Una locomotora eléctrica es una locomotora alimentada por una fuente externa de energía eléctrica. La fuente externa puede ser catenaria, tercer riel, o por medio de un dispositivo de almacenamiento a bordo, como baterías, baterías inerciales o pilas de combustible.
Las locomotoras impulsadas por motores eléctricos con motores primarios a bordo de combustible líquido, como los motores diésel o turbinas de gas, son clasificadas como locomotoras Diésel-Eléctricas o locomotoras turbina de gas-eléctricas, debido a que la combinación de motor/generador solo sirve como un sistema de transmisión de energía.
Una ventaja de la electrificación es que los motores eléctricos son los de mayor rendimiento y menor peso relativo, lo que permite que las locomotoras sean mucho más potentes a igualdad de peso y tamaño. Además, tienen menores costos de mantenimiento y no deben llevar al combustible cargado, aunque dependen de suministro exterior. Puede añadirse la ausencia de polución por parte de la locomotora en sí misma.
La centrales eléctricas, incluso cuando queman combustibles fósiles, son por mucho más limpias que los motores móviles como los motores primarios de las locomotoras. Además, la energía de las locomotoras eléctricas puede venir de fuentes limpias o renovables, incluyendo energía geotérmica, hidráulica, nuclear, solar, y eólica. Las locomotoras eléctricas también ganan al compararlas con las locomotoras diésel debido a que no tiene motor ni ruido de escape, y menor ruido de transmisión mecánica. La falta de componentes con movimiento alternativo hace que las locomotoras sean más "amigables" con la vía, lo que reduce su mantenimiento.
La capacidad de las centrales eléctricas es de lejos mayor que la que usa una locomotora en forma individual, por lo que pueden tener una potencia de salida mayor que las locomotoras diésel y pueden producir gran potencia por corto tiempo para acelerar. Las locomotoras eléctricas son ideales para servicios de trenes suburbanos con paradas frecuentes. Son usadas en todas las líneas de alta velocidad, como el ICE en Alemania, Acela en EUA, Shinkansen en Japón, TGV en Francia o AVE en España. Las locomotoras eléctricas también se usan en rutas de carga que tienen un tráfico de gran volumen, o en áreas con una red ferroviaria avanzada.
Las locomotoras eléctricas se benefician de la alta eficiencia de los motores eléctricos, cercana al 90%. Puede obtenerse una eficiencia adicional con los frenos regenerativos, el cual permite convertir la energía cinética en electricidad durante el frenado, y enviar electricidad a la línea. Las locomotoras más nuevas usan sistemas inversores de control de los motores CA que proveen frenado regenerativo.
La principal desventaja de la electrificación es el costo de la infraestructura (tendido de la catenaria o del tercer riel, subestaciones, sistemas de control). En Europa y en otros lugares, la red ferroviaria es considerada parte de la infraestructura nacional de transporte, al igual que las carreteras, autopistas y vías fluviales, y por lo tanto financiada por el estado. Los operadores del material rodante pagan una tasa acorde al uso de la red ferroviaria. Esto hace posible las grandes inversiones requeridas en tecnología, y a largo plazo, hace ventajosa la electrificación.
El primer ferrocarril eléctrico conocido fue construido por el escocés Robert Davidson de Aberdeen, en 1837 y era impulsado por motores alimentados por baterías. Davidson construyó, más tarde, una gran locomotora llamada Galvani la cual fue presentada en la Exhibición de la Royal Scottish Society of Arts de 1841. Fue probada en el Edinburgh and Glasgow Railway en septiembre del siguiente año, pero la limitada cantidad de corriente eléctrica suministrada por las baterías impedieron demostrar su posible uso comercial.
El primer tren eléctrico fue presentado por Werner von Siemens en Berlín en 1879. La locomotora estaba impulsada por un motor de 2,2 kW y el tren consistía en una locomotora y tres coches, alcanzando una velocidad máxima de 13 km/h. Durante cuatro meses el tren transportó 90.000 pasajeros en una vía circular de 300 m de largo. La electricidad era suministrada por un tercer riel aislado situado en el medio de la vía. Una dínamo situada cerca generaba la electricidad.
La primera línea de tranvía eléctrico fue abierta en Lichterfelde, cerca de Berlín, Alemania, en 1881. Fue construida por Werner von Siemens (ver Berlin Straßenbahn).
En Gran Bretaña, el ferrocarril eléctrico de Volk fue abierto en 1883 en Brighton (ver Ferrocarril Eléctrico de Volk).
En USA, los primeros tranvías eléctricos fueron los del Richmond Union Passenger Railway en 1888, usando equipamiento diseñado por Frank J. Sprague.
Buena parte de los primeros desarrollos de las locomotoras eléctricas fueron motivado por el incremento de ferrocarriles que circulaban por túneles, particularmente en las áreas urbanas. El humo de las locomotoras de vapor era nocivo, y las municipalidades aumentaron su inclinación a prohibir su uso dentro de sus límites. De esta forma, el primer trabajo exitoso fue en el ferrocarril subterráneo City and South London Railway en el Reino Unido, motivado por una cláusula de su permiso de construcción que prohibía la utilización de la energía de vapor. Esta línea fue abierta en 1890, usando locomotoras eléctricas construidas por Mather and Platt. La electricidad se volvió rápidamente la opción elegida para los subterráneos, apoyada por la invención de Sprague del control de tren de unidades múltiples en 1897. Los trenes subterráneos y elevados generalmente usaban vapor hasta que fueron obligados a convertirse.
En 1894, el ingeniero húngaro Kálmán Kandó desarrolló motores de corriente alterna trifásico de alto voltaje y generadores para locomotoras eléctricas; es conocido como "el padre del tren eléctrico".[cita requerida] Su trabajo para electrificar los ferrocarriles fue hecho en los talleres eléctricos Ganz en Budapest. En 1915, formuló el principio de que las líneas ferroviarias principales solo podían ser exitosas si podían usar, por medio de simples subestaciones transformadoras, directamente la frecuencia estándar de la red pública. Después de realizar eso, también creó los principios para construir una red ferroviaria al inventar un convertidor de fase rotatorio aplicable en locomotoras.
La primera electrificación de una línea principal fue en un trecho de 6,4 km del Baltimore Belt Line del Baltimore and Ohio Railroad (B&O) en 1895. Esta vía conectaba la parte principal del B&O a la línea recientemente construida a Nueva York, y requería una serie de túneles alrededor de la ciudad de Baltimore. Vías paralelas en el Pennsylvania Railroad mostraron que el humo del carbón de las locomotoras a vapor podían ser la mayor cuestión operativa, así como también una molestia pública. Inicialmente se usaron tres unidades Bo+Bo en el extremo sur de la sección electrificada; eran acopladas al tren entero, incluidas las locomotoras, y lo arrastraba a través de los túneles.
En Europa, los proyectos de electrificación inicialmente se enfocaron en las regiones montañosas por varias razones: los suministros de carbón eran difíciles, la energía hidroeléctrica estaba fácilmente disponible, y las locomotoras eléctricas daban más tracción en las líneas empinadas. Hoy el 100% de las líneas suizas está electrificada.
Las entradas del ferrocarril a la Ciudad de Nueva York requerían túneles similares, y aquí los problemas del humo eran más graves. Una colisión en el túnel de Park Avenue en 1902 hizo que la legislatura del Estado de Nueva York prohibiera el uso de locomotoras generadoras de humo al sur del río Harlem después del 1 de julio de 1908. En respuesta, las locomotoras eléctricas comenzaron a operar en 1904 en el New York Central Railroad. En la década de 1930 el Pennsylvania Railroad, el cual también había introducido las locomotoras eléctricas debido a las regulaciones de la Ciudad de Nueva York, electrificó toda su red al este de Harrisburg, Pensilvania.
Los ferrocarriles italianos fueron los primeros en el mundo en utilizar tracción eléctrica (diseñada por Kálmán Kandó en los talleres eléctricos Ganz, Budapest) para una línea principal completa en lugar de solo un tramo. Los 106 km de la línea Valtellina fueron abiertos el 4 de septiembre de 1902. El sistema eléctrico era trifásico de 3 kV y 15 Hz. El voltaje era bastante más alto que el usado anteriormente y requería nuevos diseños para los motores eléctricos y los dispositivos de los cambios. Durante el periodo de electrificación de los ferrocarriles italianos, se realizaron varias pruebas para determinar el tipo de alimentación a usar: en algunas secciones era trifásica de 3,6 kV y 16,6 Hz, en otras había 1500 V CC, 3 kV CC y 10 kV CA a 50Hz. Durante los años de la década de 1930, se eligió la electricidad de 3kV CC para todo el sistema ferroviario italiano (hoy en día, 1500 V CC se mantiene en uso en algunas líneas cerca de Francia y en los trenes de alta velocidad se utiliza 25 kV a 50Hz).
En Estados Unidos, el Chicago, Milwaukee, St. Paul and Pacific Railroad (el Milwaukee Road), la última línea transcontinental en ser construida, electrificó su línea a través de las Montañas Rocallosas y al Océano Pacífica, comenzando en 1915. Unas pocas líneas de la Costa Este, notablemente el Virginian Railway y el Norfolk and Western Railway, consideraron conveniente electrificar tramos cortos de sus cruces de montaña. Sin embargo, para ese entonces, la electrificación en Estados Unidos eestaba más asociada con tráfico urbano denso, y el centro de desarrollo paso a Europa, donde la electrificación estaba generalizada.
En 1923, la primera locomotora eléctrica con un convertidor de fase fue construida sobre la base de los diseños de Kandó en Hungría, y la producción comenzó poco después. El convertidor transformaba la electricidad monofásica en corriente alterna trifásica dentro de la locomotora. La sección Budapest - Hegyeshalom - Viena (1929) del Ferrocarril Estatal Húngaro fue construida sobre la base de este invento.
Los años de la década de 1960 vieron la electrificación de muchas líneas principales europeas (Europa del Este incluida). La tecnología europea de las locomotoras eléctricas estaba en constante evolución desde la década de 1920. Para comparación, la Milwaukee Road clase EP-2 de 1918, pesaba 240 Tm, con una potencia de 3.330 kW y una velocidad máxima de 112 km/h; en 1935, la alemana E 18 tenía una potencia de 2.800 kW, pero pesaba solo 108 Tm y tenía una velocidad máxima de 150 km/h. El 29 de marzo de 1955, la locomotora francesa CC 7107 alcanzó los 331 km/h. En 1960 las locomotoras SJ Clase Dm 3 introducidas en los Ferrocarriles Suecos lograron la marca de 7.200 kW. En la misma época aparecieron en Alemania y Francia locomotoras capaces de alcanzar 200 km/h en los servicios comerciales de pasajeros. Posteriores avances se lograron gracias a la introducción de los sistemas de control electrónicos, los cuales permiten usar motores cada vez más pequeños y potentes que pueden caber enteramente en los bojes (normalizados a partir de la década de 1990 en motores asincrónicos trifásicos, alimentados a través de inversores GTO).
En los Estados Unidos, el uso de locomotoras eléctricas declinó el favor de la dieselización. Las diésel compartían algunas de las ventajas de las locomotoras eléctricas sobre el vapor, y el costo de construir y mantener la infraestructura de la red eléctrica, que siempre había desalentado las nuevas instalaciones, provocó la eliminación de la electrificación de la mayoría de las líneas principales fuera del noreste. Excepto para algunos sistemas cautivos (p.e. el Black Mesa and Lake Powell), para el año 2000 la electrificación fue confinada al Corredor del noreste y algunas líneas urbanas; incluso allí, el servicio de transporte de mercancías fue manejado por las diésel.
En la década de 1980, el desarrollo de servicios de muy alta velocidad revivió la electrificación. El Shinkansen japonés y el TGV francés fueron los primeros sistemas a los que se les dedicó líneas de alta velocidad construidas desde cero. Programas similares fueron realizados en Italia, Alemania y España; en Estados Unidos la única línea principal nueva fue una extensión de la electrificación del Corredor del noreste desde New Haven, Connecticut a Boston, Massachusetts, aunque sistemas de riel liviano, usando coches automotores eléctricos, se siguen construyendo.
El 2 de septiembre de 2006 una locomotora de producción estándar Siemens del Eurosprinter tipo ES64-U4 (ÖBB Clase 1216) alcanzó la velocidad de 357 km/h, estableciendo una marca para un tren arrastrado por una locomotora, en la nueva línea entre Ingolstadt y Nuremberg.
Una locomotora eléctrica puede ser alimentada desde un
Esto es un marcado contraste con una locomotora diésel-eléctrica, la cual combina un motor principal con un sistema de transmisión eléctrica o de almacenamiento (baterías, ultracondensadores).
Las características principales del diseño de las locomotoras eléctricas son:
La diferencia fundamental se encuentra en la elección de corriente continua (CC) o alterna (CA). Los primeros sistemas usaban corriente continua debido a que entre los motores de tracción de CA monofásicos (a las velocidades de circulación de la época era inviable la captación por más de un hilo de contacto) y los de CC, estos últimos, tienen un mejor comportamiento a velocidades bajas, con un mayor par de arranque, manteniendo a su vez un comportamiento similar a los de alterna a velocidades elevadas. Ello posibilita el tráfico mixto, de mercancías (trenes pesados y lentos) y viajeros (ligeros y veloces) por la misma línea. Las locomotoras de corriente continua utilizan normalmente bajas o medias tensiones (600 a 3.000 V); el equipamiento es relativamente grande ya que la corriente usada debe ser alta para poder transmitir suficiente energía. La electricidad debe suministrarse a la catenaria a intervalos regulares debido a las grandes pérdidas en los sistemas de transmisión extensos.
Cuando se desarrolló la electrónica de potencia y con ella los convertidores, con la utilización de GTO y posteriormente IGBT, pasaron a utilizarse motores asíncronos trifásicos (o de más fases) que proporcionan una curva Fuerza/Velocidad similar a los motores de continua, con la ventaja de que tienen unos costes de mantenimiento mucho menores. Así mismo permiten la utilización de corriente alterna para la alimentación del tren. Se utiliza alta tensión (decenas de miles de voltios) debido a que permite el uso de bajas corrientes puesto que la pérdida de electricidad es proporcional al cuadrado de la corriente (p.e. el doble de corriente implica una pérdida cuatro veces superior). De esta manera, puede llevarse una gran cantidad de energía a grandes distancias usando cables más delgados y baratos. La locomotora está equipada con transformadores que convierten esta corriente en baja tensión para los motores. En locomotoras de corriente continua no puede usarse un sistema semejante, de alta tensión/baja tensión, debido a que no hay una forma eficiente de transformar la corriente continua.
La tracción CA rara vez usa línea de dos fases en lugar de la monofásica. La transmisión trifásica de los actuales motores de inducción, no tienen conmutadores sensitivos y permiten realizar más fácilmente el frenado regenerativo. La velocidad se controla cambiando el número de pares de polos en el circuito estator y conmutando con resistencias adicionales en el circuito del rotor. Las líneas de dos fases son pesadas y complicadas cerca de los cambios de vía, donde una fase debe cruzarse con otra. El sistema se utilizó en la parte norte de Italia hasta 1976 y aún se utiliza en algunos ferrocarriles de cremallera en Suiza. Una ventaja es que la línea de dos fases hace viable un sistema simple de freno de seguridad. Sin embargo, el control de velocidad en la línea de dos fases es problemático.
Los conmutadores usados anteriormente tenían problemas en el arranque a bajas velocidades. Son comunes las locomotoras rectificadoras, que usan transmisión de CA y motores de CC. Las locomotoras eléctricas avanzadas de hoy tienen invariablemente motores de CA trifásica de inducción sin escobillas. Estás máquinas poli-fásicas están alimentadas con inversores basados en GTO, IGCT o IGBT. El costo de los dispositivos electrónicos en una moderna locomotora puede ser de hasta el 50% del costo total del vehículo.
La tracción eléctrica permite usar frenos regenerativos, en el cual los motores se usan como frenos y se convierten en generadores que transforman el movimiento del tren en energía eléctrica que se devuelve a la línea de alimentación. Este sistema es particularmente ventajoso en zonas de montaña, donde las locomotoras que descienden pueden producir una buena parte de la energía que requieren los trenes que ascienden.
Muchos sistemas tienen tensiones características, y en el caso de la corriente alterna, una frecuencia del sistema. A lo largo de los años, muchas locomotoras se equiparon para poder usar múltiples voltajes y frecuencias, y los sistemas se han ido actualizando o superponiendo. La locomotora estadounidense FL9 está equipada para usar dos sistemas eléctricos diferentes y puede operar como una locomotora diésel-eléctrica convencional.
Mientras que los sistemas diseñados recientemente operan invariablemente con corriente alterna, muchos sistemas de corriente continua aún están en uso; p.e., en Sudáfrica y el Reino Unido (750 V y 1.500 V); Países Bajos, Japón, Bombay, Irlanda (1.500 V); Eslovenia, Bélgica, Italia, Polonia, Rusia, España (3.000 V), y la ciudad de Washington DC (750 V).
Los circuitos eléctricos requieren dos conexiones, o tres para los sistenas trifásicos. Desde los tempranos inicios, la propia vía era usada para un polo del circuito, y al contrario de los modelos ferroviarios, el otro polo se suministra de forma separada.
La electrificación original del Baltimore and Ohio Railroad usaba una zapata deslizante en un canal superior, un sistema que pronto se consideró inadecuado. Fue reemplazado por el sistema del tercer riel, en el cual un captador, la llamada "zapata" o "patín", se traslada por arriba o por abajo de un pequeño riel paralelo a la vía principal, algo por encima del nivel del suelo. Hay múltiples captadores a ambos lados de la locomotora a fin de poder salvar las interrupciones del tercer riel, requeridas por el tendido ferroviario. El sistema es el preferido en los subterráneos debido a que permite poca holgura.
Sin embargo, los ferrocarriles prefieren líneas superiores, a veces llamada catenaria debido a la forma que adopta el cable a lo largo de su trazado. Existen tres métodos posibles de conexión:
De los tres, el pantógrafo es el método que mejor se adapta para las operaciones de alta velocidad. Algunas locomotoras están equipadas para usar tanto la catenaria como el tercer riel (p.e., la British Rail Clase 92).
Durante el desarrollo de la propulsión ferroviaria eléctrica, se idearon varios sistemas para acoplar los motores de tracción con las ruedas. Las primeras locomotoras usaban un eje intermedio. En esta disposición, el motor de tracción está montado en el cuerpo de la locomotora, y mueve el eje intermedio a través de un juego de engranajes. Este sistema se usaba porque los primeros motores de tracción eran muy grandes y pesados para montarlos directamente en los ejes. Debido a la cantidad de componentes mecánicos, era necesario un mantenimiento frecuente. El eje intermedio fue abandonado, excepto en las máquinas más pequeñas, cuando se desarrollaron motores más pequeños y livianos.
Se crearon otros sistemas a medida que la locomotora eléctrica maduraba. La transmisión Buchli fue un sistema de carga de resortes, en el cual el peso de los motores estaba completamente desconectado de las ruedas motrices. Usado por primera vez en locomotoras eléctricas a partir de la década de 1920, la transmisión Buchli fue usada principalmente en la SNCF francesa y en los Ferrocarriles Federales Suizos. El eje hueco fue también desarrollado en esta época. Montaba los motores de tracción encima o a un costado del eje motor y se acoplaba al eje mediante un conjunto de engranajes y un eje hueco semiflexible. La locomotora Pennsylvania Railroad GG1 usaba el eje hueco. Nuevamente, el eje hueco fue abandonado a medida que los motores disminuían su peso y tamaño.
Otro ejemplo de transmisión fue el sistema "bi-polar", en el cual el inducido del motor era el eje en sí mismo, mientras que la carcasa y los campos del motor estaban montados en el boje en una posición fija. El motor tiene campos de dos polos, lo cual permite un limitado movimiento vertical al inducido. Este sistema tenía un valor restringido debido a que la potencia de cada motor era limitada. El EP-2 bi-polar usada por el Milwaukee Road compensaba este problema usando una gran cantidad de ejes motrices.
Las modernas locomotoras eléctricas, al igual que las diésel-eléctricas, usan motores casi universales montados en los ejes, con un motor por cada eje motor. En esta disposición, un lado de la carcasa del motor se soporta por rodamientos planos que se desplazan sobre un muñón pulido, integrado al eje. El otro extremo de la carcasa del motor tiene un saliente en forma plana que se inserta en un zócalo en el boje, siendo su función la de soportar el par motor, además de servir como apoyo del motor. La potencia del motor al eje se transmite por medio de engranajes rectos, que constan de un piñón en el eje del motor y una corona en el eje motor. Ambos engranajes están cubiertos por un gabinete que contiene aceite lubricante. El tipo de servicio al cual se destina la locomotora determina la relación de los engranajes. Relaciones altas se usan en unidades de carga, mientras que las relaciones bajas son típicas para las locomotoras destinadas a trenes de pasajeros.
La electrónica de potencia juega un papel fundamental en la tracción de locomotoras eléctricas. Así, sin esta tecnología, sería imposible el control de los distintos motores de los que consta dichas máquinas. Sin el desarrollo de dicha tecnología, las marchas de los trenes serían bruscas e incontrolables. En ingeniería ferroviaria, resulta fundamental el empleo de transistores IGBT y tiristores GTO en inversores y rectificadores debido a las altas magnitudes eléctricas que se manejan.
A continuación se muestran algunos modelos de locomotoras junto con su tecnología de tracción:
La notación Whyte utilizada para clasificar las locomotoras de vapor no es adecuado para describir la variedad de disposiciones de las locomotoras eléctricas, sin embargo el Pennsylvania Railroad aplicaba las clases para sus locomotoras eléctricas, como si fueran de vapor o concatenaciones de los mismos. Por ejemplo, la clase PRR GG1 indica que su disposición es equivalente a dos locomotoras clase G 4-6-0 acopladas cola con cola.
En todo caso, normalmente se usa para las locomotoras eléctricas el sistema de clasificación UIC, y puede describir las complejas disposiciones de ejes motrices y portantes, y puede diferenciar sistemas motrices acoplados y no acoplados.
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