DIBUJOS DE LOCOMOTORAS DIESEL
La historia de la tracción diesel se remonta a los orígenes del motor de combustión interna, que es su principio fundamental. Fue en 1820 cuando un inglés, W. Cecil, concibe una idea semejante al motor moderno de combustión interna, utilizando como combustible una mezcla de hidrógeno y aire. Más tarde, en 1838, W. Barnett pensó en comprimir la mezcla de combustible antes de inflamarla. Será en 1860 cuando aparece el primer motor de combustión interna con encendido eléctrico.
Es el francés Beau de Rochas el que en 1862 inventa el ciclo de cuatro tiempos con compresión previa, viendo ya la posibilidad de autoencendido de una mezcla gaseosa inflamable. En 1872 el alemán Nicolás Otto hace funcionar por primera vez un motor térmico siguiendo el ciclo de cuatro tiempos de Beau de Rochas.
En 1880 Rudolf Diesel investiga la construcción de una máquina fija capaz de quemar petróleo bruto y que tuviera un sistema de encendido por compresión para la navegación y tráfico de carretera; hasta finales del siglo XIX no se aplicarán todos estos descubrimientos e investigaciones a la tracción ferroviaria, siendo los ingenieros alemanes Gottlieb Daimler y Wilhelm Maybach los que llevarían a cabo tal aplicación.
En 1891, en Gran Bretaña, se aplica un motor Daimler de gasolina a una pequeña locomotora, pero será el motor inventado por Rudolf Diesel el que dará los más brillantes resultados en su aplicación a la tracción ferroviaria.
Diesel llegó al motor que lleva su nombre tras un largo período de estudio de la máquina de vapor, apreciando que gran parte de su energía no se transformaba en trabajo útil; fue entonces cuando concibió un motor que quemaba el combustible en el interior del cilindro, inflamándolo por medio del calor producido por la compresión del aire. El primer motor construido por Diesel con resultados positivos fue en 1897.
En 1912 se construyó, para los ferrocarriles del estado de Prusia, la primera locomotora diesel del mundo de gran potencia y fue a partir de entonces cuando se inicia el constante desarrollo de la tracción diesel. Hasta entonces el gran problema de la tracción diesel había sido la transmisión, el cual se solucionaría por medio de la aplicación de la transmisión eléctrica al motor diesel, propuesta por el profesor soviético Lomonosoff y que luego optaría él mismo por la transmisión mecánica en una nueva versión de una locomotora diesel en 1927. Por estos años la transmisión hidráulica aún no había salido de los laboratorios.
En Estados Unidos aparece en 1925 la primera locomotora diesel-eléctrica. En 1939 General Motors crea una nueva locomotora diesel capaz de remolcar pesados trenes de mercancías, obteniendo un gran éxito. A partir de entonces es cuando se produce el gran desarrollo de la tracción diesel en este país.
Locomotora diesel norteamericana F69PH de última generación
En Europa, debido principalmente al elevado coste de los carburantes, se opta por impulsar más la tracción eléctrica aunque será en Alemania donde en 1935 se construye la primera locomotora diesel-hidráulica de gran potencia, convirtiéndose en el punto de partida de las locomotoras diesel-hidráulicas que, en la actualidad, compiten con las diesel-eléctricas.
Evolución de la tracción diesel en España:
Alrededor de los años treinta, debido a la crisis ferroviaria que sufren las compañías y a la competencia del transporte por carretera en España, se buscó minimizar los gastos de la explotación, sobre todo en líneas secundarias; una solución fue sustituir los antieconómicos trenes de vapor por otros de tracción diesel.
Los primeros intentos de introducir la tracción diesel en vía estrecha en España datan de 1908, mientras que para la vía ancha el motor de explosión se aplicó por primera vez en 1921.
La Guerra Civil pospuso el desarrollo de la tracción diesel en España hasta la década de los cincuenta. De esta manera, es a partir de los años sesenta, a través del Plan de Modernización de RENFE cuando se sustituirán progresivamente las locomotoras de vapor por las locomotoras diesel. La dieselización se va a producir en España a través de tres tipos de trenes: los tractores de maniobras, las locomotoras de línea y los trenes diesel de viajeros para servicios diurnos.
Locomotoras diésel y carburante
Las locomotoras diésel son aquellas que utilizan como fuente de energía la producida por un motor de combustión interna de ciclo diésel, estos motores pueden ser de dos o cuatro tiempos, siendo muy utilizados los de dos tiempos. La trasmisión de la potencia se realiza con transmisión mecánica convencional en pequeñas locomotoras de maniobra, dresinas, ferrobuses, automotores y máquinas auxiliares. En locomotoras de mayor potencia, la transmisión mecánica no es adecuada y se substituye por la trasmisión hidráulica o eléctrica.
Transmisión diesel-eléctrica
Expresado en términos sencillos, el sistema de transmisión de una locomotora diesel-eléctrica consta de un motor diesel que acciona un generador eléctrico, el cual a su vez suministra corriente a los motores de tracción. El motor diesel produce energía mecánica en el cigüeñal, que se convierte en eléctrica en el generador para volver a transformarse en mecánica en los motores de tracción. La potencia eléctrica, que se mide en kilovatios (kW), es el producto de la tensión (voltaje) y la intensidad de la corriente. A medida que aumenta la velocidad, los motores de tracción desarrollan una fuerza electromotriz (FEM) opuesta a la corriente del generador. Para mantener el esfuerzo tractor -que es lo que mueve el tren-, hay que aumentar la tensión del generador. Sin embargo, la tensión del generador debe mantenerse a un nivel tal que no sobrecargue el motor diesel. Para impedirlo, la tensión y la intensidad se mantienen equilibradas continuamente gracias a un regulador automático, con objeto de adecuarlas a la potencia desarrollada por el motor diesel.
La palanca de mando de la cabina determina la velocidad y potencia del motor diesel al accionar una válvula que aplica aire a presión al regulador de resortes. En él, unos contrapesos articulados a un eje rotatorio accionado por el motor ascienden o descienden por la fuerza centrífuga, lo que envía señales al regulador automático de tensión para proteger el motor, y al árbol del inyector para aumentar la potencia, incrementando el suministro de combustible. Unos manubrios fijados a este último mueven lateralmente unas cremalleras que engranan con la bomba de alimentación y la hacen girar, modificando la carrera del émbolo colector y la cantidad de combustible inyectado a los cilindros.
Control de potenciaEl maquinista determina la velocidad y potencia de la locomotora mediante la palanca de mando de la cabina. Dicha palanca acciona una válvula que aplica aire a presión al regulador de resortes. En principio, es un sistema similar al regulador de péndulo de las máquinas de vapor: unas pesadas bolas, articuladas a un eje que gira con el motor, oscilan hacia fuera por la fuerza centrífuga, accionando la válvula de estrangulación. Cuanto más se comprime el resorte del regulador, más potencia genera la máquina. El maquinista coloca el combinador de modo que el motor diesel funcione a la velocidad requerida. La velocidad del motor determina la potencia desarrollada y no está relacionada con la velocidad que alcanza el tren en la vía. El maquinista selecciona la potencia en función del peso del tren. No aplica al principio plena potencia para evitar el patinaje de las ruedas al arrancar, y lo repite en ocasiones para no sobrepasar el límite de velocidad en zonas transitadas. El circular por una línea libre a plena potencia no implica que la velocidad del tren sea constante. En una rampa ascendente, por ejemplo, disminuirá. El regulador de resortes detecta el aumento de carga y envía una señal al regulador automático de tensión para proteger el motor diesel, compensando el aumento de intensidad mediante la reducción de la tensión del generador. También se envía una señal al árbol del inyector de combustible para aumentar el suministro a los cilindros. Unos manubrios fijados al árbol mueven unas cremalleras de un lado a otro, transformando el movimiento giratorio de aquél en lineal. La cremallera engrana con la bomba de alimentación y la hace girar ligeramente en una u otra dirección, modificando la carrera del émbolo colector y, en consecuencia, la cantidad de combustible inyectado. Si el tren alcanza una velocidad a la cual la FEM opuesta de los motores de tracción les impide tomar más corriente, incluso a la tensión máxima del generador, el regulador automático de tensión actúa debilitando el campo de los motores, lo que reduce la FEM y permite proseguir la aceleración. Finalmente, se alcanza un punto en el que los motores ya no pueden absorber toda la potencia, y la velocidad se estabiliza.
Locomotoras diésel-hidráulicas
Las locomotoras diésel-hidráulicas utilizan un sistema de turbinas hidráulicas acopladas entre sí. El mecanismo permite hacer llegar la potencia de forma gradual desde el motor girando permanentemente hacia las ruedas que parten de parado. El principal inconveniente de este sistema es la incapacidad de mover cargas muy grandes, por lo que se usa principalmente en automotores.
Existen locomotoras diésel arrastrando trenes de viajeros capaces de superar los 250 km/h. Una locomotora diésel clásica se considera el medio de tracción para ferrocarriles más indicado cuando las condiciones son adversas: temperaturas bajo cero, fuertes pendientes y trenes de gran tonelaje.
1.- Compresor
2.-Combustible
3.-Escape
4.-Transmisión hidráulica
5.-Tanque de fuel
6.-Motor diesel
7.-Refrigeración
LOCOMOTORA DIESEL RENFE 333.3
Características principales
Caja y Distribución
Ancho de vía: 1.688 mm.Disposición de ejes: CoCo.Potencia Nominal: 1.875 kw (2.547 CV)Peso en servicio: 120 t.Velocidad máxima: 146 km/hEsfuerzo tractor en el arranque: 31.800 kgs.Esfuerzo tractor continuo: 28.100 kgs.Radio mínimo de curva: 105 m.Capacidad de combustible: 4.500 l.Consumo medio: 4,43 l/kmAutonomía: 950 km.Combustible: gasóleoLongitud entre topes: 20.700 mm.Distancia entre pivotes bogies: 12.400 mm.Distancia entre bogies: 2.000 + 2.000 mm.
El bastidor y la caja forman un único conjunto autoportanbe de construcción soldada, siendo el techo fácilmente desmontable para permitir la extracción del grupo electrógeno y demás equipos voluminosos. Las cabinas de conducción son elementos independientes de la caja y se apoyan elásticamente sobre el bastidor.En los extremos de la caja se hallan las dos cabinas de conducción. Con el fin de lograr un correcto grado de aislamiento térmico mecánico (vibraciones) y acústico, las cabinas forman elementos independientes apoyados elásticamente sobre la estructura de la locomotora.El pupitre de conducción está situado a la derecha de la cabina. La disposición de los elementos es la siguiente: a la derecha los mandos del freno; en la parte central los testigos luminosos, amperímetros, voltímetros y manómetros, interruptores diversos y si equipo ASFA, que desde el primer momento se integró en el pupitre; a la izquierda las palancas del acelerador y del inversor, así como la palanca selectora tracción/frenado que enclava todo el pupitre en su ausencia.
Las características más importantes de los motores diesel son:
Los motores más utilizados son los de 4 tiempos (aspiración, compresión, combustión y escape).
Los actuales llegan hasta los 3500 kW (5000 CV) y 750 – 1800 r.p.m.
En el arranque se necesita una fuente de energía independiente.
Sentido de giro único.
Son muy sensibles a bruscas variaciones.
Características de los turbomotores:
Se utiliza el gasoil como combustible.
Su principio de funcionamiento es la producción de un par en un eje. Sus partes son:
1) Generador de gas (compresor + cámara de combustión). 2) Turbina.
Se necesita una fuente de energía exterior para el arranque.
Sentido único de giro.
Mayor zona de utilización respecto de la relación potencia-velocidad que los Diesel.
Rendimiento muy variable.
Diferencias frente a tracción Diesel:
1) 2) La potencia másica en los turbomotores es diez veces superior a la de los motores Diesel.
CONCLUSION: Los turbomotores se usan cuando tengamos poco peso en el eje y en servicios rápidos de viajeros.
Automotor Diesel RENFE de última generación
Es el francés Beau de Rochas el que en 1862 inventa el ciclo de cuatro tiempos con compresión previa, viendo ya la posibilidad de autoencendido de una mezcla gaseosa inflamable. En 1872 el alemán Nicolás Otto hace funcionar por primera vez un motor térmico siguiendo el ciclo de cuatro tiempos de Beau de Rochas.
En 1880 Rudolf Diesel investiga la construcción de una máquina fija capaz de quemar petróleo bruto y que tuviera un sistema de encendido por compresión para la navegación y tráfico de carretera; hasta finales del siglo XIX no se aplicarán todos estos descubrimientos e investigaciones a la tracción ferroviaria, siendo los ingenieros alemanes Gottlieb Daimler y Wilhelm Maybach los que llevarían a cabo tal aplicación.
En 1891, en Gran Bretaña, se aplica un motor Daimler de gasolina a una pequeña locomotora, pero será el motor inventado por Rudolf Diesel el que dará los más brillantes resultados en su aplicación a la tracción ferroviaria.
Diesel llegó al motor que lleva su nombre tras un largo período de estudio de la máquina de vapor, apreciando que gran parte de su energía no se transformaba en trabajo útil; fue entonces cuando concibió un motor que quemaba el combustible en el interior del cilindro, inflamándolo por medio del calor producido por la compresión del aire. El primer motor construido por Diesel con resultados positivos fue en 1897.
En 1912 se construyó, para los ferrocarriles del estado de Prusia, la primera locomotora diesel del mundo de gran potencia y fue a partir de entonces cuando se inicia el constante desarrollo de la tracción diesel. Hasta entonces el gran problema de la tracción diesel había sido la transmisión, el cual se solucionaría por medio de la aplicación de la transmisión eléctrica al motor diesel, propuesta por el profesor soviético Lomonosoff y que luego optaría él mismo por la transmisión mecánica en una nueva versión de una locomotora diesel en 1927. Por estos años la transmisión hidráulica aún no había salido de los laboratorios.
En Estados Unidos aparece en 1925 la primera locomotora diesel-eléctrica. En 1939 General Motors crea una nueva locomotora diesel capaz de remolcar pesados trenes de mercancías, obteniendo un gran éxito. A partir de entonces es cuando se produce el gran desarrollo de la tracción diesel en este país.
Locomotora diesel norteamericana F69PH de última generación
En Europa, debido principalmente al elevado coste de los carburantes, se opta por impulsar más la tracción eléctrica aunque será en Alemania donde en 1935 se construye la primera locomotora diesel-hidráulica de gran potencia, convirtiéndose en el punto de partida de las locomotoras diesel-hidráulicas que, en la actualidad, compiten con las diesel-eléctricas.
Evolución de la tracción diesel en España:
Alrededor de los años treinta, debido a la crisis ferroviaria que sufren las compañías y a la competencia del transporte por carretera en España, se buscó minimizar los gastos de la explotación, sobre todo en líneas secundarias; una solución fue sustituir los antieconómicos trenes de vapor por otros de tracción diesel.
Los primeros intentos de introducir la tracción diesel en vía estrecha en España datan de 1908, mientras que para la vía ancha el motor de explosión se aplicó por primera vez en 1921.
La Guerra Civil pospuso el desarrollo de la tracción diesel en España hasta la década de los cincuenta. De esta manera, es a partir de los años sesenta, a través del Plan de Modernización de RENFE cuando se sustituirán progresivamente las locomotoras de vapor por las locomotoras diesel. La dieselización se va a producir en España a través de tres tipos de trenes: los tractores de maniobras, las locomotoras de línea y los trenes diesel de viajeros para servicios diurnos.
Locomotoras diésel y carburante
Las locomotoras diésel son aquellas que utilizan como fuente de energía la producida por un motor de combustión interna de ciclo diésel, estos motores pueden ser de dos o cuatro tiempos, siendo muy utilizados los de dos tiempos. La trasmisión de la potencia se realiza con transmisión mecánica convencional en pequeñas locomotoras de maniobra, dresinas, ferrobuses, automotores y máquinas auxiliares. En locomotoras de mayor potencia, la transmisión mecánica no es adecuada y se substituye por la trasmisión hidráulica o eléctrica.
Transmisión diesel-eléctrica
Expresado en términos sencillos, el sistema de transmisión de una locomotora diesel-eléctrica consta de un motor diesel que acciona un generador eléctrico, el cual a su vez suministra corriente a los motores de tracción. El motor diesel produce energía mecánica en el cigüeñal, que se convierte en eléctrica en el generador para volver a transformarse en mecánica en los motores de tracción. La potencia eléctrica, que se mide en kilovatios (kW), es el producto de la tensión (voltaje) y la intensidad de la corriente. A medida que aumenta la velocidad, los motores de tracción desarrollan una fuerza electromotriz (FEM) opuesta a la corriente del generador. Para mantener el esfuerzo tractor -que es lo que mueve el tren-, hay que aumentar la tensión del generador. Sin embargo, la tensión del generador debe mantenerse a un nivel tal que no sobrecargue el motor diesel. Para impedirlo, la tensión y la intensidad se mantienen equilibradas continuamente gracias a un regulador automático, con objeto de adecuarlas a la potencia desarrollada por el motor diesel.
La palanca de mando de la cabina determina la velocidad y potencia del motor diesel al accionar una válvula que aplica aire a presión al regulador de resortes. En él, unos contrapesos articulados a un eje rotatorio accionado por el motor ascienden o descienden por la fuerza centrífuga, lo que envía señales al regulador automático de tensión para proteger el motor, y al árbol del inyector para aumentar la potencia, incrementando el suministro de combustible. Unos manubrios fijados a este último mueven lateralmente unas cremalleras que engranan con la bomba de alimentación y la hacen girar, modificando la carrera del émbolo colector y la cantidad de combustible inyectado a los cilindros.
Control de potenciaEl maquinista determina la velocidad y potencia de la locomotora mediante la palanca de mando de la cabina. Dicha palanca acciona una válvula que aplica aire a presión al regulador de resortes. En principio, es un sistema similar al regulador de péndulo de las máquinas de vapor: unas pesadas bolas, articuladas a un eje que gira con el motor, oscilan hacia fuera por la fuerza centrífuga, accionando la válvula de estrangulación. Cuanto más se comprime el resorte del regulador, más potencia genera la máquina. El maquinista coloca el combinador de modo que el motor diesel funcione a la velocidad requerida. La velocidad del motor determina la potencia desarrollada y no está relacionada con la velocidad que alcanza el tren en la vía. El maquinista selecciona la potencia en función del peso del tren. No aplica al principio plena potencia para evitar el patinaje de las ruedas al arrancar, y lo repite en ocasiones para no sobrepasar el límite de velocidad en zonas transitadas. El circular por una línea libre a plena potencia no implica que la velocidad del tren sea constante. En una rampa ascendente, por ejemplo, disminuirá. El regulador de resortes detecta el aumento de carga y envía una señal al regulador automático de tensión para proteger el motor diesel, compensando el aumento de intensidad mediante la reducción de la tensión del generador. También se envía una señal al árbol del inyector de combustible para aumentar el suministro a los cilindros. Unos manubrios fijados al árbol mueven unas cremalleras de un lado a otro, transformando el movimiento giratorio de aquél en lineal. La cremallera engrana con la bomba de alimentación y la hace girar ligeramente en una u otra dirección, modificando la carrera del émbolo colector y, en consecuencia, la cantidad de combustible inyectado. Si el tren alcanza una velocidad a la cual la FEM opuesta de los motores de tracción les impide tomar más corriente, incluso a la tensión máxima del generador, el regulador automático de tensión actúa debilitando el campo de los motores, lo que reduce la FEM y permite proseguir la aceleración. Finalmente, se alcanza un punto en el que los motores ya no pueden absorber toda la potencia, y la velocidad se estabiliza.
Locomotoras diésel-hidráulicas
Las locomotoras diésel-hidráulicas utilizan un sistema de turbinas hidráulicas acopladas entre sí. El mecanismo permite hacer llegar la potencia de forma gradual desde el motor girando permanentemente hacia las ruedas que parten de parado. El principal inconveniente de este sistema es la incapacidad de mover cargas muy grandes, por lo que se usa principalmente en automotores.
Existen locomotoras diésel arrastrando trenes de viajeros capaces de superar los 250 km/h. Una locomotora diésel clásica se considera el medio de tracción para ferrocarriles más indicado cuando las condiciones son adversas: temperaturas bajo cero, fuertes pendientes y trenes de gran tonelaje.
1.- Compresor
2.-Combustible
3.-Escape
4.-Transmisión hidráulica
5.-Tanque de fuel
6.-Motor diesel
7.-Refrigeración
LOCOMOTORA DIESEL RENFE 333.3
Características principales
Caja y Distribución
Ancho de vía: 1.688 mm.Disposición de ejes: CoCo.Potencia Nominal: 1.875 kw (2.547 CV)Peso en servicio: 120 t.Velocidad máxima: 146 km/hEsfuerzo tractor en el arranque: 31.800 kgs.Esfuerzo tractor continuo: 28.100 kgs.Radio mínimo de curva: 105 m.Capacidad de combustible: 4.500 l.Consumo medio: 4,43 l/kmAutonomía: 950 km.Combustible: gasóleoLongitud entre topes: 20.700 mm.Distancia entre pivotes bogies: 12.400 mm.Distancia entre bogies: 2.000 + 2.000 mm.
El bastidor y la caja forman un único conjunto autoportanbe de construcción soldada, siendo el techo fácilmente desmontable para permitir la extracción del grupo electrógeno y demás equipos voluminosos. Las cabinas de conducción son elementos independientes de la caja y se apoyan elásticamente sobre el bastidor.En los extremos de la caja se hallan las dos cabinas de conducción. Con el fin de lograr un correcto grado de aislamiento térmico mecánico (vibraciones) y acústico, las cabinas forman elementos independientes apoyados elásticamente sobre la estructura de la locomotora.El pupitre de conducción está situado a la derecha de la cabina. La disposición de los elementos es la siguiente: a la derecha los mandos del freno; en la parte central los testigos luminosos, amperímetros, voltímetros y manómetros, interruptores diversos y si equipo ASFA, que desde el primer momento se integró en el pupitre; a la izquierda las palancas del acelerador y del inversor, así como la palanca selectora tracción/frenado que enclava todo el pupitre en su ausencia.
Las características más importantes de los motores diesel son:
Los motores más utilizados son los de 4 tiempos (aspiración, compresión, combustión y escape).
Los actuales llegan hasta los 3500 kW (5000 CV) y 750 – 1800 r.p.m.
En el arranque se necesita una fuente de energía independiente.
Sentido de giro único.
Son muy sensibles a bruscas variaciones.
Características de los turbomotores:
Se utiliza el gasoil como combustible.
Su principio de funcionamiento es la producción de un par en un eje. Sus partes son:
1) Generador de gas (compresor + cámara de combustión). 2) Turbina.
Se necesita una fuente de energía exterior para el arranque.
Sentido único de giro.
Mayor zona de utilización respecto de la relación potencia-velocidad que los Diesel.
Rendimiento muy variable.
Diferencias frente a tracción Diesel:
1) 2) La potencia másica en los turbomotores es diez veces superior a la de los motores Diesel.
CONCLUSION: Los turbomotores se usan cuando tengamos poco peso en el eje y en servicios rápidos de viajeros.
Automotor Diesel RENFE de última generación
LOCOMOTORAS ELECTRICAS
Hay tres tipos de electrificación dentro de la tracción eléctrica:
1) Con corriente continua: Fue la que primero se utilizó; al no saberse cómo transformar la tensión se tenía la misma tensión de transporte sobre la línea de contacto que la que hacía funcionar a los motores: 700-3000 v -> Tensión muy baja -> dos consecuencias:
1- Intensidades de miles de amperios por las líneas de contacto para conseguir la potencia necesaria.
2- Catenaria de gran sección y subestaciones muy próximas (del orden de a 20 Km para una línea de 1500 v) para evitar las grandes caídas de tensión.
2) Con corriente alterna monofásica: Hay dos tipos según la frecuencia utilizada:
1- De frecuencia especial: Se suele adoptar una corriente de frecuencia menor que la frecuencia normal (de 16 2/3 Hz). Esta clase de tracción eléctrica se utiliza en CentroEuropa (Suiza, Alemania, Austria), Suecia y Noruega.
2- De frecuencia industrial (a 50 Hz): Surge con el objetivo de crear instalaciones ligeras e intentar integrar el ferrocarril en la red industrial.
3) Con corriente alterna trifásica: Al principio se dejó de lado este tipo de tracción ya que pese a usar motores trifásicos, que son robustos y baratos, presentaba dos inconvenientes:
1- Necesidad de instalar doble catenaria, con la vía como tercera fase. 2- Dificultad para regular la velocidad, al depender ésta directamente de la frecuencia (n=60·f/p).
Más adelante, unos setenta años después, fue retomada esta opción de tracción eléctrica debido al gran desarrollo tecnológico acaecido durante todos estos años, especialmente en el campo de la electrónica de potencia y los semiconductores.
Diagrama de bloques de una locomotora de corriente alterna con motores de corriente alterna
Gracias a esta tracción se ha conseguido el récord de velocidad de 515.3 Km/h.
Se pueden distinguir tres periodos en los avances de la tracción eléctrica:
El primer periodo llega hasta 1905 y se caracteriza por la aparición del motor eléctrico de continua. La locomotora eléctrica es entonces una máquina autónoma semejante a la de vapor y su energía se acumula en una especie de "ténder" donde se sitúan las pilas o acumuladores de alimentación.
El segundo periodo está unido al desarrollo del transformador de corriente alterna, el cual posibilita corrientes de tensión elevadas. A partir de este momento la corriente se va a producir en lugares alejados de la máquina, con lo cual ésta va perdiendo su autonomía. Aparecen diversos tipos de electrificaciones: de corriente continua o alterna.
El tercer periodo comienza antes de la Segunda Guerra Mundial, con la aparición de convertidores que permitirán transformar la corriente alterna en continua en el interior de la locomotora.
Desde hace mucho tiempo se conoce tanto la electricidad estática como el magnetismo; en el siglo XVIII el italiano Volta inventa la pila y durante el XIX el danés Oerstedt, el americano G. Henry y el francés Ampére realizan grandes descubrimientos y progresos en el campo del electromagnetismo. En 1832 Faraday constata la existencia de corrientes inducidas por el movimiento de un imán en una bobina; todos estos descubrimientos son el origen de la realización de las primeras máquinas eléctricas rotativas y el comienzo de la aplicación de la electricidad en lugar del vapor en la tracción ferroviaria.
Las primeras locomotoras eléctricas que transportaron viajeros las diseñaron los americanos Farmer y Hall, siendo la ideada por este último la primera que tomaba la corriente directamente del carril.
En Europa Swear y Bessolo posibilitan conducir la corriente por medio de hilos análogos a los del telégrafo y suspendidos de postes.
El verdadero nacimiento de la tracción eléctrica se considera cuando la sociedad Siemens y Halske construyen una pequeña locomotora eléctrica para la Exposición Industrial de Berlín en 1879; dicha locomotora fue construida para remolcar vagonetas con carbón en la minas alemanas, haciendo un trayecto circular de 300 m. y recogiendo la corriente de un carril especial situado en el eje de la vía.
Locomotora eléctrica para la Exposición Industrial de Berlín de 1879
A finales del siglo XIX se produce el gran desarrollo de los tranvías, sobre todo en Estados Unidos. El primer tranvía con tracción eléctrica que funcionó en el mundo fue realizado en Europa por Siemens en 1881, pero los avances en este campo en Europa serán lentos por lo que el desarrollo a gran escala de este medio de transporte urbano se basará casi siempre en los avances americanos.
Es en 1888 cuando se produce el gran "boom" de la tracción eléctrica en los Estados Unidos con la puesta en servicio de 33 líneas ferroviarias eléctricas con 210 Km y 265 vehículos en total. A partir de este año y sucesivamente se irán inaugurando nuevas líneas llegando hasta unos 23000 Km de líneas a principios del siglo XX.
Desde los comienzos de las investigaciones en el campo de la tracción eléctrica tanto los inventores europeos como americanos vieron la posibilidad de aplicarla a los metropolitanos, siendo la primera línea de metro inaugurada en Londres en 1890.
Otra de las aplicaciones de la tracción eléctrica se llevará a cabo en vehículos atípicos como los de cremallera y los monorraíles:
Las locomotoras de cremallera son utilizadas fundamentalmente en tramos con pendientes muy pronunciadas, y fue en Suiza donde, en 1884, se realizó el primer ensayo con una vagoneta eléctrica de cremallera, y en 1888 en Estados Unidos apareció la primera locomotora de cremallera. Fue a partir de entonces cuando la tracción eléctrica de cremallera sufra una constante evolución, sobre todo en aquellos países que, como Suiza, tienen un territorio montañoso.
Locomotora de cremallera suiza de 1898
La primera aparición de los monoraíles se produce en la Exposición de Lyon del año 1872, siendo en 1898 en Alemania la primera vez que se pone en funcionamiento el monorrail en una línea ferroviaria.
Tren monorraíl alemán (TRANSRAPID)
En el corto espacio de tiempo que transcurre desde los primeros ensayos hasta la verdadera aplicación de la electricidad a la tracción ferroviaria se ha producido un gran desarrollo técnico de este tipo de tracción. Las locomotoras eléctricas crecen en tamaño, potencia, número de ejes y aumenta su velocidad. De esta manera, en 1903, dos automotores eléctricos, uno construido por Siemens y otro por A.E.G., alcanzaron la velocidad de 210 Km/h, el doble de la que llevaban los expresos más rápidos de la época.
Automotor eléctrico trifásico construido por A.E.G. en 1903
Al comenzar el siglo XX tiene lugar el desarrollo a gran escala de las electrificaciones de líneas ferroviarias en Estados Unidos y Europa. Destacan ya entonces tres sistemas de electrificación: el de corriente trifásica, corriente continua y corriente monofásica.
Evolución de la tracción eléctrica en España:
Serán las compañías de ferrocarriles quienes llevarán a cabo en un comienzo la electrificación en España, de acuerdo a sus necesidades de explotación y en aquellos tramos donde las características topográficas y climatológicas hacían difícil la tracción a vapor.
Hay que diferenciar el avance en las líneas de vía ancha y en las de vía estrecha:
1) El primer tramo de línea de vía ancha electrificada en España fue el tramo Gérgal-Santa Fe, del ferrocarril Linares-Almería, en 1911. Para su electrificación se eligió el sistema de corriente trifásica de 500 v. y 25 Hz. La línea aérea estaba constituida por dos hilos de contacto de cobre y la tercera fase la constituía el carril. Más tarde, en 1963, se electrificaría la línea hasta Almería. Para el recorrido de esta línea se utilizaron cuatro locomotoras con equipo eléctrico suizo.
En 1925 se inaugura la electrificación del Puerto de Pajares en respuesta a la gran dificultad de la explotación de la línea con tracción a vapor, debido al difícil y abrupto trazado que presentaba la línea durante su recorrido. A partir de este punto se seguirán electrificando más líneas a lo largo de todo el territorio español.
2) Paralelamente a las electrificaciones en vías de ancho normal se realizaba este proceso en las líneas de vía estrecha. La primera de todas fue la del tramo Sarriá-Barcelona en 1905, para seguir con los años venideros electrificando nuevas líneas, hasta llegar a tener un total de 300 Km de vía estrecha totalmente electrificados antes del estallido de la Guerra Civil.
En 1941 se constituye la RENFE, planteándose introducir la tracción eléctrica a mayor escala y potenciar las electrificaciones. En 1946 se aprueba un extenso Plan de Electrificación en el que se especifica que las nuevas electrificaciones debían hacerse a 3000 v, excepto las de Miranda-Alsasua y Bilbao que se realizaron a 1500 v para dar continuidad a las líneas electrificadas ya existentes. La elección de 3000 v en la electrificación hacía caso a dos argumentos:
1) Conseguir una mayor economía en las instalaciones. 2) Ya se habían superado las dificultades para conseguir material a la nueva tensión.
Hasta la década de los cincuenta no se materializarían las primeras inauguraciones a 3000 v , realizándose dos electrificaciones con carácter provisional a 1500 v: Barcelona-Mataró en 1948, para conmemorar el centenario del primer ferrocarril en España y el tramo Torres-Brañuelas en 1949. Estas electrificaciones se transformarían más tarde a 3000 v.
De 1945 a 1984 se lleva a cabo el proceso de cambio de tensión de 1500 v a 3000 v, quedando únicamente electrificada a 1500 v la línea Bilbao-Portugalete. También de 1954 a 1968 se electrificaron unos 2500 Km de vía nueva.
En 1972 el gobierno aprueba el Plan de Electrificación que plantea electrificar 2322 Km entre 1975 y 1977. Así se llega a la década de los noventa con un total de unos 6300 Km de vía electrificada por RENFE.
ANEXO -- TRENES DE ALTA VELOCIDAD
Los trenes de alta velocidad representan la última generación del ferrocarril en el mundo. Japón y muchos países europeos llevan unos treinta años realizando grandes inversiones en ferrocarril de gran velocidad para unir sus principales ciudades. La atención prestada a los trenes rápidos que superan los 200 Km/h viene justificada por la necesidad de aliviar la congestión del tráfico aéreo y por carretera, a la vez que se reducen los costes de explotación y la contaminación.
Hace ya más de medio siglo que se sabe que algunos trenes corrientes podían alcanzar velocidades del orden de 300 Km/h aplicando mayor potencia de tracción. Pero estas enormes velocidades se consideraron de imposible aplicación porque los vagones dañaban seriamente las vías y su conservación requería mucho esfuerzo, siendo excesivamente caro.
Los ingenieros japoneses mediante la construcción de vías con curvas poco cerradas y pendientes poco pronunciadas, sin alterar en gran medida los propios trenes, lograron alcanzar velocidades de unos 200 Km/h en algunos trayectos. Posteriormente en 1964 se marcó un hito en la historia del ferrocarril con la inauguración en Japón de la línea "Nuevo Tokaido", que unía Tokio y Osaka; esta línea prestaba el servicio más rápido del mundo con una velocidad de 240 Km/h, denominando a los trenes que circulan por esta línea "trenes bala".
A partir de este momento se despertó un nuevo interés por superar los obstáculos técnicos que impedían alcanzar velocidades mayores. Así se ha llegado a que trenes tan famosos como el TGV francés, las líneas ICE en Alemania, los trenes Eurostar que unen París y Bruselas con Londres a través del túnel del Canal de la Mancha o las últimas generaciones del tren bala superen los 300 Km/h, llegando hasta nuestros días a conseguir poner el TGV francés al actual récord mundial de velocidad: 515.3 Km/h, gracias a un nuevo sistema de suspensión neumática que proporciona a estos trenes de una mayor estabilidad.
Locomotora del TGV francés
En España actualmente hay una línea de alta velocidad en servicio entre Madrid y Sevilla: el AVE (a la espera de la finalización de la construcción de la nueva línea AVE Madrid-Barcelona). Las características de esta línea son las siguientes:
- Longitud de 417 Km. - Velocidad máxima 300 Km/h. - Ancho de vía de 1435 mm.
AVE español
Características técnicas de una línea de alta velocidad:
1) En las instalaciones:
· Las vías: tienen unas curvas con radios superiores a las convencionales, como mínimo 3000 ó 3500 m, siendo en una línea convencional de hasta 500 m. el radio en las curvas.
· Los túneles:tienen una sección considerablemente mayor que en las líneas convencionales, para evitar los efectos aerodinámicos debidos al cruce de trenes a velocidades relativas de 500 Km/h.
2) En la estructura del tren: Como las locomotoras de las líneas de alta velocidad son capaces de superar los 250 Km/h, los trenes de alta velocidad son composiciones indeformables en las dos cabezas motrices, una en cada extremo (es decir, que no se pueden separar unos coches de otros como en los trenes convencionales), y encuadran un número determinado de remolques.
Un tren pesado somete a las vías a mayores esfuerzos que un tren ligero, aumentando en consecuencia los costes de mantenimiento y el consumo de combustible; para proteger las vías los trenes rápidos han de pesar lo menos posible. Para reducir el peso se toman diferentes medidas:
· Se fabrican los vagones con materiales más ligeros, lo que ha permitido fabricar vagones de dos pisos que no pesan más que los de un piso.
· Los motores de tracción se han aligerado sin sacrificar la potencia gracias a nuevos diseños y a la utilización de materiales más ligeros.
· Los transformadores, que tienen la misión de suministrar diferentes voltajes y potencias para los motores, son de las partes más pesadas del tren; la construcción de transformadores con láminas de aluminio y de acero aleado con cobalto en lugar de hilos de cobre ha permitido reducir su peso de 11 a 7.5 toneladas.
3) En la señalización de la línea: Debido a las altas velocidades a las que se circula no son visibles las señales convencionales y se requiere la visualización de las indicaciones de velocidad en la cabina del maquinista. Sofisticados sistemas de control vigilan el estricto cumplimiento de todas las órdenes de circulación que se transmiten al maquinista. Los maquinistas están en contacto permanente con el puesto de control mediante equipos de radio, para comunicar cualquier orden o consulta que requieran.
4) En la mecánica del tren:
· Al aumentar mucho la velocidad del tren aumentan también las vibraciones producidas por el contacto de las ruedas con los raíles, este problema se puede solucionar de dos maneras:
o Se recurre a separar más la distancia entre los bogies que la que tienen en los trenes convencionales, consiguiendo así una mayor estabilidad.
o Se instalan sistemas que inclinan el tren para que realice el seguimiento de las curvas, de esta manera los coches pueden pivotar sobre los bogies e inclinarse para contrarrestar las fuerzas que actúan sobre el tren y los pasajeros.
· El sistema de frenado es asimismo más potente de lo común y emplea diversos sistemas:
o El propio motor de tracción que actúa como generador de corriente utilizando la energía que desarrolla el tren de tal manera que reduce la velocidad a medida que va produciendo energía eléctrica, la cual a su vez puede ser devuelta a la línea de alimentación pasando por catenarias aéreas para alimentar a otros trenes que circulen por la misma línea o bien para la regulación de la temperatura ambiente u otros usos del propio tren.
o También se usan frenos convencionales de disco, de alta potencia y, en algunos casos, frenos por zapatas.
· El sistema de suspensión utilizado es doble y se revisa de manera especial, ya que si bien las líneas de alta velocidad no tienen apenas defectos en las vías cualquier posible irregularidad, por pequeña que sea, tiene una repercusión importante a la velocidad que se van a franquear. El sistema de suspensión doble anteriormente comentado es una mezcla de suspensión neumática y de muelles de acero.
ANEXO -- EL TREN DE LEVITACION MAGNETICA
Son varios los países que han trabajado en el desarrollo de los sistemas de levitación magnética en los ferrocarriles, aunque actualmente sólo Alemania y Japón tienen proyectos concretos que podrían ser implantados para uso comercial en un futuro inmediato. Las dos teorías seguidas por estos países en el desarrollo de este tipo de ferrocarril son las siguientes:
El modelo alemán se basa en la suspensión usando electroimanes DC controlados.
Sistema de suspensión del modelo alemán
El modelo japonés utiliza levitación mediante la aplicación de materiales superconductores.
Debido a que en la actualidad está más desarrollado el proyecto japonés se planteará esta opción mejor que la alemana en la explicación de este apartado.
En Japón existe en la actualidad la línea Tokyo-Osaka del tren bala Tokaido Shinkasen que es utilizada diariamente por un gran número de pasajeros. Dicha línea fue inaugurada en 1964 y dicho tren alcanza una velocidad máxima de 270 Km/h; recorre la totalidad de la distancia de la línea en 150 minutos, y transporta alrededor de 140 millones de pasajeros al año. Cada día salen de la estación central de Tokyo 140 trenes con 16 vagones. Cada tren mide 400 m y puede llevar hasta 1300 pasajeros. Debido a que la demanda es superior a la oferta es obvio que Japón necesita otra línea de alta velocidadentre Tokyo y Osaka, y de aquí el gran interés por el rápido desarrollo del proyecto del tren de levitación en este país.
Las razones para la elección de este sistema de transporte son las siguientes:
Debido a la falta de rozamientos, la velocidad máxima teórica que puede alcanzar es muy superior a la de un tren convencional.
Es un tren muy seguro, pues sus características constructivas hacen imposible el descarrilamiento.
Como no existe contacto entre las partes móviles, éstas apenas se desgastan. Además desaparece la catenaria. Todo esto facilita el mantenimiento de los vehículos y la vía.
Presenta niveles muy bajos de contaminación acústica.
La única fuerza que limita su avance es la resistencia del aire.
El principio de funcionamiento de este tren es su propulsión, levitación y guiado por medio de la fuerza electromagnética que actúa entre los imanes superconductores del tren y las bobinas de la vía.
El sistema de propulsión del vehículo es un motor síncrono lineal:
El inductor son las bobinas trifásicas colocadas en la vía.
El inducido son las bobinas superconductoras del tren.
La vía se divide en partes de una determinada longitud y las bobinas que están dentro de cada parte se conectan en serie entre sí formando una sección de alimentación. Cada sección se conecta a la toma de corriente mediante un interruptor de sección.
El sistema de levitación está compuesto por un imán superconductor en el tren y bobinas cortocircuitadas en la vía, las cuales pueden sustituirse por unas planchas de metal, haciendo el mismo efecto.
Cuando el vehículo se mueve lo hace también el campo magnético creado por los imanes superconductores. Si el circuito es inductivo se genera una fuerza de levitación, mientras que si es resistivo la fuerza de levitación se anula y aparece una fuerza magnética de resistencia que se opone al movimiento.
Como este sistema se basa en la corriente inducida en la bobina de la vía, la fuerza de levitación es cero cuando está parado. La fuerza de levitación aumenta con la velocidad del vehículo, aunque por encima de cierta velocidad el aumento es mínimo. Cuando la fuerza de levitación iguala el peso del vehículo, éste despega.
Además el sistema de levitación genera una fuerza lateral que debe ser considerada y anulada por el sistema de guiado.
El sistema de guiado se basa en el mismo principio que el sistema de levitación. La diferencia entre ambos reside en que el sistema de levitación actúa siempre para generar una fuerza que soporte el peso del vehículo, mientras que el sistema de guiado genera una fuerza sólo cuando el vehículo se desplaza lateralmente; por todo esto se suelen conectar entre sí las bobinas de ambos lados de la vía.
-> Sistema de levitación
-> Sistema de guiado
Dentro del apartado de construcción del sistema del tren lo que más se tiene en cuenta es el aspecto económico, por lo que para abaratar costes por kilómetro de vía es necesario disminuir el número de bobinas. Para llegar a tal objetivo se ha optado, tras numerosos estudios, por la disposición vertical de las bobinas.
Los convertidores de potencia alimentan las bobinas de propulsión de la guía, lo que hace que estas bobinas actúen como imanes. La interacción entre las bobinas de propulsión y los imanes superconductores del tren produce la fuerza propulsora.
Los imanes superconductores ejercen fuerzas de atracción y repulsión sobre las bobinas de la base, por lo que éstas deben de ser lo suficientemente resistentes. Como las bobinas de propulsión deben instalarse a lo largo de toda la vía, deben de ser lo más baratas posible.
Para reducir considerablemente el campo creado por los armónicos se adopta por disponer las bobinas en doble capa, cubriendo cada bobina 180º eléctricos.
Cualquier mecanismo basado en superconductividad necesita un sistema de refrigeración, ya que a temperaturas altas los materiales superconductores pierden sus propiedades y se vuelven conductores.
El sistema de refrigeración utilizado en el tren japonés es un ciclo de gas cerrado en el que el refrigerador está directamente conectado al tanque de helio del imán y el compresor está situado en el vagón. Las partes de este sistema de refrigeración son:
Un refrigerador de helio.
Un compresor.
Un tanque de reserva de helio.
Una unidad de control.
Sistema de refrigeración
Las condiciones que debe cumplir dicho sistema de refrigeración son:
El helio evaporado por las pérdidas de calor y las vibraciones producidas por el movimiento tiene que ser licuado de nuevo por el compresor y el refrigerador de manera uniforme.
Durante la carga y descarga del superconductor (operación que normalmente se realiza una vez al día), el nivel de helio líquido decrece en el tanque, por lo que debe ser almacenado este helio evaporado en un tanque en cuanto la unidad de control detecte el incremento de presión en la entrada del compresor. El gas almacenado en el tanque se licuará de nuevo en el refrigerador por la noche; así la cantidad de helio líquido será la misma a la mañana siguiente.
Esto significa que el sistema puede funcionar sin la reposición periódica de helio líquido incluso cargando y descargando diariamente el superconductor.
Cuando ocurre alguna avería en el refrigerador o el aumento de temperatura excede temporalmente la capacidad del refrigerador, es deseable que la influencia sea pequeña y que el imán superconductor siga funcionando el mayor tiempo posible.
Dado que el sistema de refrigeración va a ir a bordo del tren no es deseable que por causa de él aumente la magnitud de las fuerzas electromagnéticas necesarias para mover el vehículo, ni que consuman gran cantidad e energía eléctrica.
Para el correcto funcionamiento del sistema de propulsión el vehículo dispone de sensores de posición que por medio de un transmisor emiten señales de radio a través de un cable coaxial hasta el centro de control. Esta comunicación es bidireccional. En el centro de control, basándose en las señales recibidas desde el vehículo, se calcula la velocidad y distancia. Después se comunica al controlador (situado en la subestación y que controla los convertidores) la corriente apropiada para que el vehículo circule correctamente.
El convertidor juega el papel más importante en el funcionamiento del tren magnético, ya que se encarga de suministrar la energía a las bobinas de propulsión que se encuentran en las vías.
Ultimo prototipo, aún en fase de desarrollo, para el tren magnético de levitación japonés.
¿Cuál es el tren más rápido?.
El tren más rápido es el TGV.
El TREN FRANCÉS DE ALTA VELOCIDAD -el Train à Grande Vitesse o TGV- ostenta el récord mundial de velocidad para un tren sobre raíles En 1990, durante un recorrido de prueba sin pasajeros entre Paris y Tours, el TGV alcanzó una velocidad de 515 km/h: una vez y media la de un coche de carreras de fórmula 1. En el servicio normal el TGV también supera fácilmente a cualquier otro tren. El viaje de 425 Km entre Paris y Lyon lo hace en unas dos horas.
El TGV va movido por la corriente eléctrica de un cable suspendido encima. Lleva dos locomotoras, una en cabeza y otra en la cola del tren y tanto estas como los vagones son muy aerodinámicos, con lo que el tren no consume más energía que uno corriente.
Si volvemos a los trenes de vapor, en la cabina del maquinista hay una serie de palancas e indicadores, se siente el calor abrasador del hogar y el ruido del tanqueto es ensordecedor.
La cabina del TGV parece más un despacho moderno y el ruido de la locomotora apenas es mayor que el zumbido de los ordenadores. El maquinista vigila la marcha del tren en la pantalla de un ordenador y da instrucciones mediante un teclado. Los ordenadores de a bordo están enlazados por radio con el centro de comunicarse y otros trenes de la línea. Los frenos, el aire acondicionado y otros equipos también funcionan por ordenador.
El TGV de alta velocidad puede subir las pendientes cuatro veces mas deprisa que casi todos los demás trenes. Por ello, el trazado de la línea puede ser mucho más recto, ahorrando construir una buena parte del coste de construir una vía a nivel a través de terreno montañoso.
El TGV tiene unos juegos de cuatro ruedas llamados bogies que van situados entre los vagones. Su diseño permite que el tren se incline un poco al tomar las curvas a gran velocidad. También se necesitan menos ruedas, con lo que se reduce la fricción.
1) Con corriente continua: Fue la que primero se utilizó; al no saberse cómo transformar la tensión se tenía la misma tensión de transporte sobre la línea de contacto que la que hacía funcionar a los motores: 700-3000 v -> Tensión muy baja -> dos consecuencias:
1- Intensidades de miles de amperios por las líneas de contacto para conseguir la potencia necesaria.
2- Catenaria de gran sección y subestaciones muy próximas (del orden de a 20 Km para una línea de 1500 v) para evitar las grandes caídas de tensión.
2) Con corriente alterna monofásica: Hay dos tipos según la frecuencia utilizada:
1- De frecuencia especial: Se suele adoptar una corriente de frecuencia menor que la frecuencia normal (de 16 2/3 Hz). Esta clase de tracción eléctrica se utiliza en CentroEuropa (Suiza, Alemania, Austria), Suecia y Noruega.
2- De frecuencia industrial (a 50 Hz): Surge con el objetivo de crear instalaciones ligeras e intentar integrar el ferrocarril en la red industrial.
3) Con corriente alterna trifásica: Al principio se dejó de lado este tipo de tracción ya que pese a usar motores trifásicos, que son robustos y baratos, presentaba dos inconvenientes:
1- Necesidad de instalar doble catenaria, con la vía como tercera fase. 2- Dificultad para regular la velocidad, al depender ésta directamente de la frecuencia (n=60·f/p).
Más adelante, unos setenta años después, fue retomada esta opción de tracción eléctrica debido al gran desarrollo tecnológico acaecido durante todos estos años, especialmente en el campo de la electrónica de potencia y los semiconductores.
Diagrama de bloques de una locomotora de corriente alterna con motores de corriente alterna
Gracias a esta tracción se ha conseguido el récord de velocidad de 515.3 Km/h.
Se pueden distinguir tres periodos en los avances de la tracción eléctrica:
El primer periodo llega hasta 1905 y se caracteriza por la aparición del motor eléctrico de continua. La locomotora eléctrica es entonces una máquina autónoma semejante a la de vapor y su energía se acumula en una especie de "ténder" donde se sitúan las pilas o acumuladores de alimentación.
El segundo periodo está unido al desarrollo del transformador de corriente alterna, el cual posibilita corrientes de tensión elevadas. A partir de este momento la corriente se va a producir en lugares alejados de la máquina, con lo cual ésta va perdiendo su autonomía. Aparecen diversos tipos de electrificaciones: de corriente continua o alterna.
El tercer periodo comienza antes de la Segunda Guerra Mundial, con la aparición de convertidores que permitirán transformar la corriente alterna en continua en el interior de la locomotora.
Desde hace mucho tiempo se conoce tanto la electricidad estática como el magnetismo; en el siglo XVIII el italiano Volta inventa la pila y durante el XIX el danés Oerstedt, el americano G. Henry y el francés Ampére realizan grandes descubrimientos y progresos en el campo del electromagnetismo. En 1832 Faraday constata la existencia de corrientes inducidas por el movimiento de un imán en una bobina; todos estos descubrimientos son el origen de la realización de las primeras máquinas eléctricas rotativas y el comienzo de la aplicación de la electricidad en lugar del vapor en la tracción ferroviaria.
Las primeras locomotoras eléctricas que transportaron viajeros las diseñaron los americanos Farmer y Hall, siendo la ideada por este último la primera que tomaba la corriente directamente del carril.
En Europa Swear y Bessolo posibilitan conducir la corriente por medio de hilos análogos a los del telégrafo y suspendidos de postes.
El verdadero nacimiento de la tracción eléctrica se considera cuando la sociedad Siemens y Halske construyen una pequeña locomotora eléctrica para la Exposición Industrial de Berlín en 1879; dicha locomotora fue construida para remolcar vagonetas con carbón en la minas alemanas, haciendo un trayecto circular de 300 m. y recogiendo la corriente de un carril especial situado en el eje de la vía.
Locomotora eléctrica para la Exposición Industrial de Berlín de 1879
A finales del siglo XIX se produce el gran desarrollo de los tranvías, sobre todo en Estados Unidos. El primer tranvía con tracción eléctrica que funcionó en el mundo fue realizado en Europa por Siemens en 1881, pero los avances en este campo en Europa serán lentos por lo que el desarrollo a gran escala de este medio de transporte urbano se basará casi siempre en los avances americanos.
Es en 1888 cuando se produce el gran "boom" de la tracción eléctrica en los Estados Unidos con la puesta en servicio de 33 líneas ferroviarias eléctricas con 210 Km y 265 vehículos en total. A partir de este año y sucesivamente se irán inaugurando nuevas líneas llegando hasta unos 23000 Km de líneas a principios del siglo XX.
Desde los comienzos de las investigaciones en el campo de la tracción eléctrica tanto los inventores europeos como americanos vieron la posibilidad de aplicarla a los metropolitanos, siendo la primera línea de metro inaugurada en Londres en 1890.
Otra de las aplicaciones de la tracción eléctrica se llevará a cabo en vehículos atípicos como los de cremallera y los monorraíles:
Las locomotoras de cremallera son utilizadas fundamentalmente en tramos con pendientes muy pronunciadas, y fue en Suiza donde, en 1884, se realizó el primer ensayo con una vagoneta eléctrica de cremallera, y en 1888 en Estados Unidos apareció la primera locomotora de cremallera. Fue a partir de entonces cuando la tracción eléctrica de cremallera sufra una constante evolución, sobre todo en aquellos países que, como Suiza, tienen un territorio montañoso.
Locomotora de cremallera suiza de 1898
La primera aparición de los monoraíles se produce en la Exposición de Lyon del año 1872, siendo en 1898 en Alemania la primera vez que se pone en funcionamiento el monorrail en una línea ferroviaria.
Tren monorraíl alemán (TRANSRAPID)
En el corto espacio de tiempo que transcurre desde los primeros ensayos hasta la verdadera aplicación de la electricidad a la tracción ferroviaria se ha producido un gran desarrollo técnico de este tipo de tracción. Las locomotoras eléctricas crecen en tamaño, potencia, número de ejes y aumenta su velocidad. De esta manera, en 1903, dos automotores eléctricos, uno construido por Siemens y otro por A.E.G., alcanzaron la velocidad de 210 Km/h, el doble de la que llevaban los expresos más rápidos de la época.
Automotor eléctrico trifásico construido por A.E.G. en 1903
Al comenzar el siglo XX tiene lugar el desarrollo a gran escala de las electrificaciones de líneas ferroviarias en Estados Unidos y Europa. Destacan ya entonces tres sistemas de electrificación: el de corriente trifásica, corriente continua y corriente monofásica.
Evolución de la tracción eléctrica en España:
Serán las compañías de ferrocarriles quienes llevarán a cabo en un comienzo la electrificación en España, de acuerdo a sus necesidades de explotación y en aquellos tramos donde las características topográficas y climatológicas hacían difícil la tracción a vapor.
Hay que diferenciar el avance en las líneas de vía ancha y en las de vía estrecha:
1) El primer tramo de línea de vía ancha electrificada en España fue el tramo Gérgal-Santa Fe, del ferrocarril Linares-Almería, en 1911. Para su electrificación se eligió el sistema de corriente trifásica de 500 v. y 25 Hz. La línea aérea estaba constituida por dos hilos de contacto de cobre y la tercera fase la constituía el carril. Más tarde, en 1963, se electrificaría la línea hasta Almería. Para el recorrido de esta línea se utilizaron cuatro locomotoras con equipo eléctrico suizo.
En 1925 se inaugura la electrificación del Puerto de Pajares en respuesta a la gran dificultad de la explotación de la línea con tracción a vapor, debido al difícil y abrupto trazado que presentaba la línea durante su recorrido. A partir de este punto se seguirán electrificando más líneas a lo largo de todo el territorio español.
2) Paralelamente a las electrificaciones en vías de ancho normal se realizaba este proceso en las líneas de vía estrecha. La primera de todas fue la del tramo Sarriá-Barcelona en 1905, para seguir con los años venideros electrificando nuevas líneas, hasta llegar a tener un total de 300 Km de vía estrecha totalmente electrificados antes del estallido de la Guerra Civil.
En 1941 se constituye la RENFE, planteándose introducir la tracción eléctrica a mayor escala y potenciar las electrificaciones. En 1946 se aprueba un extenso Plan de Electrificación en el que se especifica que las nuevas electrificaciones debían hacerse a 3000 v, excepto las de Miranda-Alsasua y Bilbao que se realizaron a 1500 v para dar continuidad a las líneas electrificadas ya existentes. La elección de 3000 v en la electrificación hacía caso a dos argumentos:
1) Conseguir una mayor economía en las instalaciones. 2) Ya se habían superado las dificultades para conseguir material a la nueva tensión.
Hasta la década de los cincuenta no se materializarían las primeras inauguraciones a 3000 v , realizándose dos electrificaciones con carácter provisional a 1500 v: Barcelona-Mataró en 1948, para conmemorar el centenario del primer ferrocarril en España y el tramo Torres-Brañuelas en 1949. Estas electrificaciones se transformarían más tarde a 3000 v.
De 1945 a 1984 se lleva a cabo el proceso de cambio de tensión de 1500 v a 3000 v, quedando únicamente electrificada a 1500 v la línea Bilbao-Portugalete. También de 1954 a 1968 se electrificaron unos 2500 Km de vía nueva.
En 1972 el gobierno aprueba el Plan de Electrificación que plantea electrificar 2322 Km entre 1975 y 1977. Así se llega a la década de los noventa con un total de unos 6300 Km de vía electrificada por RENFE.
ANEXO -- TRENES DE ALTA VELOCIDAD
Los trenes de alta velocidad representan la última generación del ferrocarril en el mundo. Japón y muchos países europeos llevan unos treinta años realizando grandes inversiones en ferrocarril de gran velocidad para unir sus principales ciudades. La atención prestada a los trenes rápidos que superan los 200 Km/h viene justificada por la necesidad de aliviar la congestión del tráfico aéreo y por carretera, a la vez que se reducen los costes de explotación y la contaminación.
Hace ya más de medio siglo que se sabe que algunos trenes corrientes podían alcanzar velocidades del orden de 300 Km/h aplicando mayor potencia de tracción. Pero estas enormes velocidades se consideraron de imposible aplicación porque los vagones dañaban seriamente las vías y su conservación requería mucho esfuerzo, siendo excesivamente caro.
Los ingenieros japoneses mediante la construcción de vías con curvas poco cerradas y pendientes poco pronunciadas, sin alterar en gran medida los propios trenes, lograron alcanzar velocidades de unos 200 Km/h en algunos trayectos. Posteriormente en 1964 se marcó un hito en la historia del ferrocarril con la inauguración en Japón de la línea "Nuevo Tokaido", que unía Tokio y Osaka; esta línea prestaba el servicio más rápido del mundo con una velocidad de 240 Km/h, denominando a los trenes que circulan por esta línea "trenes bala".
A partir de este momento se despertó un nuevo interés por superar los obstáculos técnicos que impedían alcanzar velocidades mayores. Así se ha llegado a que trenes tan famosos como el TGV francés, las líneas ICE en Alemania, los trenes Eurostar que unen París y Bruselas con Londres a través del túnel del Canal de la Mancha o las últimas generaciones del tren bala superen los 300 Km/h, llegando hasta nuestros días a conseguir poner el TGV francés al actual récord mundial de velocidad: 515.3 Km/h, gracias a un nuevo sistema de suspensión neumática que proporciona a estos trenes de una mayor estabilidad.
Locomotora del TGV francés
En España actualmente hay una línea de alta velocidad en servicio entre Madrid y Sevilla: el AVE (a la espera de la finalización de la construcción de la nueva línea AVE Madrid-Barcelona). Las características de esta línea son las siguientes:
- Longitud de 417 Km. - Velocidad máxima 300 Km/h. - Ancho de vía de 1435 mm.
AVE español
Características técnicas de una línea de alta velocidad:
1) En las instalaciones:
· Las vías: tienen unas curvas con radios superiores a las convencionales, como mínimo 3000 ó 3500 m, siendo en una línea convencional de hasta 500 m. el radio en las curvas.
· Los túneles:tienen una sección considerablemente mayor que en las líneas convencionales, para evitar los efectos aerodinámicos debidos al cruce de trenes a velocidades relativas de 500 Km/h.
2) En la estructura del tren: Como las locomotoras de las líneas de alta velocidad son capaces de superar los 250 Km/h, los trenes de alta velocidad son composiciones indeformables en las dos cabezas motrices, una en cada extremo (es decir, que no se pueden separar unos coches de otros como en los trenes convencionales), y encuadran un número determinado de remolques.
Un tren pesado somete a las vías a mayores esfuerzos que un tren ligero, aumentando en consecuencia los costes de mantenimiento y el consumo de combustible; para proteger las vías los trenes rápidos han de pesar lo menos posible. Para reducir el peso se toman diferentes medidas:
· Se fabrican los vagones con materiales más ligeros, lo que ha permitido fabricar vagones de dos pisos que no pesan más que los de un piso.
· Los motores de tracción se han aligerado sin sacrificar la potencia gracias a nuevos diseños y a la utilización de materiales más ligeros.
· Los transformadores, que tienen la misión de suministrar diferentes voltajes y potencias para los motores, son de las partes más pesadas del tren; la construcción de transformadores con láminas de aluminio y de acero aleado con cobalto en lugar de hilos de cobre ha permitido reducir su peso de 11 a 7.5 toneladas.
3) En la señalización de la línea: Debido a las altas velocidades a las que se circula no son visibles las señales convencionales y se requiere la visualización de las indicaciones de velocidad en la cabina del maquinista. Sofisticados sistemas de control vigilan el estricto cumplimiento de todas las órdenes de circulación que se transmiten al maquinista. Los maquinistas están en contacto permanente con el puesto de control mediante equipos de radio, para comunicar cualquier orden o consulta que requieran.
4) En la mecánica del tren:
· Al aumentar mucho la velocidad del tren aumentan también las vibraciones producidas por el contacto de las ruedas con los raíles, este problema se puede solucionar de dos maneras:
o Se recurre a separar más la distancia entre los bogies que la que tienen en los trenes convencionales, consiguiendo así una mayor estabilidad.
o Se instalan sistemas que inclinan el tren para que realice el seguimiento de las curvas, de esta manera los coches pueden pivotar sobre los bogies e inclinarse para contrarrestar las fuerzas que actúan sobre el tren y los pasajeros.
· El sistema de frenado es asimismo más potente de lo común y emplea diversos sistemas:
o El propio motor de tracción que actúa como generador de corriente utilizando la energía que desarrolla el tren de tal manera que reduce la velocidad a medida que va produciendo energía eléctrica, la cual a su vez puede ser devuelta a la línea de alimentación pasando por catenarias aéreas para alimentar a otros trenes que circulen por la misma línea o bien para la regulación de la temperatura ambiente u otros usos del propio tren.
o También se usan frenos convencionales de disco, de alta potencia y, en algunos casos, frenos por zapatas.
· El sistema de suspensión utilizado es doble y se revisa de manera especial, ya que si bien las líneas de alta velocidad no tienen apenas defectos en las vías cualquier posible irregularidad, por pequeña que sea, tiene una repercusión importante a la velocidad que se van a franquear. El sistema de suspensión doble anteriormente comentado es una mezcla de suspensión neumática y de muelles de acero.
ANEXO -- EL TREN DE LEVITACION MAGNETICA
Son varios los países que han trabajado en el desarrollo de los sistemas de levitación magnética en los ferrocarriles, aunque actualmente sólo Alemania y Japón tienen proyectos concretos que podrían ser implantados para uso comercial en un futuro inmediato. Las dos teorías seguidas por estos países en el desarrollo de este tipo de ferrocarril son las siguientes:
El modelo alemán se basa en la suspensión usando electroimanes DC controlados.
Sistema de suspensión del modelo alemán
El modelo japonés utiliza levitación mediante la aplicación de materiales superconductores.
Debido a que en la actualidad está más desarrollado el proyecto japonés se planteará esta opción mejor que la alemana en la explicación de este apartado.
En Japón existe en la actualidad la línea Tokyo-Osaka del tren bala Tokaido Shinkasen que es utilizada diariamente por un gran número de pasajeros. Dicha línea fue inaugurada en 1964 y dicho tren alcanza una velocidad máxima de 270 Km/h; recorre la totalidad de la distancia de la línea en 150 minutos, y transporta alrededor de 140 millones de pasajeros al año. Cada día salen de la estación central de Tokyo 140 trenes con 16 vagones. Cada tren mide 400 m y puede llevar hasta 1300 pasajeros. Debido a que la demanda es superior a la oferta es obvio que Japón necesita otra línea de alta velocidadentre Tokyo y Osaka, y de aquí el gran interés por el rápido desarrollo del proyecto del tren de levitación en este país.
Las razones para la elección de este sistema de transporte son las siguientes:
Debido a la falta de rozamientos, la velocidad máxima teórica que puede alcanzar es muy superior a la de un tren convencional.
Es un tren muy seguro, pues sus características constructivas hacen imposible el descarrilamiento.
Como no existe contacto entre las partes móviles, éstas apenas se desgastan. Además desaparece la catenaria. Todo esto facilita el mantenimiento de los vehículos y la vía.
Presenta niveles muy bajos de contaminación acústica.
La única fuerza que limita su avance es la resistencia del aire.
El principio de funcionamiento de este tren es su propulsión, levitación y guiado por medio de la fuerza electromagnética que actúa entre los imanes superconductores del tren y las bobinas de la vía.
El sistema de propulsión del vehículo es un motor síncrono lineal:
El inductor son las bobinas trifásicas colocadas en la vía.
El inducido son las bobinas superconductoras del tren.
La vía se divide en partes de una determinada longitud y las bobinas que están dentro de cada parte se conectan en serie entre sí formando una sección de alimentación. Cada sección se conecta a la toma de corriente mediante un interruptor de sección.
El sistema de levitación está compuesto por un imán superconductor en el tren y bobinas cortocircuitadas en la vía, las cuales pueden sustituirse por unas planchas de metal, haciendo el mismo efecto.
Cuando el vehículo se mueve lo hace también el campo magnético creado por los imanes superconductores. Si el circuito es inductivo se genera una fuerza de levitación, mientras que si es resistivo la fuerza de levitación se anula y aparece una fuerza magnética de resistencia que se opone al movimiento.
Como este sistema se basa en la corriente inducida en la bobina de la vía, la fuerza de levitación es cero cuando está parado. La fuerza de levitación aumenta con la velocidad del vehículo, aunque por encima de cierta velocidad el aumento es mínimo. Cuando la fuerza de levitación iguala el peso del vehículo, éste despega.
Además el sistema de levitación genera una fuerza lateral que debe ser considerada y anulada por el sistema de guiado.
El sistema de guiado se basa en el mismo principio que el sistema de levitación. La diferencia entre ambos reside en que el sistema de levitación actúa siempre para generar una fuerza que soporte el peso del vehículo, mientras que el sistema de guiado genera una fuerza sólo cuando el vehículo se desplaza lateralmente; por todo esto se suelen conectar entre sí las bobinas de ambos lados de la vía.
-> Sistema de levitación
-> Sistema de guiado
Dentro del apartado de construcción del sistema del tren lo que más se tiene en cuenta es el aspecto económico, por lo que para abaratar costes por kilómetro de vía es necesario disminuir el número de bobinas. Para llegar a tal objetivo se ha optado, tras numerosos estudios, por la disposición vertical de las bobinas.
Los convertidores de potencia alimentan las bobinas de propulsión de la guía, lo que hace que estas bobinas actúen como imanes. La interacción entre las bobinas de propulsión y los imanes superconductores del tren produce la fuerza propulsora.
Los imanes superconductores ejercen fuerzas de atracción y repulsión sobre las bobinas de la base, por lo que éstas deben de ser lo suficientemente resistentes. Como las bobinas de propulsión deben instalarse a lo largo de toda la vía, deben de ser lo más baratas posible.
Para reducir considerablemente el campo creado por los armónicos se adopta por disponer las bobinas en doble capa, cubriendo cada bobina 180º eléctricos.
Cualquier mecanismo basado en superconductividad necesita un sistema de refrigeración, ya que a temperaturas altas los materiales superconductores pierden sus propiedades y se vuelven conductores.
El sistema de refrigeración utilizado en el tren japonés es un ciclo de gas cerrado en el que el refrigerador está directamente conectado al tanque de helio del imán y el compresor está situado en el vagón. Las partes de este sistema de refrigeración son:
Un refrigerador de helio.
Un compresor.
Un tanque de reserva de helio.
Una unidad de control.
Sistema de refrigeración
Las condiciones que debe cumplir dicho sistema de refrigeración son:
El helio evaporado por las pérdidas de calor y las vibraciones producidas por el movimiento tiene que ser licuado de nuevo por el compresor y el refrigerador de manera uniforme.
Durante la carga y descarga del superconductor (operación que normalmente se realiza una vez al día), el nivel de helio líquido decrece en el tanque, por lo que debe ser almacenado este helio evaporado en un tanque en cuanto la unidad de control detecte el incremento de presión en la entrada del compresor. El gas almacenado en el tanque se licuará de nuevo en el refrigerador por la noche; así la cantidad de helio líquido será la misma a la mañana siguiente.
Esto significa que el sistema puede funcionar sin la reposición periódica de helio líquido incluso cargando y descargando diariamente el superconductor.
Cuando ocurre alguna avería en el refrigerador o el aumento de temperatura excede temporalmente la capacidad del refrigerador, es deseable que la influencia sea pequeña y que el imán superconductor siga funcionando el mayor tiempo posible.
Dado que el sistema de refrigeración va a ir a bordo del tren no es deseable que por causa de él aumente la magnitud de las fuerzas electromagnéticas necesarias para mover el vehículo, ni que consuman gran cantidad e energía eléctrica.
Para el correcto funcionamiento del sistema de propulsión el vehículo dispone de sensores de posición que por medio de un transmisor emiten señales de radio a través de un cable coaxial hasta el centro de control. Esta comunicación es bidireccional. En el centro de control, basándose en las señales recibidas desde el vehículo, se calcula la velocidad y distancia. Después se comunica al controlador (situado en la subestación y que controla los convertidores) la corriente apropiada para que el vehículo circule correctamente.
El convertidor juega el papel más importante en el funcionamiento del tren magnético, ya que se encarga de suministrar la energía a las bobinas de propulsión que se encuentran en las vías.
Ultimo prototipo, aún en fase de desarrollo, para el tren magnético de levitación japonés.
¿Cuál es el tren más rápido?.
El tren más rápido es el TGV.
El TREN FRANCÉS DE ALTA VELOCIDAD -el Train à Grande Vitesse o TGV- ostenta el récord mundial de velocidad para un tren sobre raíles En 1990, durante un recorrido de prueba sin pasajeros entre Paris y Tours, el TGV alcanzó una velocidad de 515 km/h: una vez y media la de un coche de carreras de fórmula 1. En el servicio normal el TGV también supera fácilmente a cualquier otro tren. El viaje de 425 Km entre Paris y Lyon lo hace en unas dos horas.
El TGV va movido por la corriente eléctrica de un cable suspendido encima. Lleva dos locomotoras, una en cabeza y otra en la cola del tren y tanto estas como los vagones son muy aerodinámicos, con lo que el tren no consume más energía que uno corriente.
Si volvemos a los trenes de vapor, en la cabina del maquinista hay una serie de palancas e indicadores, se siente el calor abrasador del hogar y el ruido del tanqueto es ensordecedor.
La cabina del TGV parece más un despacho moderno y el ruido de la locomotora apenas es mayor que el zumbido de los ordenadores. El maquinista vigila la marcha del tren en la pantalla de un ordenador y da instrucciones mediante un teclado. Los ordenadores de a bordo están enlazados por radio con el centro de comunicarse y otros trenes de la línea. Los frenos, el aire acondicionado y otros equipos también funcionan por ordenador.
El TGV de alta velocidad puede subir las pendientes cuatro veces mas deprisa que casi todos los demás trenes. Por ello, el trazado de la línea puede ser mucho más recto, ahorrando construir una buena parte del coste de construir una vía a nivel a través de terreno montañoso.
El TGV tiene unos juegos de cuatro ruedas llamados bogies que van situados entre los vagones. Su diseño permite que el tren se incline un poco al tomar las curvas a gran velocidad. También se necesitan menos ruedas, con lo que se reduce la fricción.
