Locomotiva elétrica

Trem elétrico da Siemens & Halske na feira comercial de Berlim em 1879
E-locomotivas da DB, ÖBB e SBB em Buchs
Locomotiva elétrica multi-sistema moderna
As MTAB IORE estão entre as locomotivas elétricas mais potentes do mundo
Locomotiva museu E 94 construída em 1942

Locomotivas elétricas ( locomotivas elétricas curtas ou locomotivas elétricas , obsoletas: locomotivas elétricas ) são tratores movidos a eletricidade . Ao contrário dos vagões elétricos , eles próprios não transportam nenhuma carga útil (passageiros, bagagem ou mercadorias).

Seu acionamento é puramente elétrico, ao contrário das locomotivas diesel-elétricas ou elétricas a vapor, por exemplo . As locomotivas elétricas se beneficiam da alta eficiência dos motores elétricos, que muitas vezes é superior a 90% (a menor eficiência de geração de energia não é levada em consideração). Com a frenagem regenerativa, a energia cinética pode ser recuperada e realimentada na rede como eletricidade, o que melhora a eficiência geral.

A principal desvantagem das operações ferroviárias elétricas é o alto custo de fornecimento e fornecimento de energia: linhas aéreas, subestações, etc.

Visao geral

Pantógrafo de trilho único
Cabine de motorista de uma locomotiva elétrica mais antiga ( E 44 )
Cabine de motorista de uma locomotiva elétrica moderna (russo 2EV120)

As locomotivas elétricas são alimentadas com energia de linhas aéreas dispostas acima da via ou, mais raramente, de barramentos , que é transmitida ao veículo por pantógrafos localizados no teto ou na lateral do carro, no caso de barramentos . Isso significa que a energia necessária não precisa ser transportada no veículo, como é o caso das locomotivas a vapor e a diesel.

A alimentação elétrica externa tem a vantagem de que as próprias locomotivas elétricas não emitem gases de escape, mas a desvantagem de só poderem ser utilizadas com alimentação elétrica. Também é uma vantagem que os motores elétricos desenvolvam torque total na partida, ao contrário das locomotivas a diesel, nas quais o torque aumenta lentamente na partida. Isso permite que as locomotivas elétricas acelerem mais rápido ou puxem um trem um pouco mais pesado do que as locomotivas a diesel e a vapor. Como é claro que a forma como a eletricidade é gerada não afeta as locomotivas elétricas, as locomotivas elétricas primeiro se espalharam para países e regiões onde o uso de eletricidade, por exemplo, B. As usinas hidrelétricas são muito mais baratas do que usar carvão ou diesel. Suíça, Áustria e Suécia são países onde esse requisito se aplica. A melhor aceleração e a melhor relação entre potência e massa, bem como problemas com gases de escapamento em túneis, também contribuíram para uma disseminação mais precoce do acionamento elétrico nesses países montanhosos.

Alguns tipos de trens elétricos são carros movidos a energia elétrica dirigidos para serem ou funcionarem na frente e / no final do trem e nunca desconectados durante a operação normal do vagão. Tecnicamente, essas locomotivas são em grande parte elétricas. A única diferença é o equipamento com apenas uma cabine de motorista e os dispositivos de acoplamento e transição para os carros intermediários de múltiplas unidades. Exemplos de unidades múltiplas elétricas modernas com unidades múltiplas são as duas primeiras gerações do ICE (ICE 1 e ICE 2), as unidades múltiplas espanholas das séries 102 e 130 , a primeira série do S-Bahn de Zurique e os trens TGV franceses . Com o último, no entanto, em algumas séries (TGV Sud-Est, Eurostar ), o primeiro bogie do carro intermediário correndo diretamente atrás do lado motorizado também é acionado.

Exemplos de construção de locomotivas elétricas modernas são Bombardier TRAXX , Siemens Vectron e Alstom Prima .

história

Locomotiva a bateria de Charles Page (1851)
Trem elétrico rebocado da City and South London Railway (1890)
Minha locomotiva em Godbrange, França, 1897
  • Uma das primeiras linhas de trem elétricas experimentais é atribuída a Thomas Davenport , um ferreiro de Vermont, EUA . Em 1835, ele demonstrou um pequeno modelo de um vagão de trem movido a um motor elétrico.
  • Relata-se que Robert Davidson, um escocês de Aberdeen , construiu uma locomotiva elétrica em 1838 que atingiu a velocidade de seis quilômetros por hora.
  • O secretário de patentes dos EUA Charles Grafton Page (1812–1868) começou a construir uma locomotiva elétrica em 1850. Seu motor de “pistão” de 15 quilowatts consistia em duas bobinas com âncoras de haste embutidas. Estes foram movidos para a frente e para trás ligando alternadamente as bobinas, como em uma máquina a vapor de pistão . Este movimento do pistão foi transmitido às rodas motrizes de um carro de três eixos com uma biela.
  • Em 1840, Johann Philipp Wagner, que nasceu em Fischbach perto de Bad Schwalbach, tinha um pequeno carro movido por um motor elétrico com um reboque em um círculo de trilhos com circunferência de 20 metros. Ele então foi contratado para construir uma grande locomotiva "eletromagnética" funcional e uma quantidade de 100.000 florins foi colocada à sua disposição para isso. No entanto, a implementação falhou, alegadamente devido à falta de conhecimento sobre a relação entre a capacidade da bateria e a potência de acionamento.
  • A empresa Werner Siemens construiu em 1879 para a locomotiva elétrica biaxial da Feira de Comércio de Berlim que podia puxar três carros, cada um com seis pessoas em um circuito de 300 metros. É considerada a primeira locomotiva elétrica prática.
  • Na maioria das primeiras ferrovias elétricas operadas comercialmente, os primeiros vagões semelhantes a bondes foram usados, como em 1881, quando a Siemens & Halske construiu o primeiro bonde elétrico para a principal academia militar em Gross-Lichterfelde, perto de Berlim, em 1895, colocou em operação o primeiro elétrico alemão ferrovia de bitola padrão Meckenbeuren-Tettnang no antigo Reino de Württemberg e outras ferrovias.
  • A primeira locomotiva elétrica a ser usada continuamente foi a locomotiva da mina “Dorothea” , fabricada pela Siemens & Halske em 1882 para a Zauckerode Royal Coal Works . Entrou em serviço em 25 de agosto de 1882, em uma via de 620 metros, e lá esteve em operação até 1927. Aqui, ganhava-se experiência, entre outras coisas. com diferentes pantógrafos e resistências de partida.
  • A partir de 1890, as locomotivas elétricas foram usadas em escala notável no metrô de Londres. Acima de tudo, o espaço limitado do perfil do túnel forçou o abandono do vagão e o pré-tensionamento da transmissão em um veículo separado na cabeceira do trem. A City and South London Railway usou os primeiros trens movidos a eletricidade com locomotivas. Até 1935, o metrô de Londres funcionava com locomotivas.
  • Em 1895, a primeira locomotiva elétrica de bitola padrão entrou em operação. A locomotiva, construída pela General Electric , foi usada pela Baltimore and Ohio Railroad para transportar trens de passageiros através do túnel da cidade de Baltimore . Nenhuma locomotiva a vapor poderia ser usada nesta rota devido ao incômodo causado pela fumaça.
  • 1901–1903 a sociedade de estudos para trens expressos elétricos realizou testes de alta velocidade na ferrovia militar Marienfelde - Zossen - Jüterbog . A corrente trifásica necessária foi fornecida aos veículos por meio de uma linha aérea tripolar . Uma unidade múltipla elétrica da AEG atingiu a velocidade de 210,2 km / h em 28 de outubro de 1903, o recorde para veículos terrestres que não foi quebrado por 28 anos.
  • 1902 Abertura da operação trifásica da Rete Adriatica na Ferrovia Valtellina no norte da Itália. Esta é a primeira linha principal operada eletricamente do mundo. As locomotivas vieram de Ganz, em Budapeste .
  • Em 1903, a ferrovia de minério Chemin de fer de La Mure inicia a operação elétrica. A energia DC é a locomotiva com o moderno arranjo de rodas fornecido pela Achsfolge por meio de uma linha de contato de dois pólos com +1200 volts e -1200 volts. A ferrovia não foi mudada para linha de contato único normal com 2.400 volts até 1950.
  • Em 1904, o Stubaitalbahn de bitola estreita de Innsbruck a Fulpmes entrou em operação plena como o primeiro trem CA monofásico do mundo (3000 volts 50 Hertz).
  • Em 1905, a Ammergaubahn colocou em operação as primeiras unidades múltiplas de corrente alternada monofásica ( LAG 674-677 ) e algumas semanas depois a primeira locomotiva ( LAG 1 , mais tarde a série E 69 do Deutsche Reichsbahn ). A voltagem era de 5,5 quilovolts 16⅔ Hertz. A mudança para a voltagem normal de 15 quilovolts não ocorreu até 1950.
  • De 1905 a 1909, a voltagem de 15 quilovolts foi usada pela primeira vez na instalação de teste de corrente alternada monofásica em Seebach-Wettingen, na Suíça. No início desses testes, 15 quilovolts foram usados ​​a 50 hertz. Um conversor rotativo foi usado na locomotiva para converter a corrente alternada da linha de contato em corrente contínua. Os motores de tração foram operados com isso. No curso posterior da operação experimental, a frequência foi reduzida para 15 Hertz. Isso possibilitou a dispensa do conversor e os motores ferroviários foram operados em corrente alternada. Além disso, as falhas na rede telefônica foram corrigidas.
  • Em 1906 foi iniciada a operação trifásica na rota através do Túnel Simplon .
  • Em 1907 o Hamburg-Altonaer Stadt- und Vorortbahn (hoje S-Bahn) foi inaugurado em Hamburgo com corrente alternada monofásica de 25 Hertz e 6300 volts
  • Em 1907, a Maggia Valley Railway começou a operar no sul da Suíça com 5 quilovolts e 20 Hertz. Os motores dos vagões BCFe 4/4 foram operados diretamente em corrente alternada, a partir do exemplo da rota de teste Seebach - Wettingen.
  • Em 1910, o Berner Alpenbahn-Gesellschaft Bern - Lötschberg - Simplon (BLS) abriu sua rota de teste Spiez - Frutigen com 15 kilovolt 15 Hertz, veja BLS F 2x3 / 3 .
  • 1911 o austríaco Mariazellerbahn começa a operação elétrica com 6,5 quilovolts 25 Hertz.
  • 1911 Abertura das operações da linha Dessau - Bitterfeld. Primeira ferrovia elétrica de linha completa na Alemanha, inicialmente com 10 quilovolts e 15 Hertz.
  • Em 1912, o Mittenwaldbahn, composto pelo Karwendel e Ausserfernbahn, foi colocado em operação de Innsbruck a Reutte no Tirol como a primeira ferrovia austríaca de linha completa com 15 quilovolts e 15 Hertz. Com a eletrificação do Arlbergbahn , a frequência da rede foi aumentada para 16⅔ Hertz.
  • No acordo sobre um sistema de corrente de tração comum de 1912 , Alemanha, Áustria, Suíça, Suécia e Noruega concordaram em um sistema de corrente de tração comum com uma tensão de 15 quilovolts e uma frequência de 16⅔ Hertz.
  • 1913 Início da operação elétrica contínua na Ferrovia Bern-Lötschberg-Simplon (BLS) com 15 quilovolts 16⅔ Hertz.
  • No mesmo ano, a Rhaetian Railway inaugurou sua linha Engadina com 16⅔ Hertz, mas com uma voltagem de 11 quilovolts.
  • 1914 Inauguração do Pressburger Bahn com 15 quilovolts 16⅔ Hertz na rota terrestre.
  • A Primeira Guerra Mundial paralisou o progresso. 1920 Início da operação elétrica na Ferrovia Gotthard . A eletrificação dessa rota foi necessária para que a Suíça se tornasse menos dependente das importações de carvão dos países vizinhos em tempos de crise.

Parte elétrica

Circuito principal

Todos os cabos e dispositivos que transmitem e influenciam a energia elétrica de acionamento de uma locomotiva elétrica fazem parte do circuito principal. Dependendo da locomotiva, o circuito principal pode ser dividido em circuito de alta tensão (também chamado de circuito de alta tensão) e circuito do motor. A separação entre os dois circuitos é geralmente o transformador principal nas locomotivas CA. Visto que as locomotivas CC puras não têm um transformador, uma separação exata entre os circuitos de alta tensão e do motor muitas vezes não é possível com essas locomotivas.

Circuito de alta tensão

O circuito de alta tensão é atravessado pela corrente de alta tensão da linha de contato. Como regra, os seguintes dispositivos e cabos fazem parte do circuito de alta tensão das locomotivas CA:

As locomotivas CC possuem estrutura semelhante no circuito de alta tensão, mas sem o transformador principal. Além disso, os interruptores principais nas locomotivas CC às vezes são chamados de interruptores de alta velocidade. Os dispositivos usados ​​em locomotivas AC diferem em detalhes daqueles usados ​​em locomotivas DC. Isso se deve, entre outras coisas, ao fato de que a tensão nominal em redes de corrente contínua geralmente é significativamente mais baixa do que em redes de corrente alternada e, portanto, as correntes são significativamente mais altas para a mesma potência. As seções transversais que conduzem a corrente devem ser dimensionadas correspondentemente maiores. Com locomotivas CA, no entanto, distâncias maiores devem ser mantidas devido à tensão mais alta, a fim de evitar flashovers .

Circuito motor

A corrente que alimenta os motores de tração flui através do circuito do motor. No caso de locomotivas AC, incluem: os seguintes cabos e dispositivos:

  • Enrolamento secundário do transformador principal
  • Controle de poder
  • Isolador de motor de viagem
  • Reversor de direção
  • Motor de tração

Em locomotivas CC, o circuito de alta tensão geralmente é conectado diretamente ao controle de potência.

Direção e controle de potência

No caso de locomotivas elétricas, controle de potência significa influenciar ou controlar a força de tração, a força de frenagem, a velocidade e a direção de deslocamento.

Direção do controle de deslocamento

No caso de locomotivas elétricas com motores comutadores , a polaridade do campo do suporte do motor de tração é invertida usando um reversor para alterar a direção de deslocamento . Ao usar motores trifásicos, a direção de rotação do campo rotativo deve ser alterada para alterar a direção de deslocamento.

Controle de direção em veículos DC

A locomotiva DC BB 9004 da SNCF , dirigiu a velocidade recorde de 331 km / h em 1955
Acionamento por motores em série

Com motores de acionamento em série , resistores (resistores de partida ) costumavam ser conectados a montante na partida , os quais eram curto-circuitados em estágios com um mecanismo de comutação. Enquanto os resistores em série estão ligados, parte da energia da locomotiva é convertida em calor, tornando a operação antieconômica. Outros passos de velocidade resultam do uso do enfraquecimento de campo . O enrolamento de campo é parcialmente curto-circuitado para que o motor de tração possa atingir velocidades mais altas à medida que o torque diminui. Em veículos com vários motores, existe a possibilidade de controle grosso e sem perdas dos motores de tração por meio de circuitos de agrupamento. Para este propósito, eles são conectados em série ou série em baixas velocidades e conectados em paralelo em velocidades mais altas . As várias opções de chaveamento com quatro ou seis motores de acionamento resultam em um número significativamente maior de níveis de velocidade sem perdas.

Em vez desses controles passo a passo, os controles do chopper são usados ​​atualmente em vez dos resistores em série , que permitem um controle de energia quase sem perdas. Outras vantagens são a eliminação do desgaste dos interruptores. O controle do chopper liga e desliga a tensão operacional com um ritmo na faixa de baixa frequência. Se a tensão for desligada, a corrente continua a fluir por meio de um outro ramal de comutação que causa curto-circuito no motor devido à indutância do motor. O ciclo de trabalho ( modulação por largura de pulso ) da chave determina a corrente. A operação do chopper resulta em perdas ligeiramente maiores no motor ( perdas de ferro ) e o isolamento é mais fortemente estressado devido aos saltos de tensão.

Acionado por motores trifásicos

A eletrônica de potência tornou possível converter a corrente contínua retirada da rede em uma corrente trifásica variável de tensão e frequência. Isso possibilitou o uso de motores trifásicos, que podem desenvolver torques elevados mesmo em baixas velocidades. Os motores trifásicos requerem menos manutenção do que os motores de corrente contínua e não há desgaste da escova. Dependendo da tensão do fio de contato, são utilizados conversores de tração com chopper CC, circuito intermediário e inversor ou a corrente contínua retirada da rede é convertida diretamente em corrente trifásica pelo inversor.

Controle de direção em veículos AC

Acionamento por motores em série
Na instalação de teste Seebach - Wettingen na Suíça, a adequação da corrente alternada monofásica com alta tensão para operação ferroviária em longas distâncias foi demonstrada.

Os motores série monofásicos podem ser usados ​​em locomotivas elétricas para corrente alternada com baixas frequências como 16,7 Hz . A tensão dos motores de tração é regulada por um interruptor escalonado no transformador principal (quadro). Consiste em uma chave de acionamento com a qual as tomadas individuais nas bobinas do transformador podem ser controladas manualmente ou por meio de chaves eletromecânicas. O mecanismo de chaveamento é geralmente colocado no lado de baixa tensão do transformador para poder fazer um melhor uso dele. As altas correntes também podem ser comutadas melhor do que as altas tensões.

Na utilização de corrente alternada com frequências de 50 Hz ou 60 Hz, como também são utilizados na rede nacional, dificilmente é possível a utilização de motores em série monofásicos devido a incêndios florestais. A corrente é convertida em corrente contínua por um retificador . Os motores de tração eram motores de corrente de eixo ou motores de corrente mista , que deveriam ser especialmente projetados para processar a corrente contínua ondulante. Em particular, eles deveriam ter núcleos de estator laminados; visto que este é o caso, as distinções são omitidas.

Em vez do mecanismo de comutação, o controle de fase também pode ser usado para regular a tensão do motor de tração . Essa tecnologia permite um controle infinitamente variável, mas no início causou problemas devido ao maior espectro de frequência de interferência das correntes aéreas em comparação com as locomotivas comutadores , o que levou a interferências nos sistemas de sinalização. Atualmente, os conversores também podem ser usados ​​em operação de quatro quadrantes (avanço, ré, frenagem regenerativa ) e alimentação de energia de frenagem na rede regenerativa, que é fornecida pelo motor funcionando como um gerador.

Acionado por motores trifásicos
As E2E da Ferrovia Burgdorf - Thun foram as primeiras locomotivas trifásicas do mundo para operação em linha completa.

Os motores de tração assíncronos com rotores de anel deslizante eram geralmente usados para locomotivas que puxam corrente trifásica da linha de contato . O controle da potência era realizado ligando resistências adicionais no circuito do rotor, que foram gradativamente curto-circuitadas na inicialização, bem como trocando o número de pólos dos motores através do circuito Dahlander . Isso significava que apenas dois ou quatro níveis de velocidade econômica eram possíveis.

As locomotivas elétricas de hoje usam eletrônica de potência moderna e que economiza energia. Em veículos CA, um transformador com uma relação de transformação fixa é disposto na frente do conversor, que define a tensão para um valor mais baixo e ajusta para as várias tensões nominais dos sistemas CA. Você só tem um transformador com alguns taps fixos aos quais os conversores de tração (geralmente um por bogie ou um por motor de acionamento) são conectados. Eles convertem a corrente alternada monofásica fornecida em uma corrente alternada trifásica com frequência variável, que alimenta os motores de tração trifásicos sem comutador e de baixa manutenção.

Controle de direção em veículos com vários sistemas

Locomotivas com vários sistemas podem operar em diferentes sistemas de corrente de tração. Isso permite o tráfego transfronteiriço sem mudanças de locomotiva demoradas. Diferentes tensões podem ser tratadas em redes CA com várias conexões no lado primário do transformador principal. No passado, os motores CC ou de corrente mista eram frequentemente usados ​​como motores de tração com diferentes frequências de rede e / ou ao dirigir em redes CA e CC . A corrente alternada de baixa tensão gerada pelo transformador foi convertida com o auxílio de um retificador .

As locomotivas multi-sistema de hoje usam eletrônica de potência moderna. Independentemente do tipo de corrente utilizada, a energia fornecida ao veículo é convertida em corrente alternada trifásica e fornecida a motores de tração assíncronos .

Frenagem eletrodinâmica

Além dos freios mecânicos, muitas locomotivas elétricas usam seus motores de tração como um gerador durante a frenagem. Se a energia gerada é convertida em calor pelos chamados resistores de frenagem, é chamado de freio de resistência . Se a energia elétrica é realimentada na rede de rotas, isso é conhecido como frenagem regenerativa . O pré-requisito para isso é uma rede capaz de receber informações, ou seja, H. a energia elétrica gerada deve ser consumida por outro consumidor no mesmo setor de alimentação . Alternativamente, o fornecimento de energia da seção de alimentação deve ser capaz de passar a energia elétrica para outra seção de alimentação ou alimentá-la na rede elétrica pública.

Auxiliares

Os auxiliares são dispositivos das locomotivas elétricas que servem para alimentar o sistema elétrico de bordo, armazenar energia elétrica ( acumulador ), fornecer ar comprimido ( compressor de ar ) e resfriar os sistemas (ventiladores, bombas).

Para alimentar o sistema elétrico de bordo, as locomotivas elétricas são geralmente equipadas com um conversor separado e menor ( conversor auxiliar ) que alimenta os sistemas auxiliares conectados com corrente alternada trifásica. Em locomotivas de corrente contínua, esse conversor costuma ser alimentado com energia elétrica diretamente pela linha de contato; As locomotivas CA são normalmente alimentadas com energia por meio de sua própria derivação do transformador. A frequência de saída do conversor de energia auxiliar é regulada de acordo com os requisitos de energia das cargas conectadas a ele. Nas locomotivas mais antigas, os auxiliares eram alimentados diretamente pela rede de corrente de tração (especialmente para veículos CC), pelo transformador principal (para veículos CA) ou por um conversor rotativo .

Além do sistema elétrico auxiliar, as locomotivas elétricas são equipadas com acumuladores que garantem um fornecimento de energia independente da linha de contato. Estes fornecem importantes circuitos de controle, o circuito de direção de segurança, sistemas de controle de trens, o sinal e a iluminação interna do veículo, o compressor de ar auxiliar e, em alguns veículos com freios eletrodinâmicos independentes do fio de contato, o ventilador do resistor de freio. Os acumuladores são carregados por um carregador , que por sua vez é alimentado pelo sistema elétrico auxiliar, por uma torneira de transformador adequada ou por um conversor separado. As tensões nominais de bateria típicas são, por exemplo, 24, 48 ou 110 V na Europa e 72 V nos EUA.

Para garantir o fornecimento de ar comprimido, as locomotivas elétricas são equipadas com compressores de ar (também conhecidos como compressores de ar ou compressores). Este alimenta os freios a ar comprimido , os dispositivos pneumáticos do veículo e os dispositivos pneumáticos do trem de vagões com ar comprimido. Os dispositivos pneumáticos no veículo são, por exemplo, o dispositivo de levantamento do pantógrafo e contatores eletropneumáticos . No trem de vagões, por exemplo, as portas externas ou a suspensão a ar são consumidores de ar comprimido que devem ser abastecidos pela locomotiva elétrica. Além do compressor de ar principal, as locomotivas elétricas costumam ser equipadas com um compressor de ar auxiliar, que permite levantar o pantógrafo e ligar a chave geral em uma locomotiva desmontada. O compressor de ar auxiliar é alimentado com energia elétrica pelos acumuladores. Se um freio de sucção de ar for usado em vez de um freio de ar comprimido , a locomotiva deve ser equipada com uma bomba de vácuo .

As locomotivas elétricas são equipadas com dispositivos de resfriamento para dissipar o calor residual dos sistemas elétricos. O transformador principal, o conversor de energia, os motores de tração, o compressor de ar e o restante da eletrônica devem ser resfriados, se disponíveis. Geradores maiores de calor residual são resfriados por um dispositivo de resfriamento separado. Os principais transformadores de hoje são geralmente refrigerados a óleo. Para fazer isso, uma bomba de óleo bombeia o óleo de resfriamento do tanque do transformador através do resfriador de óleo (geralmente um trocador de calor óleo / ar ) e de volta ao tanque do transformador. Um ventilador suga na sala de máquinas ou no ar externo e o empurra através do trocador de calor para dissipar o calor residual do transformador para o ambiente. Em locomotivas elétricas modernas com eletrônica de potência, os conversores também devem ser resfriados. A água de resfriamento é freqüentemente usada para isso, o que libera o calor residual do conversor para o ambiente em um trocador de calor água / ar. Os motores de tração são em sua maioria refrigerados a ar. No caso de motores de tração autoventilados, o ar de resfriamento necessário para isso é aspirado por uma roda de ventilador montada no eixo do motor de tração. Com o aumento das demandas de desempenho do motor de tração, houve uma mudança para sistemas ventilados externamente nos quais ventiladores separados do motor de tração fornecem o ar de resfriamento. Dependendo do tipo de veículo, um ventilador do motor de acionamento resfria todos os motores de acionamento ou cada motor de acionamento tem seu próprio ventilador. Tal como acontece com os motores de tração, os compressores de ar são geralmente resfriados a ar e existem sistemas autoventilados e ventilados externamente. Para proteger os dispositivos e ventiladores de sujeira e danos, o ar externo deve ser limpo. Isso é feito, por exemplo, por meio de grades de ventilação , separadores de ciclone e / ou esteiras de filtro .

Fonte de alimentação do trem

As locomotivas elétricas que devem ser usadas no transporte de passageiros geralmente fornecem o suprimento de energia central para o trem de vagões acoplado. Na Europa, prevaleceu o ônibus ferroviário monopolar, que usa os trilhos como condutor de retorno. Em outros países, porém, como os EUA, a alimentação dos trens com corrente alternada trifásica já se estabeleceu. A energia para a alimentação do trem é retirada de um tap do transformador, diretamente da linha de contato ou de um conversor.

Antes que o aquecimento elétrico se difundisse nos carros de passageiros, as locomotivas elétricas também eram equipadas com geradores de vapor para aquecimento a vapor . Esses geradores de vapor funcionavam em parte eletricamente, em parte aquecendo um combustível.

dispositivos de segurança

Para proteger o veículo, as locomotivas elétricas estão entre outras coisas. equipado com os seguintes dispositivos de proteção:

  • Proteção contra subtensão e sobretensão na linha de contato
  • Proteção de todo o veículo contra sobrecorrentes e curtos-circuitos
  • Proteção contra sobrecorrente e curto-circuito do motor, circuitos auxiliares e de controle
  • Proteção do transformador (incluindo relés Buchholz )
  • Proteção do conversor
  • Dispositivo antiderrapante

Esses dispositivos de proteção monitoram as variáveis ​​operacionais e funcionais do veículo. Se os valores monitorados caem abaixo ou excedem um valor limite especificado, o dispositivo de proteção aciona uma reação especificada. Pode ser, por exemplo, a saída de um sinal de alerta para o motorista, o desligamento automático de parte ou de todo o veículo motorizado ou uma intervenção automática no controle do veículo.

Outros dispositivos de proteção para monitorar o motorista são:

Parte mecânica

A locomotiva geralmente consiste em uma caixa transportada pelo trem de rodagem com as cabines do motorista e a casa das máquinas.

Caixa e casa de máquinas

A caixa consiste em uma estrutura principal estável com paredes laterais soldadas e tetos removíveis. As cabinas do condutor localizam-se nas extremidades, entre as quais existe uma grande sala das máquinas, onde se instalam os sistemas elétricos de manobra, comando e transmissão protegidos das intempéries. Para que o pessoal operacional não possa tocar em tensões elétricas perigosas, os dispositivos são alojados atrás das grades ou, nas locomotivas mais novas, em gabinetes fechados. A área de alta tensão particularmente perigosa também está isolada. O acesso só é possível com chave, que só é liberada quando o pantógrafo é abaixado e o equipamento elétrico aterrado.

Dispositivos para transmitir as forças de tração e compressão são fixados na caixa. Geralmente são ganchos e amortecedores ou um acoplamento de amortecimento central .

Para garantir que os dispositivos sejam acessíveis para trabalhos de manutenção, eles são dispostos ao longo dos corredores. Em veículos com duas cabines de motorista, um corredor também é usado para conectá-las ao motorista. Um dos corredores pode ser colocado no meio da casa das máquinas ou dois corredores ao longo das paredes. Uma mistura dos dois sistemas é possível. Em corredores ao longo das paredes laterais, geralmente há uma das áreas de alta tensão adicionalmente isoladas descritas acima.

As peças móveis não são mais visíveis na casa das máquinas das locomotivas modernas.

Dirija e dirija

dirigir

A engrenagem de rolamento inclui os conjuntos de rodas motrizes, as guias verticais para os rolamentos do conjunto de rodas na carroceria do veículo ( carroceria da locomotiva ou bogie ) e as molas que sustentam a carroceria do veículo.

dirigir

Os meios usados ​​para transmitir o torque do motor de tração para os conjuntos de rodas motrizes são chamados de tração . Subtarefas estão incluídas

  • Conversão de torque e velocidade e
  • »Compensação de movimentos relativos entre os conjuntos de rodas montados de forma móvel no chassi do veículo e os motores de tração montados mais ou menos firmemente.«

Em contraste com outros veículos (por exemplo , veículos motorizados ), o motor principal (motor de tração) não está incluído no termo acionamento (ou no sinônimo de motor ).

Os vários acionamentos diferem de acordo com quantos conjuntos de rodas são acionados por um motor de tração ( acionamento individual ou grupo ) e o que o motor de tração é suportado: o eixo do conjunto da roda de acionamento (acionamento do motor do eixo ), parcialmente do eixo do conjunto da roda de acionamento e parcialmente da carroceria do veículo ( acionamento do mancal de lingueta ) ou exclusivamente da carroceria do veículo (acionamento do motor da estrutura ).

Transmissão do motor do eixo

Este acionamento direto do eixo da roda motriz, sendo este último idêntico ao eixo da armadura do motor (acionamento não suspenso) ou um eixo oco inserido no meio. As unidades de motor de eixo não são mais usadas hoje porque um motor relativamente lento (velocidade para coincidir com o eixo da roda de transmissão) é muito grande e muito pesado.

Movimentação de patas
Movimentação do rolamento do berço modificado : anel de borracha segmentado de 6 partes (5) nos lados dianteiros do impulsor

Esta unidade é a mais longa - do início até hoje - usada. Os acionamentos dos mancais de cavalete não têm molas ou são acionados por mola com um eixo oco ( motor flutuante totalmente suspenso ).

Acionamento do motor do rack

Com este tipo de construção, os motores de tração são montados firmemente no quadro. Existem acionamentos de motor de quadro nas mais variadas variantes. Eles diferem em como o acoplamento usado permite que o movimento relativo entre a unidade de acionamento e o eixo da roda do conjunto de acionamento seja compensado. Os acionamentos de eixo oco são os acionamentos de eixo cardan (»eixo cardan«, veja a terceira imagem abaixo), os acionamentos por mola e os acionamentos articulados (»divisor-«). Os acionamentos de haste frequentemente usados ​​na primeira metade do século 20 e os acionamentos mais recentes com um acoplamento entre o motor de acionamento e a caixa de engrenagens não são equipados com um eixo oco .

  • Transmissão do motor do eixo, esquemático
    com eixo oco (4)

  • Acionamento do mancal de lingueta,
    modificado esquematicamente : com eixo oco (4)

  • Acionamento do motor da estrutura, acionamento do eixo
    cardan esquemático com eixo oco (8)
    e tubo de junta cônica (4)

Táxi de motorista

Nas cabinas de condução existem todos os dispositivos de operação e dispositivos de visualização necessários para operar o veículo de tração.

Acessórios mecânicos

Além dos dispositivos mencionados, as locomotivas elétricas também possuem outros componentes, incluindo:

fonte de energia

As primeiras ferrovias com tração elétrica eram operadas com corrente contínua ou corrente trifásica , o que permitia a construção de veículos com motores de tração simples e comandos simples. Só mais tarde surgiu a tecnologia para o uso de corrente alternada monofásica , o que simplificou a catenária e o fornecimento de energia.

Corrente direta

Locomotiva de museu DC FS E.321, em Milão , Itália , construída em 1923

A eletrificação com corrente contínua foi a mais fácil de fazer. O motor de acionamento tinha uma estrutura simples e sua saída podia ser regulada com resistores em série. É mais difícil transferir energia em longas distâncias, de modo que muitos pontos de alimentação são necessários. Por outro lado, os veículos podem ser construídos facilmente porque nenhum transformador é necessário no veículo. O sistema ainda é usado hoje. A eletrificação com 3.000 volts DC é o sistema mais difundido em todo o mundo em termos de seções (a partir de 1980). No entanto, ele não é mais usado para novos e grandes projetos de transporte de longa distância. Os problemas são causados ​​pelas grandes correntes que z. B. deve ser transmitido da catenária para operação em alta velocidade e, portanto, causar grandes perdas.

Locomotiva a bateria no metrô de Londres para manutenção

As locomotivas acumuladoras representam uma forma especial de locomotivas movidas a corrente contínua.Assim como os vagões acumuladores usados ​​no transporte de passageiros, a vantagem é que, além das estações de carregamento estacionárias, não dependem de nenhuma outra infraestrutura para fornecimento de energia.
No entanto, devido à capacidade limitada da bateria, a área de aplicação é limitada a curtas distâncias. Locomotivas a bateria têm sido usadas no metrô de Londres desde a década de 1930 como veículos de serviço para serviços em seções de túneis em que o trilho condutor é desligado para trabalhos de manutenção. As locomotivas a bateria têm sido usadas no subsolo na mineração há muito mais tempo ; são locomotivas de minas de bitola estreita. Além disso, eles são ocasionalmente usados ​​no tráfego ferroviário industrial. A locomotiva de teste FS E.421 foi construída já em 1921 e desde 1916 a NSB Ea1 está em serviço na Noruega tanto em manobras como em linha principal .

Corrente trifásica

Locomotiva de teste trifásica Siemens & Halske

A corrente trifásica foi usada em 1903 nos testes de alta velocidade na rota Marienfelde - Zossen . Os motores de tração assíncronos da locomotiva eram alimentados diretamente de uma linha de contato tripolar , o controle de velocidade era realizado alterando a frequência da tensão de alimentação na central.

Para uma operação prática, prevalecia uma linha de contato bipolar com os trilhos de rolamento como terceiro condutor externo . Em comparação com a operação em corrente contínua, a energia poderia ser melhor transmitida em distâncias mais longas e um freio regenerativo confiável poderia ser facilmente implementado, razão pela qual o sistema ainda é usado hoje em algumas ferrovias de montanha suíças . O controle de velocidade infinitamente variável não era possível com os controles clássicos, entretanto. Para o fornecimento de energia mais ininterrupto mesmo em turnouts, é necessário conduzir com dois pantógrafos bem espaçados por veículo de tração devido ao ponto de cruzamento dos fios de contato com diferentes fases de alimentação. A construção da linha de contato é particularmente complicada em cruzamentos e cruzamentos. Operado no norte da Itália Ferrovie dello Stato cinco redes individuais com 3,6 quilovolts a 16 2 / 3 Hz. No entanto, não havia mais nenhuma conexão entre eles. O fator decisivo para a substituição pelo sistema de corrente contínua tecnicamente mais simples foi que a catenária bipolar fixa não era adequada para velocidades acima de 100 km / h. A operação italiana "Trifase" terminou em 1976.

Corrente alternada

Parte ativa do transformador principal de uma locomotiva CA, que é inserida em um tanque de óleo até a tampa durante a operação. O óleo resfria e isola os enrolamentos e tubos de cobre envoltos em papel. À direita da moldura de madeira em treliça, podem-se observar cerca de 30 torneiras do enrolamento dos estágios de chaveamento em cor clara, com as conexões de alta tensão com isoladores de porcelana marrom no topo. Um deles é conectado ao pantógrafo por meio do interruptor principal .

Graças à alta tensão, a corrente alternada pode ser transmitida por longas distâncias com baixas perdas. Por outro lado, no início da eletrificação, a construção de motores de tração para corrente alternada monofásica era extremamente complexa e só tinha sucesso com baixas frequências de rede. Os testes com corrente alternada monofásica foram realizados já em 1905, mas o sistema não se estabeleceu como o suprimento de energia mais adequado para ferrovias de longa distância até mais tarde. A alta tensão CA é reduzida para operar os motores e dispositivos de comutação no veículo de tração com transformadores para valores mais baixos.

Os avanços na eletrônica de potência tornaram possível usar a frequência de rede generalizada de 50 Hertz mais tarde. No início, a corrente alternada de 50 Hertz era retificada com diodos e servia para alimentar os chamados motores de corrente mista. Para novas eletrificações, o sistema com 25 quilovolts a 50 Hertz é o mais usado hoje, que é o segundo mais comum no mundo hoje.

Aplicação de sistemas de corrente de tração

Este desenvolvimento histórico mostra que diferentes sistemas de corrente de tração são usados ​​hoje, dependendo de quando os primeiros sistemas foram construídos. Na Europa, os vários sistemas dificultam o tráfego transfronteiriço, que só pode ser gerido com veículos multi-sistemas .

Os sistemas de corrente de tração mais importantes do mundo (em ordem de nível de tensão):

  • 50 Kilovolt, 60 Hertz ~
    aplicações individuais no Canadá, EUA e África do Sul
  • 25 quilovolts, 50 Hertz ~
    França (parte norte e rotas de TGV), Espanha (rotas AVE), Grã-Bretanha (norte de Londres e ligação ferroviária do túnel do canal ), Dinamarca, Alemanha (apenas Rübelandbahn ), Finlândia, Luxemburgo (exceto Luxemburgo- Arlon ), Bélgica (parcialmente), Holanda (parcialmente), Suíça ( Genève - La Plaine e Basel - Saint-Louis ), Hungria, República Tcheca (parte sul), Eslováquia (parte sul), Croácia, Sérvia, Bulgária, Itália (novo Rotas de alta velocidade), Grécia, Portugal, Romênia, Rússia (parcialmente), Ucrânia (parcialmente), Cazaquistão, Lituânia, Bielo-Rússia, Índia, China, Coreia do Sul
  • 20/25 quilovolts, 50/60 Hertz ~
    várias redes elétricas da Japan Railways (incluindo as linhas de alta velocidade de Shinkansen e as linhas convencionais no norte da ilha de Honshu)
  • 15 quilovolts, 16 2 ⁄ 3  ou 16,7 Hertz ~
    Alemanha, Suíça, Áustria, Noruega, Suécia
  • 3000 volts =
    Itália, Espanha, Bélgica, Luxemburgo ( rota Luxemburgo - Arlon ), Polônia, Rússia (parcialmente), Ucrânia (parcialmente), Estônia, Letônia, Geórgia, Armênia, Azerbaijão, República Tcheca (parte norte), Eslováquia (norte e leste)), Eslovênia, Coreia do Norte
  • 1500 volts =
    França (parte sul), Holanda, República Tcheca ( Tábor - Bechyně ), grande parte das rotas convencionais no Japão (especialmente em áreas metropolitanas como Tóquio, Nagoya ou Osaka), comuns em rotas de calha métrica em Espanha e Suiça
  • 750 volts =
    Inglaterra (sul de Londres até o canal, fornecimento de energia através de uma grade lateral revestida de cima)

No caso das redes de bonde, metrô, metrô e S-Bahn, as tensões DC entre 500 e 1500 volts são usadas principalmente se forem operadas independentemente das redes de trem de longa distância. A tensão do fio de contato em redes de bonde raramente excede 1000 volts.

literatura

  • Helmut Bendel: A locomotiva elétrica. Estrutura, função, nova tecnologia. transpress, Berlin 1994, ISBN 3-344-70844-9 .
  • Klaus-Jürgen Vetter: O grande manual para locomotivas elétricas. Bruckmann, 2003, ISBN 3-613-71370-5 .
  • Günther Klebes: Os veículos de tração elétrica e diesel na exposição de tecnologia ferroviária em Seddin, por ocasião da conferência de tecnologia ferroviária em Berlim, de 21 de setembro a 5 de outubro de 1924 . (= Ferrovias e museus. Episódio 20). Publicado pela Sociedade Alemã de História Ferroviária eV Karlsruhe 1978, ISBN 3-921700-18-3 .
  • Günther Klebes: 100 anos de transporte ferroviário elétrico - 100 anos de locomotivas elétricas da Siemens. Eisenbahn-Kurier-Verlag, Freiburg Br 1979, ISBN 3-88255-823-7 .
  • Klaus-Jürgen Vetter: O grande manual para locomotivas elétricas. Bruckmann, 2003, ISBN 3-7654-4066-3 .
  • Raimo Gareis: as locomotivas elétricas de ontem. Vol. 1: Locomotivas da linha principal. Krone, 2000, ISBN 3-933241-18-9 .
  • Andreas Steimel: Veículos elétricos de tração e seu fornecimento de energia: Princípios básicos e prática. Oldenbourg Industrieverlag, Munich 2006, ISBN 3-486-63090-3 .

Links da web

Commons : Locomotivas Elétricas  - Coleção de Imagens
Wikcionário: Locomotiva elétrica  - explicações de significados, origens das palavras, sinônimos, traduções

Evidência individual

  1. ↑ www.hoch SPEEDSZUEGE.com - Visão geral dos trens de alta velocidade franceses. As fórmulas dos eixos (eixos motores, eixos móveis) são especificadas com os trens.
  2. ↑ physical- club.de
  3. ↑ a b c d e f g h i j k l Helmut Bendel: A locomotiva elétrica: estrutura, função, nova tecnologia . 2. edite. e edição adicional Transpress, Berlin 1994, ISBN 3-344-70844-9 .
  4. ^ Siegfried Müller: Veículos elétricos e diesel-elétricos. Birkhäuser, 1979, p. 34.
  5. ↑ Helmut Bendel entre outras coisas: A locomotiva elétrica. transpress, 1981, página 305, estrutura 19.1.3 .
  6. ↑ Helmut Bendel entre outras coisas: A locomotiva elétrica. transpress, 1981, p. 305, estrutura 19.1.3
  7. ↑ Helmut Bendel entre outras coisas: A locomotiva elétrica. 2ª Edição. transpress, 1994, p. 329, d) acionamentos de haste
  8. ↑ No início do século 20, os acionamentos de motor de quadro eram entendidos principalmente como acionamentos de haste, pois outras soluções ainda não haviam sido desenvolvidas, ver: W. Kummer: veículos elétricos ferroviários Triebwerke . In: SBZ . fita 52 , edição 22, 1908, pp. 293 ( e-periodica.ch ). : Dados nos três grupos de unidades
  9. ↑ a b Andreas Haigermoser: ( página não mais disponível , pesquisa nos arquivos da web: roteiro da palestra “veículos ferroviários” ) TU Graz, edição 07.2002@ 1@ 2Modelo: Toter Link / www.mel.tugraz.at
  10. ↑ 16,7 Hertz na rede DA-CH e sub-redes do conversor assíncrono, ver corrente de tração