La locomotiva elettrica è una macchina dotata di motori elettrici, atta al traino di veicoli per il trasporto di merci o di persone sulla linea ferroviaria.
Storia
Il più antico tentativo per l'impiego dell'energia elettrica nella locomozione si ebbe da parte dell'inventore Thomas Davenport nel 1834. Altri esperimenti per applicare la forza motrice dell'energia elettrica ad una macchina per traino di veicoli risalgono alla metà degli anni cinquanta del XIX secolo: lo scozzese Robert Davidson di Aberdeen aveva costruito una locomotiva alimentata a batteria, chiamata «Galvani», che venne esposta alla Royal Scottish Society of Arts Exhibition nel 1841. Provata l'anno successivo sulla ferrovia Edimburgo-Glasgow mostrò tuttavia i suoi limiti dovuti proprio alla scarsa autonomia di marcia..
La prima locomotiva elettrica, che risale al 1879 ed era a corrente continua con alimentazione tramite terza rotaia, si deve a Werner von Siemens che presentò alla Mostra di Berlino una sorta di trenino in miniatura composto da locomotiva e tre veicoli per passeggeri che nel corso di 4 mesi trasportò circa 90.000 persone su un percorso circolare di circa 300 m alla velocità massima di 13 km/h.; la locomotiva montava un motore elettrico a corrente continua della potenza di 2,2 kW; la corrente era prelevata da una terza rotaia centrale ed era generata da una apposita piccola centrale a dinamo. L'alimentazione era effettuata a corrente continua su una tensione da 100V. Il successo dell'esperimento portò, nel 1881, alla costruzione della prima linea tranviaria elettrica a Lichterfelde presso Berlino; il costruttore incaricato fu proprio Werner von Siemens che, negli stessi anni tramite la società Siemens & Halske, fornì locomotive analoghe a quella di Berlino anche per la miniera di Zaukeroda, in Bassa Sassonia, e per il trasporto di carri di carbone nell'impianto industriale di Cottbus..
I primi sviluppi del nuovo tipo di trazione furono quindi soprattutto nel settore tranviario e per l'esercizio su ferrovie di piccola estensione in quanto le difficoltà costruttive dovute all'isolamento dei conduttori e delle apparecchiature elettriche impedivano l'uso di tensioni elevate e quindi di motori elettrici più potenti. In Gran Bretagna la prima ferrovia elettrica nacque a Brighton nel 1883. Negli Stati Uniti furono gli esperimenti di Frank J. Sprague a portare alle prime linee tranviarie elettriche della Richmond Union Passenger Railwaynegli anni seguenti.
La prima locomotiva ferroviaria a trazione elettrica vera e propria, in grado di sostituire pienamente quella a vapore, fu la locomotiva a corrente alternata trifase a 3600 volt e a 15 Hz, costruita nel 1902 per conto della italiana Rete Adriatica per uso sulla linea della Valtellina dalle Officine ungheresi Ganz (per la parte elettrica) e dalla ungherese MÁVAG (per la parte meccanica), allora tra le più avanzate fabbriche al mondo nel settore elettrico ferroviario, su progetto del geniale ingegnere ungherese Kálmán Kandó. Detta locomotiva, la RA 34 rappresenta il primo vero e proprio esempio a livello mondiale di motrice elettrica ferroviaria..
Tuttavia nei primi tempi e nei primi decenni del XX secolo si ricorreva alle locomotive elettriche essenzialmente nei casi più gravosi per l'esercizio come le tratte con lunghe gallerie e con forti rampe dove la trazione a vapore presentava i suoi limiti. Le prime locomotive elettriche a corrente continua a 3.000 volt nacquero intorno al 1915 negli Stati Uniti con linea aerea elettrica e dispositivi di captazione mentre in Italia la prima locomotiva elettrica a corrente continua (4.000 V) entrò in servizio il 6 ottobre 1920. sulla ferrovia Torino-Ceres..
Nei primi decenni del secolo scorso avvenne anche la scelta, stato per stato, del sistema di alimentazione: mentre in Italia ci si orientò inizialmente sulla trifase a 3.600 volt a bassa frequenza (16,7 Hz) (e solo alle soglie del secondo conflitto mondiale si sperimentò con successo ma senza seguito la 10.000 volt a 45 Hz) e dal 1928 si passò alla corrente continua a 3.000 volt, gli altri paesi d'Europa si divisero tra i 1.500 volt e corrente continua della Francia e i 15.000 volt e corrente alternata monofase a di Svizzera, Germania e Austria. Gli Stati Uniti elettrificarono poche linee dividendosi tra la continua a e l'alternata monofase a a .
Già negli anni sessanta in Francia si passò al sistema a corrente alternata monofase a 25.000 V e frequenza industriale di 50 Hz. Questo sembra anche essere l'orientamento generale di tutte le nuove linee europee ad alta velocità compresa l'italiana.
Tale decisione tuttavia ha creato una serie di problemi di circolabilità delle macchine anche all'interno delle stesse reti nazionali complicando la costruzione delle locomotive per renderle atte a circolare sia sulle linee tradizionali, a corrente continua, a 1.500 o 3.000 volt, che su quelle a corrente alternata (anch'esse differenti in tensione e frequenza tra stato e stato). Sono nate quindi le locomotive bicorrente con trasformatori e raddrizzatori a bordo in grado di circolare anche su linee ad alta tensione monofase. L'avvento dell'elettronica di potenza ha migliorato tecnicamente la situazione con la possibilità di costruire locomotive universali cioè politensione, policorrente e polifrequenza, quindi completamente interoperabili, in grado di circolare su linee alimentate a corrente continua a 1.500 e a 3.000 volt, a corrente alternata a 15 e a 25 kV e a frequenze di 16,7 e 50 Hz.
Aspetti teorici Una locomotiva elettrica è una macchina che utilizza uno o più motori elettrici allo scopo di trainare veicoli. La scelta del motore elettrico è essenzialmente determinata dalla sua caratteristica meccanica, più vicina a quella ideale, e alla sua economicità di esercizio e manutenzione rispetto ad altri tipi di motorizzazione. L'inconveniente maggiore del sistema elettrico di trazione è costituito dall'alto costo di costruzione della linea elettrica e dalla complessità dei sistemi di alimentazione.
Una locomotiva è costituita essenzialmente di: una parte meccanica, che può essere tradizionale a carro rigido (per le vecchie locomotive), articolata o a carrelli e una parte elettrica comprendente l'insieme delle apparecchiature elettriche di trazione, di controllo e ausiliarie.
Parte meccanica È composta delle seguenti parti: Cassa: la parte che serve a contenere le apparecchiature elettriche ad alta e bassa tensione, le batterie di bordo, i controlli e le apparecchiature di protezione. In genere è divisa in tre parti: le due cabine di guida e il comparto elettrico chiuso con chiave speciale di blocco per ragioni di sicurezza. Alcune tipologie di locomotive hanno una sola cabina di guida centrale, paracentrale o di estremità e due corpi anteriore e posteriore contenenti le apparecchiature, altre, come ad esempio la locomotiva FS E.626, hanno anche due avancorpi più piccoli, anteriore e posteriore, e le due cabine di guida intermedie. Carro: è la parte sottostante la cassa che supporta tutte le apparecchiature e poggia tramite sistemi di sospensione adeguati su ruote o carrelli. Sulle traverse di testa trovano posto i respingenti, il gancio di trazione e le condotte pneumatiche ed elettriche di accoppiamento. Meccanismo di trasmissione: è l'insieme degli organi meccanici che trasmettono il moto dai motori alle ruote. Può essere di tipo e foggia differenti: a ingranaggi, a bielle e manovelle, ad asse cavo, ad anello danzante, ad albero cardanico. Accessori: sono specifici per ogni categoria di locomotive ma di massima tutte hanno i seguenti: compressore per la produzione dell'aria compressa necessaria ai vari comandi e al sistema frenante. Elettroventilatori di raffreddamento dei sistemi di regolazione e dissipazione e dei motori di trazione. Sistemi di misura e controllo dei parametri di funzionamento elettrico e pneumatico, tachigrafo e attrezzature varie.
Parte elettrica Sistemi di alimentazione e captazione
L'alimentazione di una locomotiva elettrica può avvenire direttamente da sorgente posta a bordo o tramite rete di fornitura esterna.
Nei casi di alimentazione a bordo si parla di una locomotiva ad accumulatori, oppure dotata di generatore elettrico (vedi locomotiva diesel-elettrica, locomotiva termica a trasmissione elettrica).
Il sistema ad accumulatori è poco usato per i treni a causa della sua scarsa autonomia, ma è stato utilizzato molto spesso, sia in passato che in tempi recenti, per la costruzione di automotrici. e macchine da manovra, mentre i sistemi con generatore arrivano a creare bimodali alimentabili sia da sorgente a bordo che da rete di fornitura esterna (esempio: BTR 813), eventualmente anche dotati di accumulatori.
L'alimentazione da rete di fornitura esterna richiede invece dei sistemi a strisciamento montati sulla locomotiva, per realizzare almeno due contatti elettrici costanti: generalmente uno si realizza tramite il contatto ruote-rotaie, e l'altro o tramite linea aerea di contatto o con sistemi detti a terza rotaia.
Nel caso di sistemi a terza rotaia, si utilizza un pattino strisciante montato sul rotabile lateralmente in basso (raramente sul tetto in ferrovie sotterranee a linea aerea bassa).
Nel caso di sistemi a linea aerea: archetto tranviario usati in passato ed oggi sopravvissuti solo su vecchi rotabili storici. trolley a stanga usati in passato ed oggi sopravvissuti solo su vecchi rotabili storici. trolley montati in genere in coppia sull'imperiale delle locomotive che possono essere a pantografo o monobraccio.
Dopo la captazione (dalla terza rotaia o da linea aerea) la corrente viene portata tramite cavi ad alto isolamento ai circuiti di trazione passando attraverso apparecchi di separazione elettrica o interruttori, circuiti di protezione e filtraggio, sistemi invertitori del moto e regolatori della potenza.
Interruttori o separatori La corrente prelevata dai trolley viene applicata immediatamente ad un sistema di separazione con interruttori ad alta tensione. In passato questo problema assumeva una grande criticità in quanto com'è noto aprendo un circuito elettrico, specie sotto assorbimento elevato, si genera un arco elettrico di elevata potenza, in grado perfino di fondere le apparecchiature. Vennero pertanto adottati sistemi a fusibile da sostituire in caso di intervento, poi i separatori (tra cui l'italiano separatore D'Arbela) e infine gli interruttori extrarapidi in aria per tensioni medie e in olio per quelle più alte. Per limitare i danni da sovratensioni di linea, spesso dovute a fulmini, sono inseriti degli scaricatori di tensione o impedenze di blocco mentre per le sovraccorrenti per cortocircuiti o sovraccarichi vengono usati, nelle locomotive più datate sistemi a relais di massima corrente o circuiti elettronici in quelle più recenti.
Invertitori, controller (combinatori) e regolatori di potenza
Un componente indispensabile è il sistema di inversione di marcia che ha un apposito comando sui banchi di manovra; può essere sia elettromeccanico mediante commutazione di contatti o elettronico mediante circuiti a tiristori.