Come funziona una locomotiva (parte 1) – avviatori automatici, motori a spazzole e reostati

Da quando esistono microprocessori e circuiti integrati, l’elettronica ha cambiato in maniera radicale gran parte degli aspetti delle nostre vite, spesso in meglio.

Un esempio?

La nascita di Internet ha permesso l’esistenza di Rollingsteel.

A noi, tuttavia, quel mondo immateriale fatto di transistor e semiconduttori piace ad alcune condizioni. Ci piace la scritta “i.e.” dietro a una Uno Turbo, ci piace la strumentazione di una Tipo DGT; non ci piacciono le Tesla e le lapidi touch a centro plancia. Le centraline sono fatte per essere rimappate. La guida autonoma è una blasfemia, il cambio automatico solo se è veloce e con le palette dietro al volante, nei nostri articoli non c’è traccia di ChatGPT.

Ma andiamo con ordine.

Oggi, dopo avere attaccato le figurine dei motori aeronautici sulla nostra copia di FAST (che sei ancora in tempo per ordinare, se non l’hai già fatto) si parla di motori elettrici. Ma non temete: li vedremo in uno dei quattro campi di applicazione dove sono validi, i treni. Gli altri tre sono funivie, lavabiancheria e sextoys spazzolini da denti.

Negli anni Settanta i computer già esistevano, non occupavano più un capannone, avevano conquistato il mondo del calcolo e cominciavano a vedersi le prime centraline sulle auto. Ma in ferrovia regnavano ancora la meccanica e l’elettrotecnica tradizionale, per la comprensibile difficoltà a controllare correnti tali da muovere motori da centinaia di kW. Concettualmente una locomotiva degli anni Settanta come la E656 è identica ad una degli anni Venti come la E626. Ci sono novità come i dispositivi antipattinante o l’avviatore automatico, ci sono più motori e molto più potenti ma lo schema elettrico rimane invariato.

Cercheremo di non scendere troppo nel dettaglio, ma vogliamo spiegarvi come si faceva una volta a controllare migliaia di kW senza elettronica di potenza, che vedremo di scoprire in un prossimo articolo; ovvero dove si sono spinti i limiti del genio umano.

È noto che per variare la velocità di rotazione di un motore a corrente continua è sufficiente cambiarne la tensione di alimentazione, che è anche il suo principale pregio. Dunque, un locomotore presenta diversi motori che si possono collegare in varie combinazioni di serie e parallelo, per variarne la tensione a seconda della velocità del treno.

La linea aerea nelle ferrovie italiane tradizionali (non ad alta velocità) ha una tensione di circa 3000V in corrente continua.

La partenza (in elettrotecnica chiamata avviamento, non ha nulla a che vedere con la messa in esercizio della macchina) si effettua con tutti i motori in serie, cosicché la tensione è ugualmente divisa per ogni motore. Ad esempio, per la E646 a 12 motori: 3000/12=250V. Quando la velocità della locomotiva cresce si rende necessario aumentare la tensione di alimentazione e si modifica quindi la combinazione dei motori riducendo via via il numero di rami. La E646 ha 4 combinazioni: serie (S), serie-parallelo (SP), parallelo (P) e superparallelo (PP), quest’ultima con quattro rami di tre motori in serie ciascuno (dunque ciascun motore alimentato a 3000/3=1000V).

La E636 a 6 motori, più semplice, ha tre combinazioni. La velocissima E444 “Tartaruga” ne ha solo 4, ma grossi: ci sono dunque due sole combinazioni.

Ma nasce un problema. Se il circuito di trazione di una locomotiva fosse così semplice, ogni motore sarebbe collegato direttamente alla linea aerea, senza nessun dispositivo a limitarne la corrente assorbita e dunque la coppia erogata. Ne uscirebbe un locomotore inguidabile, una specie di dragster con le ruote di ferro: sarebbe soggetto a slittamenti e strattoni alle velocità più basse.

I tecnici di allora risolsero con tutta la tecnologia a loro disposizione: pensarono di inserire delle resistenze (reostati) tra la linea aerea e i motori, in modo da buttare via per effetto Joule parte della corrente, limitando quella assorbita dai motori. Un sistema che chiunque potrà immaginare quanto possa essere antieconomico, ma era l’unico modo per controllare potenze del genere disponibile all’epoca. Come funzionerà ora, dunque, il nostro circuito di trazione?

Semplice. Si parte con i motori in serie, come abbiamo visto prima, e tutto il reostato inserito. La nostra E646 comincia a muoversi: non appena il macchinista nota un calo di amperaggio misurato sui motori (tramite l’amperometro in cabina) esclude una porzione di reostato. Ripete l’operazione varie volte finché non giunge alla cosiddetta posizione di velocità economica, ovvero con il reostato completamente escluso. Sempre con un occhio sulla linea e uno sull’amperometro, quando nota un ulteriore calo di corrente comanda l’inserimento della combinazione successiva, quella di serie-parallelo, con il reinserimento completo del reostato; il giochetto si ripete: la corrente cala, si esclude un pezzo di reostato, si ripete l’operazione fino a giungere a una nuova posizione di velocità economica, fino alla più alta in superparallelo, che è la massima della locomotiva. Di norma, nelle macchine attrezzate con frenatura elettrica il reostato dissipa anche la corrente generata; più raro che siano dotate di frenatura a recupero.

Su alcune locomotive come appunto la E646 tutto questo viene gestito in maniera completamente manuale: un grosso maniglione in cabina comanda le varie combinazioni (che possono essere qualche decina) e al personale di macchina viene richiesta una certa perizia nella scelta delle stesse. Altre locomotive più tecnologiche (E444, E656, E424) avevano l’avviatore automatico. Di nuovo, non c’entra niente con la “messa in moto” della macchina. Si tratta di un dispositivo elettromeccanico con un relè che scatta quando l’amperometro scende sotto un certo valore, comandando l’inserimento della combinazione successiva e automatizzando tutta la procedura prima svolta col “maniglione”, cosicché al macchinista rimane da regolare con una leva la soglia di intervento del relè stesso (chiaramente più è alta, prima si passa alla combinazione successiva, maggiore è l’accelerazione della macchina).

Ma c’è un problema. Il reostato si scalda, è raffreddato da grossi ventoloni ma non può funzionare a carichi prolungati, perché c’è il serio rischio che si bruci. Dunque, il nostro amico macchinista deve utilizzare il più possibile le velocità economiche con il reostato escluso, che però come abbiamo detto sarebbero pari al numero di combinazioni, troppo poche. Come aumentare il numero di velocità economiche?

Studiando!

Così ci accorgiamo che il numero di giri di un motore elettrico in CC è sì direttamente proporzionale alla tensione, ma anche inversamente proporzionale al flusso magnetico; riducendo quest’ultimo si può aumentare leggermente la velocità: questo è fattibile escludendo alcune spire dell’avvolgimento del motore, una procedura chiamata indebolimento di campo, con un comando separato dal maniglione principale. È una sorta di “turbo” che permette di aumentare le velocità economiche in vari gradi; va utilizzato con perizia perché tende a scaldare parecchio i motori, specie in salita. In questo modo, per esempio, la E636 che ha tre combinazioni e un grado di indebolimento di campo (più il pieno campo) che passa da tre a sei velocità economiche. La E444 con due sole combinazioni ha però 5 gradi di indebolimento di campo, dunque (5+1)x2=12 velocità economiche.

Questo sistema ha alcuni limiti: scarsa fluidità di marcia (il cambio di combinazione è ben percepibile), bassa efficienza energetica e, non ultimo, l’architettura stessa del motore a corrente continua. Prima di tutto, a causa del peso e ingombro superiore ai motori AC, la potenza unitaria difficilmente va molto oltre i 1000 kW. Poi ci sono le spazzole o collettori. Sono elementi sottoposti ad attrito che si usurano e generano calore, limitando le possibilità di utilizzo ad elevate velocità. Le velocissime E444 “Tartaruga un cazzo” capaci di raggiungere i 200 km/h non venivano spinte spesso oltre i 180 km/h per evitare guasti proprio a questi elementi.

Proprio la E444 risultava particolarmente laboriosa da condurre a bassa velocità, nonostante l’avviatore: questo perché la prima velocità economica si aggirava tra i 50 e i 60 km/h a seconda del carico trainato, e dunque per la marcia ai soliti 30 km/h in entrata-uscita dalle stazioni principali il circuito di trazione andava continuamente inserito e disinserito, sempre per evitare di far fuori la resistenza.

In generale, comunque, condurre una di quelle macchine significa stare sempre sul filo del rasoio per non pattinare, non bruciare il reostato e non far scattare l’interruttore extrarapido (assimilabile al magnetotermico di casa vostra). Tantopiù che l’extrarapido, così chiamato perché di facile riarmo, fu introdotto negli anni Sessanta; prima c’era il separatore D’Arbela, dotato di un grosso fusibile, che aveva il viziaccio di esplodere ogni tanto. L’avviatore aiutava parecchio, ma non era infallibile. Non a caso l’affidabilità di queste macchine, comunque ottima per la loro relativa semplicità, era inferiore a mezzi moderni. La E636, locomotore più affidabile fra le reostatiche, aveva una media di 6-7 riserve (guasti per i quali serve del materiale sostitutivo) per milione di chilometri, contro le 0,3 dell’odierno Frecciarossa 1000, uno dei convogli più affidabili al mondo, a livelli diremmo giapponesi.

Ma tra l’avviatore elettromeccanico del Caimano e gli inverter dell’ETR400 di Hitachi Rail c’è di mezzo un abisso, e quindi vi diciamo solo: stay tuned. La seconda parte sta per arrivare.

foto in apertura dal canale Youtube Corti Ferroviari Amatoriali – coppia di E.428 in doppia trazione sulla Linea Lenta dei Giovi. Allora non esisteva il telecomando per la marcia multipla: i macchinisti sincronizzavano la trazione con le trombe, o col cellulare in tempi più recenti. Solo il freno continuo era interamente controllato dalla locomotiva di testa.

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