Diesel ou elétrico: de onde vem a energia dos trens modernos

Ande por uma plataforma e os trens à sua frente serão, em sua maioria, movidos por motores elétricos, com ou sem fio aéreo. O que muda é a fonte da eletricidade. Um trem diesel a produz a bordo, a partir de combustível. Um trem elétrico a recolhe da própria ferrovia. Essa escolha define aceleração, custo de operação e quais linhas valem a pena ser eletrificadas.

Diesel: três formas de chegar às rodas

Um motor diesel funciona melhor em uma velocidade bem estável, mas um trem precisa partir do repouso com uma carga enorme. Algo precisa ficar entre o motor e as rodas para cobrir essa diferença.

• Diesel-elétrico. O motor aciona um gerador, e a eletricidade que ele produz alimenta motores de tração que giram os eixos. Não há ligação mecânica entre motor e rodas, então o motor pode funcionar em sua velocidade ideal enquanto os motores fornecem força forte desde o repouso. Esse é o arranjo usual para locomotivas de linha principal e muitas unidades múltiplas.
• Diesel-hidráulico. Um acoplamento de fluido ou conversor de torque transmite a potência, como em um carro automático. Foi usado em locomotivas e automotoras mais leves, principalmente na Alemanha.
• Diesel-mecânico. Embreagem e câmbio, como em um caminhão. É simples e adequado a pequenas automotoras e manobreiras, mas fica difícil conforme a potência aumenta.

O próprio motor converte cerca de 35 a 45 por cento da energia do combustível em potência no eixo, e o gerador e os motores perdem mais um pouco. Um trem diesel-elétrico é, portanto, uma pequena usina com rodas. Seu antecessor a vapor fazia o mesmo trabalho com caldeira e cilindros, como descrito em como funciona uma locomotiva a vapor.

Elétrico: energia de fora

Um trem elétrico recebe corrente de um fio aéreo através de um pantógrafo, ou de um trilho condutor ao lado da via por um patim de contato. Um transformador e conversores no trem ajustam a corrente para os motores. Os motores elétricos e seus equipamentos costumam ter eficiência de mais de 85 por cento, da alimentação até a roda, aproximadamente, embora o número geral também dependa de como a eletricidade foi gerada.

Os sistemas variam por país e costumam ser herança de quando cada linha foi eletrificada:

• 25 kV, 50 Hz CA aéreo: Grã-Bretanha, grande parte da Europa e a maioria das novas linhas de alta velocidade.
• 15 kV, 16.7 Hz CA aéreo: Alemanha, Suíça, Áustria, Suécia e Noruega.
• 3 kV CC aéreo: por exemplo Itália, Bélgica e Polônia.
• 1.5 kV CC aéreo: por exemplo Países Baixos e partes da França.
• terceiro trilho de 750 V CC: grande parte do sul da Inglaterra.

Por que a tensão importa

Potência é tensão vezes corrente, então, para a mesma potência, uma tensão mais alta precisa de menos corrente. Um trem de 5 MW precisa de cerca de 200 A a 25 kV, mas de cerca de 6,700 A a 750 V. Fios mais finos e menos pontos de alimentação bastam em alta tensão. Por isso o aéreo de 25 kV serve a rotas longas e rápidas, enquanto um terceiro trilho de 750 V serve a redes densas de curta distância, com subestações próximas umas das outras. O trilho fica perto do chão, então alta tensão ali seria insegura.

Por que trens elétricos aceleram mais forte

Um trem diesel carrega sua fonte de energia, então o tamanho e o peso do motor limitam sua potência. Uma locomotiva diesel típica de linha principal entrega algo na faixa de 2 a 3 MW. Uma locomotiva elétrica deixa a usina geradora para trás e pode retirar 5 MW ou mais do fio, às vezes muito mais. Mais potência para a mesma massa significa aceleração mais forte e velocidade máxima mais alta, o que serve a serviços com muitas paradas e a linhas de alta velocidade.

As rodas ainda precisam de aderência. Como aço sobre aço tem aderência limitada, mais potência ajuda só até o ponto em que as rodas patinam.

Frenagem regenerativa

Um motor elétrico pode funcionar ao contrário, como gerador. Quando o maquinista freia, os motores de tração transformam o movimento do trem de volta em eletricidade e a injetam na linha, onde outro trem pode usá-la, ou em resistores no teto se nada puder recebê-la. A economia é maior em trajetos com paradas frequentes. Trens diesel-elétricos podem usar o mesmo truque do motor, mas não têm para onde enviar essa energia de forma útil, então ela normalmente é dissipada como calor em resistores.

Custo da fiação versus tráfego

Postes, fios, subestações e folgas em pontes ou túneis custam muito por quilômetro, e a conta é a mesma se dez ou cem trens usarem a linha. Trens elétricos são mais baratos de operar e manter, então a fiação se paga onde o tráfego é intenso. Em um ramal tranquilo, talvez nunca se pague. Muitas ferrovias mantêm diesel em linhas esparsas e eletrificam as rotas-tronco.

A A unidade bi-modo cobre a lacuna. Ela carrega motores diesel e um pantógrafo, roda elétrica sob o fio e passa para diesel onde o fio termina. A família Class 800 da Grã-Bretanha é um exemplo. O compromisso é o peso extra, porque ela carrega motores que usa só em parte do tempo.

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O que levar disso

• Diesel-elétrico: motor, gerador, motores de tração. Diesel-hidráulico e diesel-mecânico usam fluido ou engrenagens.
• As alimentações vão de terceiro trilho CC de 750 V até aéreo CA de 25 kV 50 Hz; a mesma potência a 25 kV precisa de cerca de um trigésimo da corrente que precisa a 750 V.
• Trens elétricos retiram energia de fora, então podem ter mais dela, e podem devolver energia durante a frenagem.
• A fiação é um custo fixo por quilômetro, então serve a linhas movimentadas, com as unidades bi-modo cobrindo o resto.