedit inadecvată la viteze mai mari din cauza unei agresiuni prea mari pe pistă și este acum considerată învechită.
• Locomotive cu două semicarcase articulate pe trei boghiuri cu motor; tipic școlii italiene, cu câteva exemple în Elveția, a caracterizat locomotivele Ferrovie dello Stato produse între sfârșitul anilor patruzeci și sfârșitul anilor optzeci, cu rezultate bune pentru a putea fi încolțit, dar cu limite considerabile deja la viteze mai mici la 150 km / h. E.636 , E.646 , E.656 și versiunile lor de transport ^[8] aparțin acestui tip.
• Locomotive cu corp rigid și două boghiuri triaxiale: tipice locomotivelor de mare putere ale căilor ferate din Franța , industria feroviară din Rusia și Statele Unite ale Americii, acestea combină simplitatea configurației celor două boghiuri cu posibilitatea de a conține greutatea axială de locomotive mari răspândind-o pe mai multe axe. În Italia, această configurație a fost testată doar pe unele prototipuri diesel-electrice, dar s-a dovedit inadecvată pentru liniile italiene prea sinuoase.

Notă

Bibliografie

• William Gordon, The Underground Electric. Căile Ferate de Acasă. 2 , Londra, Frederick Warne and Co., 1910.
• Ferrovie dello Stato, Tracțiune electrică pe căile ferate italiene , Roma, Ferrovie dello Stato, 1927 , pe trenidicarta.it .
• Ministerul Transporturilor Căilor Ferate de Stat, Textele educației profesionale: Concepte generale despre tracțiunea electrică și locomotivele electrice, Vol VIII , Florența, Servicii materiale și tracțiune, 1962.
• Mario Loria, Istoria tracțiunii feroviare electrice în Italia , Florența, editor Giunti-Barbèra, 1971.
• Sigfrid von Weiher, Werner von Siemens, O viață în serviciul științei , Göttingen, Tehnologie și industrie, 1975.
• Ivo Angelini, Trenuri și căi ferate; ieri-azi-mâine , Florența, Editrice Salani, 1975.
• Stefano Garzaro, Tracțiune electrică pe calea ferată Torino-Ceres, în Italmodel Ferrovie 216 , Verona, edițiile La Modeltecnica, 1978.
• Cornolò Giovanni, vagoane electrice FS , Parma, editor Ermanno Albertelli, 1985.
• Sergio Pautasso, FS Italia. Locomotive electrice E.645 E.646, ediția a II-a , Torino, Elledi, 1985, ISBN 88-7649-034-5 .
• Orlandi Alessandro, Mecanica transportului , Bologna, Pitagora, 1990, ISBN 88-371-0505-3 . ISBN 978-88-371-0505-1
• Roberto Rolle, Locomotive electrice cu curent continuu , Ediții Gulliver, 1992.
• Cornolò Giovanni, locomotive electrice FS , Parma, Ermanno Albertelli editore , 1994, ISBN 88-85909-97-3 . Indexul primei ediții, 1983
• Gian Guido Turchi, 100 de ani de tracțiune electrică, în iTreni 203 , Salò, ETR, 1999.
• Giancarlo Piro, Parcurile de locomotive electrice FS și rețelele feroviare europene , în Ingineria feroviară , 55 (2000), n. 6, pp. 325–347
• Giovanni Cornolò Nico Molino, Locomotive acumulatoare , Ponte San Nicolò, Duegi, 2007, ISBN 88-95096-06-1 .
• Luca Vanni, Echipamente electrice de tracțiune. Analiza, funcționarea și schemele de conectare a locomotivelor de la E.626 la E.403 , Albino, Sandit libri, 2011, ISBN 978-88-95990-77-4 .

Elemente conexe

• Locomotivă
• Sisteme electrice de tracțiune feroviară
• Istoria căilor ferate în Italia
• Comisia Nicoli-Grismayer
• Performanța locomotivelor
• Tija de terminare a aerului
• Comutator de mare viteză

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre locomotiva electrică

linkuri externe

• ( EN ) Locomotive electrice , pe Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Portal de transport : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de transport