Trazione ferroviaria
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Si definisce trazione ferroviaria l'insieme dei vari sistemi esperimentati ed attuati, nel corso degli anni, allo scopo di trainare treni di veicoli sulle ferrovie; alcuni sono rimasti sperimentali, altri si sono consolidati e hanno continuato a svilupparsi fino ai giorni nostri.
I primi sistemi, impiegati in genere per lo spostamento delle merci ma anche per le persone nelle antiche tranvie cittadine, sono stati i sistemi a trazione animale (generalmente con cavalli ma a volte anche buoi). Un altro sistema di trazione molto antico è il trasporto a fune.
[modifica] Trazione a vapore
Agli inizi dell'Ottocento in Inghilterra, in seguito allo sviluppo del motore a vapore come sostituto meccanico del cavallo per il traino dei convogli di carrelli di carbone nelle miniere, la tecnologia ferroviaria adottò la trazione a vapore, che consentì il rapido diffondersi delle ferrovie in tutto il mondo a cavallo tra il XIX e il XX secolo. Quale combustibile per l'alimentazione delle caldaie venne presto utilizzato il carbone fossile, ma in alcune aree del mondo anche il carbone di legna e, specie nelle piccole ferrovie boschive, anche la legna in pezzi. Dalla metà del XX secolo cominciò ad essere usata anche l'alimentazione ad olio combustibile e a nafta. Vennero esperimentate anche alimentazioni a gas metano, presto abbandonate a causa di gravi incidenti. Allo scopo di aggiornare la tecnologia costruttiva della trazione a vapore ed aumentarne prestazioni e rendimento sono state costruite anche locomotive con caldaie ad alta pressione; nonostante ciò tale sistema di trazione, se si eccettuano alcuni servizi turistici, è pressoché scomparso e sopravvive in maniera consistente solo in alcune regioni dell'Asia e dell'Africa.
[modifica] Trazione termica
La trazione termica, attuata mediante l'uso di motori endotermici agli inizi anche a benzina o benzolo ma in seguito quasi esclusivamente diesel a partire dagli inizi del XX secolo si è progressivamente diffusa in tutto il mondo, in Europa generalmente sulle linee a traffico medio-basso ma quasi generalizzata in Asia e nelle Americhe.
Sono state tentate anche applicazioni della turbina di tipo aeronautico sia in Nordamerica che in Europa. Una variante sperimentale che non ha avuto particolare diffusione è costituita dalla trazione a turbina che ha reso celebri in particolare alcuni treni francesi.
[modifica] Sistemi sperimentali
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Per approfondire, vedi la voce Treno. |
Ormai definitivamente abbandonato invece è il sistema di trazione ad elica. Il primo esperimento di trazione ad elica conosciuto riguarda l'applicazione di un motore d'aereo ad un carro pianale avvenuta nel 1916 su una linea a scartamento ridotto della Palestina operato da un reparto di aviatori tedeschi. Il veicolo raggiunse la velocità di 90 km/orari. Tuttavia il primo uso industriale vero e proprio sembra essere stato quello del 1929, in Inghilterra, adottato dal costruttore, Bennie, su dei veicoli a forma di siluro che muniti di due eliche per poter viaggiare nei due sensi, percorrevano una ferrovia sospesa di circa 2 chilometri. L'ultimo tentativo avvenne in Germania nel 1931, sull'onda dei successi dei dirigibili, che usavano proprio la propulsione ad elica, su una automotrice con struttura in lega leggera, progettata dall'ing. Kruckenberg, che sulla linea Amburgo-Berlino, tra Bergdorf e Spandau stabilì il primato mondiale per quel tipo di trazione raggiungendo i 230 km/orari. Nonostante questo il mezzo non entrò mai in esercizio regolare. Gli esperimenti effettuati miravano principalmente alla velocità elevata, uno dei "miti" dell'epoca in oggetto ma dimostrarono i pesanti limiti del sistema. I motivi dell'insuccesso sono ascrivibili essenzialmente alla necessità di costruire veicoli molto leggeri per compensare le difficoltà di avviamento, quindi di costosa costruzione e non atti ad aumenti del carico previsto ed alla necessità di una sagoma limite maggiorata per poter circolare; Infine, concorse all'abbandono del progetto lo sviluppo dell'uso dei motori elettrici ed endotermici sempre più veloci ed affidabili nella trazione ferroviaria.
[modifica] Trazione elettrica
Dagli inizi del XX secolo si è sviluppato progressivamente un ulteriore tipo di trazione basato sull'uso di motori elettrici; il sistema definito trazione elettrica è oggi quello tecnologicamente più evoluto e caratterizza fra l'altro tutte le ferrovie ad Alta velocità di recente realizzazione. Le ragioni della sua affermazione risiedono nella maggiore affidabilità elettromeccanica e nella sua maggiore economicità di esercizio nelle ferrovie a traffico intenso; è inoltre quello a minore inquinamento ambientale e consente con opportuni sistemi anche un certo ricupero di energia nelle discese e nelle fasi di rallentamento o frenatura.
Agli inizi vennero usate tensioni non molto elevate dell'ordine di 700 volt e corrente continua, anche se in certi casi fu utilizzata anche la corrente alternata monofase. In seguito, nei primi anni del XX secolo, dopo alcuni esperimenti in Ungheria, si affermò in Italia la trazione trifase ad alta tensione (a 3600 volt). Tra il 1900 e il 1930 la trazione elettrica trifase sembrò affermarsi definitivamente con un vasto piano di elettrificazione ad alta tensione sulle grandi linee ferroviarie. I vari stati europei adottarono tensioni nominali di 1500, 3000 e 6000 Volt, e frequenze da 15 a 20 Hz. per soddisfare l'esigenza di motori relativamente lenti senza dover elevare troppo il numero dei poli e contenere entro limiti accettabili le cadute induttive e le perdite di energia conseguenti alla utilizzazione della rotaia come terzo conduttore di linea.
I locomotori avevano in genere due motori e si ottenevano quattro velocità di esercizio con l'ausilio dì reostati e speciali collegamenti statore-rotore che permettevano di variare il numero di poli e il numero di fasi.
L’aderenza integrale si otteneva mediante bielle di accoppiamento. Il sistema pur tecnicamente valido per quanto riguarda le potenze e le tensioni di alimentazione dei motori, aveva però l'inconveniente di una maggiore complessità della linea di contatto soprattutto negli scambi e negli incroci. Inoltre i motori asincroni avendo caratteristiche di avviamento e regolazione meno elastiche dei motori a corrente continua erano meno adatti alle esigenze della trazione veloce con frequenti avviamenti e fermate. Ma agli inizi l'impiego dei motori a corrente continua nella trazione incorreva in due grossi ostacoli: impossibilità di alimentarli a tensioni superiori a 500 Volt, e la mancanza di dispositivi di conversione in continua della corrente alternata ad alta tensione.
[modifica] La trazione elettrica trifase nelle ferrovie italiane
Alla fine del XIX secolo, l'epoca dei famosi treni di lusso «Orient-Express», «Sud-Express» e «Mediterranee » l'Italia, prima in Europa, cercò di sostituire la trazione a vapore in uso sulle proprie ferrovie con quella elettrica allo scopo di migliorare il comfort ed eliminare il fastidio che la polvere di carbone arrecava ai viaggiatori.
Nel 1898 il “Regio Governo” incaricò le due maggiori compagnie ferroviarie dell'epoca, la Rete Mediterranea e la Rete Adriatica, di eseguire studi ed esperimenti per la scelta del sistema più adatto di trazione elettrica. I primi esperimenti furono quelli con automotrici ad accumulatori (1899-1904) sulla Milano-Monza e sulla Bologna-San Felice e quelli, sulle linee della Valtellina, con elettromotrici a “alimentazione a terza rotaia“ a 650 V e corrente continua. Gli esperimenti anche se incoraggianti comportavano però velocità e potenza modeste ed insufficienti per le esigenze del servizio ferroviario, quindi verso il 1902 iniziarono sulle stesse linee gli esperimenti con trazione trifase a 3000 V/// 15 Hz. e locomotori RA 34 (poi E.430 delle FS), con potenza di circa 800 Cv, o 600 kW.
L'ottimo risultato ottenuto sulla linea Valtellinese promosse l'estensione della trazione elettrica anche alle linee di valico a grande traffico.
L'elettrificazione della linea dei Giovi (locomotori gruppo E 550 da 2040 Cv.) risolse il problema del traino di treni pesanti in galleria e in forte pendenza fino al porto di Genova, sia dal punto di vista tecnico che da quello umano (era frequente lo svenimento dovuto ai fumi stagnanti). Si triplicava la potenzialità della linea con aumento di velocità commerciale, frequenza e peso utile dei convogli.
Dopo il 1914, vennero costruiti locomotori veloci, E.330 ed E.331, che raggiungevano i 100 km/h, per le esigenze dei treni viaggiatori.
Verso il 1922 venne elettrificata l'importante linea Genova-Torino-Modane e si rese pertanto necessario costruire i nuovi locomotori a quattro assi accoppiati per treni viaggiatori pesanti E.431 ed E.432 (2700 cv./100 km/h).
Nel 1927 sulla linea Roma-Sulmona venne esperimentata la trazione elettrica a 10.000 V. a frequenza industriale con i locomotori E.470, E.472 e E.570. Questa realizzazione rappresentò il canto del cigno del sistema e concluse il periodo della trifase. La trazione trifase in Italia sopravvisse fino alla seconda metà degli anni '70.
[modifica] La trazione elettrica a corrente continua
Il passaggio dalla trazione trifase alla trazione a corrente continua si rese necessario per vari motivi: con le tecnologie allora disponibili non era possibile soddisfare le esigenze di una moderna rete ferroviaria o elevare le velocità di corsa; la complicazione dei sistemi elettromeccanici per variare il numero di poli e di fasi rendeva il sistema troppo esposto a guasti e bisognoso di frequente manutenzione. Inoltre la complicazione della linea elettrica di alimentazione ne impediva l'uso a velocità troppo sostenute. Le prime elettrificazioni a corrente continua che si possono considerare fondamentali furono negli USA dove venne elettrificata a corrente continua per una lunghezza di oltre 1000 km la linea tra Chicago e il Pacifico.
[modifica] La trazione elettrica a corrente continua nelle ferrovie italiane
In Italia le Ferrovie dello Stato decisero di fare esperimenti di trazione a corrente continua a 3000 V sulla Benevento - Foggia e ottenendo brillanti risultati (soprattutto grazie ai raddrizzatori a vapori di mercurio installati ad Apice). A partire dal 1930 il positivo risultato degli esperimenti estese l'adozione della trazione elettrica a corrente continua a 3.000 V a tutte le ulteriori elettrificazioni. Ciò in conseguenza sia al perfezionamento dei motori a corrente continua che all'avvento dei raddrizzatori termoionici a vapore di mercurio. In seguito le celle raddrizzatrici al silicio e i moderni mezzi statici di elevato rendimento e grande affidabilità hanno reso la corrente continua il sistema di elezione in molti paesi del mondo fino alla seconda metà del secolo scorso.
Subito dopo la Seconda guerra mondiale si capì che era necessaria l'unificazione dei sistemi di trazione; ciò era vantaggioso per i costi di manutenzione e per il materiale di scorta. Durante la guerra erano andati distrutti 5000 km di linea elettrificate e 523 locomotive a corrente continua.
Negli anni cinquanta si eseguì una vasta ricostruzione e si proseguirono i lavori di elettrificazione. Convivevano ancora linee a corrente continua e linee a corrente trifase, convertite progressivamente alla continua nel successivo ventennio. Per economia si preferì riutilizzare la linea elettrica esistente togliendo un solo filo e spostando al centro l'altro, così si dovettero adattare su alcuni locomotori dei pantografi a striscianti larghi.
Tra le prime locomotive elettriche a corrente continua in Italia vi furono le E.626 che cominciarono ad effettuare i primi servizi sulla Benevento - Foggia nel 1927. La principale innovazione di questo tipo di trazione era la possibilità di impiegare più di due motori di trazione, cosa poco fattibile col trifase. Le E.626 avevano una velocità massima di 90 km/h e avevano una cassa rigida in livrea castano-isabella.
Le successive costruzioni di serie di locomotive elettriche a c.c. riguardarono i gruppi E.326, E.428, E.636, E.424,E.645 e E.646. Nel 1965 si concepì una locomotiva adatta ai servizi veloci lungo la Penisola con rodiggio Bo' Bo', quindi con 4 assi motori, e nel 1967 venne la E.444, detta in gergo "Tartaruga". Superate le prime incertezze si capì che le E.444 sarebbero diventato il simbolo di un'Italia che puntava sulla velocità. Infatti erano le prime locomotive che potevano raggiungere in servizio i 180 km/h, portati poi a 200 km/h. Questo gruppo verrà poi riqualificato durante gli anni novanta divenendo E.444R per il traino di treni Intercity e largamente utilizzato sulla Direttissima Firenze-Roma.
Ma alle Ferrovie dello Stato italiane serviva una locomotiva potente capace di trainare i convogli sempre più pesanti. Anche i treni merci esigevano una trazione che superasse i 4000 kW soprattutto sulle linee più impervie. Abbandonato il progetto di una E.666, nacquero le E656 (in gergo "Caimano) che divenne uno dei gruppi più numerosi. Era una locomotiva ancora a regolazione reostatica da 4800 kW con rodiggio Bo' Bo' Bo'.
[modifica] Le elettromotrici
Le prime elettromotrici, ossia dei rotabili che trainavano sé stessi erano state sviluppate ancor prima delle locomotive a corrente continua. Dal periodo anteguerra vennero costruite in sempre maggiore quantità e utilizzate per le linee a carattere regionale. Ma col passare degli anni le elettromotrici assumevano un ruolo sempre più importante fino a effettuare treni di prestigio o rapidi. Tra queste le ALe601 per viaggi a lunga distanza sulla direttrice Milano - Napoli atte a viaggiare fino a 200 km/h.
L'evoluzione delle elettrotromotrici ha portato alla costruzione di elettrotreni speciali, come l'ETR200, l'ETR220, l'ETR250 Arlecchino e l'ETR300, il famoso Settebello con un comfort notevole per i passeggeri, carrozze climatizzate, carrozza ristorante e un belvedere ai due estremi, ed una velocità di 200 km/h.
L'ulteriore evoluzione degli elettrotreni si ha con l' ETR401, il primo Pendolino con cassa oscillante costruita dalla Fiat Ferroviaria. Questo treno vedeva l'utilizzo di un dispositivo per l'inclinazione del treno nelle curve che rendesse più confortevole il viaggio per i passeggeri e soprattutto consentisse una maggiore velocità sulle linee italiane. Durante gli anni sessanta si fecero molti esperimenti e alla fine degli anni ottanta uscirà l'ETR450, il primo elettrotreno a cassa oscillante per i servizi ad Alta Velocità in Italia.
[modifica] Il ritorno del trifase: l'azionamento elettronico
Negli ultimi decenni lo sviluppo delle tecnologie nel campo dell'elettrotecnica e dell'elettronica di potenza e la messa a punto di sistemi di regolazione che svincolano totalmente le caratteristiche della corrente motorica (alternata o continua) da quelle della corrente assorbita dall'esterno (alternata o continua) ha consentito la riscoperta dell'uso dei motori a corrente alternata e in particolare di quelli trifase che offrono il vantaggio della loro più semplice struttura elettromeccanica. Quanto all'intriseco difetto di possedere una curva di caratteristica meccanica particolarmente sgradita (instabile perché in gran parte ascendente e solo in minima parte discendente) la moderna elettronica vi ha posto rimedio con l'estesa implementazione di sistemi di alimentazione di potenza elettrica basati su circuiti invertitori a componenti statiche; questi, pilotati da calcolatore, alimentano i motori di trazione con correnti a tensione e frequenza variabili producendo in tal modo una caratteristica meccanica finale adeguata alla necessità, potendo quindi riprodurre anche un funzionamento a potenza costante (ossia con curva di caratteristica meccanica avente forma di iperbole equilatera). Tali caratteristiche rendono il funzionamento della locomotiva così equipaggiata, oltre che stabile, particolarmente economico e funzionale nell'esercizio.
Il motore trifase ha poi l'intrinseco vantaggio di poter funzionare automaticamente (senza modifiche o regolazioni esterne) da freno e ciò accade semplicemente allorché la velocità di rotazione del rotore supera la velocità di sincronismo, velocità dovuta alla frequenza della corrente di alimentazione: tale caratteristica, unita alla forte ripidità della curva di caratteristica meccanica nell'intorno di tale valore di velocità, rende tale motore particolarmente adatto al mantenimento di una prefissata velocità in condizioni variabili di resistenza al moto (come ad esempio un tracciato con successive salite e discese) senza necessità di variare la regolazione dell'alimentazione. In sostanza gli scostamenti dalla "velocità di impostazione" (funzione della frequenza della corrente) sono minimi sia negativo (funzionamento in trazione) che in positivo (funzionamento in frenatura) e il passaggio dall'azione traente a quella frenante avviene spontaneamente all'aumento della velocità del veicolo.
Nell'ultimo decennio in particolare si è assistito ad una diffusione massiccia della corrente alternata a 25.000 V per le linee elettriche di alimentazione delle nuove ferrovie ad alta velocità, in ragione soprattutto della maggiore potenza erogabile al singolo convoglio e della maggiore disponibilità di tecnologia sviluppata in questo settore, cosa dovuta al fatto che le principali sperimentazioni e prime realizzazioni europee di linee veloci si sono avute in Francia, stato che aveva diffuso, già in precedenza, tale sistema di trazione nelle linee ordinarie.
Altri vantaggi sono dovuti a tale sistema di trazione, per esempio il fatto che a parità di potenza impegnata le correnti in gioco sono più basse e quindi si hanno statisticamente meno problemi di captazione attraverso i pantografi dei locomotori, e il fatto che la maggiore tensione di alimentazione consente un maggiore distanziamento delle sottostazioni elettriche, soprattutto unitamente all'uso di autotrasformatori intermedi lungo la linea; tuttavia il sistema presenta anche alcuni gravi difetti e relativi costi, di cui il principale è sicuramente quello legato al potere di induzione magnetica (dovuto alla caratteristica della corrente alternata) che può provocare interferenze gravi nei sistemi di telecomunicazione e che come tale impone particolari e costose accortezze nella progettazione e nella scelta dei materiali e delle componenti. Tali difetti rendono diseconomica ogni prospettiva di estendere tale sistema di trazione alla rete tradizionale ove non si verificano assorbimenti di potenza puntuali cosi elevati come nelle linee veloci.
[modifica] I limiti e i problemi dell'alimentazione a 3000 Vcc
Col passare degli anni, i treni sono diventati sempre più pesanti e di conseguenza sempre maggiori le potenze, quindi le correnti in gioco. Questo ha fatto sì che nei sistemi come quello italiano, la corrente e la tensione assumano ordini di grandezza simili.
Questo fatto ha reso sempre più complesse le problematiche di protezione delle linee di contatto. Avere carichi dell'ordine di 3000/4000 Amperes infatti, significa avere resistenze di carico di valore anche inferiori ad 1 Ohm, e quindi la possibilità, da parte degli interruttori di protezione della linea (extrarapidi) di "confondere" il carico di un treno con un cortocircuito di linea, soprattutto se il guasto è ad una distanza considerevole. Nell'alimentazione a 3000 Vcc quindi si adottano degli schemi di protezione dove in condizioni di normale utilizzo, un determinato tratto di linea è alimentato sempre contemporaneamente da due interruttori automatici ed elettricamente isolato dai tratti successivi e precedenti dai cosiddetti "spazi d'aria".
Per garantire l'interruzione dell'alimentazione in caso di guasto, i due interruttori e, talvolta, dei relè voltmetrici posti lungo la linea; sono interconnessi tra loro da un cavo detto "coppia di relazione", percorso costantemente da una bassa tensione continua (144 V). L'apertura di uno solo dei due interruttori, così come l'intervento del relè voltmetrico lungo la linea, provoca l'interruzione della corrente di relazione e l'immediata apertura dell'interruttore anche dall'altro lato del circuito di relazione. Tale sistema è realizzato grazie ad appositi dispositivi montati sull'interruttore (Asservimenti o ASDE).
Tale meccanismo di relazione può essere disabilitato o dal quadro di controllo dell'interruttore extrarapido o tramite telecomando dalla sala controllo. In questo caso la taratura della soglia di intervento della protezione viene automaticamente modificata al valore di "taratura bassa". Tale accorgimento è necessario perchè la comunicazione elettrica fra i due interruttori viene a mancare.
In ogni sottostazione di alimentazione quindi, esistono almeno due interruttori extrarapidi per ogni binario, uno appartenente al circuito di relazione della sottostazione di alimentazione precedente e uno appartenente al circuito di relazione della sottostazione successiva. Normalmente tali circuiti sono isolati tra loro, in altre parole, se lungo la linea ci sono le tre sottostazioni di alimentazione A, B, C; in condizioni di funzionamento normale un circuito di relazione va da A a B ed uno va da B a C. Tale condizione di funzionamento è quella di normale assetto e assume il nome di "continuità elettrica interna", cioè le tratte A-B e B-C sono rese equipotenziali perchè i due interruttori sono chiusi ed entrambi prelevano dalla sbarra interna alla sottostazione (sbarra omnibus).
In caso di fuori servizio di uno o di entrambi gli interruttori della stessa sottostazione, vengono aperti entrambi gli interruttori e chiuso un sezionatore esterno alla sottostazione (sezionatore di seconda fila) che interconnette le linee di contatto A-B e B-C. La chiusura del sezionatore di seconda fila provoca, grazie ai dispositivi ASDE, l'interconnessione anche dei circuiti di relazione A-B e B-C. In questo modo le tratte A-B e B-C risultano interconnesse ed assumono l'aspetto di un'unica tratta composta dalla somma delle due, che va quindi da A a C. Tale assetto di rete si dice "prolungamento tratta", o "continuità metallica esterna".
[modifica] Principali standard di trazione elettrica europei
- A corrente continua:
- 750 V tramite terza rotaia (principalmente nel sud della Gran Bretagna)
- 1.500 V soprattutto in Francia
- 3.000 V In Italia, Cecoslovacchia, Polonia
- A corrente alternata monofase:
- 15.000 V 16 2/3 Hz in Germania, Svizzera, Austria
- 25.000 V 50 Hz su tutte le nuove reti ad Alta velocità europee.
- A corrente alternata trifase:
- 3.600 V 16 2/3 Hz (Europa centrale e Italia fino al 1976)
[modifica] Tipi di motrici a trazione elettrica
- Motrici con regolazione circuitale-reostatica (con alimentazione e motori in c.c.)
- Motrici con regolazione a graduatore/trasformatore (con alimentazione e motori in c.a.)
- Motrici con regolazione a frazionatore (con alimentazione e motori in c.c.)
- Motrici con regolazione a invertitore (con alimentazione qualsiasi e motori prevalentemente di tipo trifase)
[modifica] Voci correlate
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Esaminare i vari tipi di treni, le locomotive e le vetture. |
