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Tracción ferroviaria

Tracción ferroviaria
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Concepto:Fuente de la fuerza de movimiento en los vehículos ferroviarios.

Tracción ferroviaria. Definida la tracción en el Diccionario de la Real Academia Española de la Lengua como la acción y efecto de tirar de algo para moverlo y arrastrarlo, y especialmente los carruajes sobre la vía. El término carruaje es un término no ajustable al argot ferroviario donde se debe diferenciar entre vagones de viajeros y vagones de mercancías. Los vagones de viajeros son conocidos como coches, mientras que los de mercancías sí que conservan este nombre.

El remolque o tracción de los coches y vagones se realiza mediante una locomotora, de aquí surge el concepto de material remolcado que que se diferencia del denominado material autopropulsado, que es un conjunto de coches que poseen todos los elementos necesarios para su propio movimiento en ellos mismos.

Es la tracción lo que provee la energía para que las composiciones, bien sean autopropulsadas o bien remolcadas, puedan desplazarse a lo largo de la vía férrea.

Para ello existen diferentes mecanismos, los que se denominan tracción diesel y tracción eléctrica, en el caso de a tracción diesel, que todo se reduce a producir energía eléctrica para alimentar los motores de tracción (que son siempre motores eléctricos), siendo estos motores los que están acoplados a los ejes para producir el desplazamiento. Así, se encuentran locomotoras diesel y locomotoras eléctricas que son las encargadas de traccionar el material remolcado, mientras que en material autopropulsado si consiste en tracción eléctrica (tomando la energía mediante catenaria o bien mediante tercer carril) las composiciones se denominarán unidades de transporte (UT), mientras que si llevan un motor diesel (o varios) se las denominará automotores.

Historia de la Tracción Diesel

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.

Rudolf Diesel

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.

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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.

Historia de la Tracción Eléctrica

Se pueden distinguir tres periodos en los avances de la tracción eléctrica:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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 30.00 m. y recogiendo la corriente de un carril especial situado en el eje de la vía.

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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 sufre una constante evolución, sobre todo en aquellos países que, como Suiza, tienen un territorio montañoso.
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Locomotora de cremallera suiza de 1898

La primera aparición de los monorraíles se produce en la Exposición de Lyon del año 1872, siendo en 1898 en Alemania la primera vez que se pone en funcionamiento el monorraíl 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.

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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.

Tipos de tracción

Tipos principales de tracción ferroviaria

  • Eléctrica. La fuente de energía eléctrica es externa (catenaria, tercer rail y alimenta directamente o mediante transformadores o convertidores (las más recientes con tecnología IGBT) alimenta el o los motores de tracción eléctricos.
  • Diésel-hidráulica. Uno o varios motores diésel accionan los ejes. La transmisión es generalmente por turbinas hidráulicas.
  • Diésel-eléctrica. Un motor diésel mueve un generador eléctrico que, directamente o mediante un rectificador alimenta el o los convertidores y el o los motores eléctricos de tracción. A estos últimos se les denomina generalmente motores de tracción para diferenciarlos del motor diésel del generador eléctrico. La mayoría de las locomotoras pesadas diésel desde los años 1960 son diésel-eléctricas.
  • Dual, híbrida, o eléctrico-diésel. Existen dos fuentes alternativas de energía: (1) corriente eléctrica externa o (2) un motor diésel que actua como grupo electrógeno. La tracción dual puede considerarse como una tracción diésel-eléctrica en la que en tramos electrificados se puede prescindir del grupo electrógeno diésel. La disminución del peso de los equipos de tracción debido a los avances en la electrónica de potencia y de los motores, permite cada vez mas abordar esta alternativa, especialmente interesante para redes parcialmente electrificadas y para tráficos en terminales de mercancías. Varios fabricantes importantes como Bombardier y Siemens utilizan los términos tracción dual y tracción híbrida como sinónimos.
  • Híbrida. Otros fabricantes reservan el término "tracción híbrida" para los vehículos de tracción eléctrica (o menos frecuentemente diesel eléctrica) que cuentan con un sistema de almacenamiento de energía eléctrica (por ejemplo mediante baterías o ultracondensadores). Especialmente para tranvías modernos se está desarrollando con fuerza a partir de los años 2000 este tipo de tracción que permite salvar tramos cortos sin catenaria.

Otros tipos

  • De turbina de gas
  • De vapor
  • Tracción animal (también llamada de sangre)
Características tracción diesel
  • 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 la tracción eléctrica

Existen tres tipos de electrificación dentro de la tracción eléctrica:

  • 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. Si la tensión es muy baja acarrea 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.
  • Con corriente alterna monofásica: Existen 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.

  • 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.

Gracias a esta tracción se ha conseguido el récord de velocidad de 515.3 Km/h.

Comparación entre la tracción Diesel frente a la Eléctrica

Ventajas de la tracción Diesel frente a la eléctrica

No es tan costosa su instalación, debido al elevado gasto que supone la electrificación de la línea.

Fuente