Alimentazione elettrica ferroviaria

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August 11, 2022

L'alimentazione delle ferrovie è la fornitura continua di energia elettrica a un veicolo ferroviario per mezzo di una linea aerea o di una terza rotaia. È possibile applicare tensione CC o CA. Inoltre c'è la scelta della tensione, e con la corrente alternata la scelta della frequenza.

Tensione

In generale, la tensione di alimentazione utilizzata ha a che fare con la potenza del motore di un veicolo. Tram e filobus, ad esempio, sono alimentati con corrente continua di 600 o 750 volt, con i treni della metropolitana questo valore può salire fino a 1500 volt e sulle ferrovie fino a 25.000 volt di tensione alternata. In Sud Africa, la ferrovia merci Sishen-Saldanha è dotata di una tensione eccezionalmente alta di 50 kV. Una tensione più alta si traduce in una corrente più bassa per una data potenza. Un amperaggio inferiore si traduce in una minore perdita di energia con lo stesso cablaggio. Una tensione più alta significa che è necessario un migliore isolamento e che i fili dovrebbero essere tenuti ben lontani da altri oggetti. Un terzo binario non è un'opzione.

Corrente continua, corrente alternata, corrente trifase e frequenza utilizzata

Storicamente, il grande vantaggio dell'uso della tensione continua era la relativa semplicità dell'installazione di trazione a bordo del veicolo ferroviario: la tensione continua può essere fornita quasi direttamente a opportuni motori elettrici. D'altra parte, lungo il binario sono necessarie installazioni di raddrizzatori per convertire la tensione alternata fornita dalla rete ad alta tensione in una tensione continua utilizzabile. Inoltre, la tensione continua non è semplice da trasformare a bordo del veicolo, in modo che non vengano utilizzate alte tensioni sulla catenaria. La tensione CC più alta generalmente applicata e consueta in Europa è 3 kV. La tensione alternata con la frequenza della rete (50 Hz o 60 Hz) ha il vantaggio che la tensione può essere facilmente trasformata su e giù, in modo da poter essere utilizzato sulla catenaria (25 kV è una tensione comune). Inoltre, la tensione può essere ottenuta direttamente dalla rete pubblica ad alta tensione. Uno svantaggio è che la tensione CA monofase con tale frequenza non può essere alimentata direttamente ai motori elettrici, quindi a bordo della locomotiva sono necessari convertitori o raddrizzatori. In parte per quest'ultimo motivo, questo sistema è emerso davvero solo negli anni '60, quando sono diventati disponibili raddrizzatori al silicio relativamente compatti per potenze più elevate. La corrente alternata con una frequenza inferiore a quella della rete (ad esempio 16,7 Hz nel sistema tedesco, o i 25 Hz dell'ex ZHESM olandese) può essere alimentata direttamente a motori adatti (corrente alternata) e la tensione è comunque buona fino a trasformare. In questo modo è stato possibile utilizzare una tensione di linea aerea superiore a quella possibile con la corrente continua. Il principale svantaggio di questo sistema, tuttavia, è che questa frequenza non può essere alimentata direttamente dalla rete ad alta tensione, per cui sono necessarie le proprie centrali elettriche per l'alimentazione (o convertitori rotativi sensibili alla manutenzione). Su alcune tratte è ancora presente l'alimentazione di linea aerea con corrente trifase (corrente alternata trifase). I motori asincroni trifase sono adatti per la trazione elettrica, sono semplici nella costruzione e richiedono poca manutenzione (senza spazzole di carbone), ma il principale svantaggio qui è che la costruzione della linea aerea è complicata. Sono necessarie tre fasi separate, che si ottengono, ad esempio, con due fili di contatto e una terza rotaia. Inoltre, solo un numero limitato di velocità può essere azionato a una frequenza fissa della tensione di alimentazione. Vedi sotto sotto Tensione trifase. Il continuo sviluppo dell'elettronica di potenza ha reso sempre più piccoli gli svantaggi di alcuni sistemi. I sistemi di rettifica o conversione necessari a bordo dei veicoli a trazione potrebbero diventare sempre più compatti. Ad esempio, alla fine degli anni '70, la Deutsche Bundesbahn ordinò una serie di locomotive elettriche (Ba