Unidad múltiple eléctrica

Un tren eléctrico de unidades múltiples ( EMU , por sus siglas en inglés) es un tren compuesto por vagones autopropulsados ​​que utilizan electricidad como fuerza motriz. Un EMU no requiere una locomotora independiente , ya que los motores de tracción eléctrica están integrados en uno o varios vagones. Un EMU suele estar formado por dos o más vagones acoplados de forma semipermanente. Sin embargo, los automotores eléctricos de una sola unidad también se clasifican generalmente como EMU. La gran mayoría de los EMU son trenes de pasajeros, pero también existen versiones para el transporte de correo.

Las EMU son populares en las redes ferroviarias interurbanas, de cercanías y suburbanas de todo el mundo debido a su rápida aceleración y funcionamiento libre de contaminación, ^{[ 1 ]} y se utilizan en la mayoría de los sistemas de transporte rápido. Al ser más silenciosas que las unidades múltiples diésel (DMU) y los trenes remolcados por locomotoras , las EMU pueden operar hasta más tarde por la noche y con mayor frecuencia sin molestar a los residentes cercanos. Además, el diseño de túneles para trenes EMU es más simple, ya que no se necesita ninguna disposición para la evacuación de gases, aunque la adaptación de túneles existentes de gálibo limitado para acomodar el equipo adicional necesario para transmitir energía eléctrica al tren puede ser difícil.

El control de trenes de unidades múltiples se utilizó por primera vez en la década de 1890, con la inauguración del ferrocarril elevado de Liverpool en 1893 con unidades múltiples eléctricas de dos vagones, ^{[ 2 ]} controladores en cabinas en ambos extremos controlaban directamente la corriente de tracción a los motores de ambos vagones. ^{[ 3 ]}

El sistema de control de tracción de unidades múltiples fue desarrollado por Frank Sprague y aplicado y probado por primera vez en el ferrocarril elevado del lado sur (ahora parte del metro elevado de Chicago ) en 1897. En 1895, a partir de la invención y producción de sistemas de control de ascensores de corriente continua por parte de su empresa, Frank Sprague inventó un controlador de unidades múltiples para la operación de trenes eléctricos. Esto aceleró la construcción de ferrocarriles de tracción eléctrica y sistemas de trolebuses en todo el mundo. Cada vagón del tren tiene sus propios motores de tracción: mediante relés de control de motor en cada vagón, energizados por cables de la línea del tren desde el vagón delantero, todos los motores de tracción del tren se controlan al unísono.

Con la mejora de la tecnología y la disponibilidad de sistemas eléctricos más compactos y fiables, las unidades múltiples eléctricas (EMU) se hicieron más comunes y sustituyeron a las locomotoras en muchas redes. Este proceso se aceleró en redes congestionadas con trenes frecuentes, ya que las ventajas operativas del uso de las EMU superaban el coste inicial.

Los vagones que forman un conjunto EMU completo generalmente se pueden separar por función en cuatro tipos: vagón motor, vagón motor, vagón de tracción y vagón remolque. ^{[ 4 ]} Cada vagón puede tener más de una función, como un vagón motor de tracción o un vagón de tracción.

• Un vagón generador transporta el equipo necesario para obtener energía de la infraestructura electrificada , como patines de captación para sistemas de tercer riel y pantógrafos para sistemas aéreos , y transformadores .
• Los vagones motores transportan los motores de tracción para mover el tren y, a menudo, se combinan con el vagón generador para evitar conexiones de alto voltaje entre vagones.
• Los vagones de conducción son similares a los vagones cabina , ya que contienen una cabina para el conductor desde donde se controla el tren. Un tren eléctrico de unidades múltiples (EMU) suele tener dos vagones de conducción en sus extremos. Estos pueden contar con pasarelas de conexión para brindar mayor flexibilidad operativa y comodidad a los pasajeros.
• Los vagones remolque son cualquier vagón (a veces acoplado de forma semipermanente) que lleva poco o ningún equipo relacionado con la tracción o la alimentación eléctrica, y son similares a los vagones de pasajeros en un tren remolcado por una locomotora.

En los sistemas de tercer carril, los vagones exteriores suelen llevar las patillas de captación, mientras que los vagones motores reciben la corriente a través de conexiones internas . Esto ayuda a evitar situaciones de "desconexión" en las que la unidad pierde contacto con el tercer carril y necesita ser rescatada. En las unidades múltiples eléctricas (EMU) modernas que operan en sistemas aéreos de corriente alterna (CA), los motores de tracción a menudo se han trasladado del vagón motor a vagones motores independientes. El vagón motor conserva el transformador y envía la energía necesaria a los vagones motores mediante conectores. Esto ayuda a distribuir el peso a lo largo de la EMU y reduce la carga máxima por eje y los costos de acceso y mantenimiento de la vía. Esto no es relevante en los trenes alimentados por corriente continua (CC), ya que no se requiere transformador y cualquier otro equipo de conversión es más ligero.

La mayoría de las unidades de tren eléctrico (EMU) se configuran como unidades gemelas o en formaciones más largas. Además de los motores de tracción, el equipo auxiliar (compresor de aire y depósitos, baterías y equipos de carga, sistema de tracción y control, etc.) se comparte entre los vagones de la formación. Dado que ningún vagón puede operar de forma independiente, estas formaciones solo se separan en las instalaciones de mantenimiento. En las EMU de mayor longitud (8 o más vagones), la unidad suele contar con sistemas duplicados de alimentación, tracción y frenado en ambas mitades, lo que proporciona redundancia para compensar el mayor peso y coste.

Las ventajas de los trenes de dos vagones o de mayor longitud incluyen el ahorro de peso y costes en comparación con los vagones individuales (debido a la reducción del equipo auxiliar necesario por tren), además de permitir la alimentación de varios vagones, a diferencia de una combinación de motor y remolque. Cada tren eléctrico tiene solo dos cabinas de control, ubicadas en los extremos exteriores del conjunto. Esto ahorra espacio y costes en comparación con una cabina en cada extremo de cada vagón y proporciona mayor capacidad. Las desventajas incluyen la pérdida de flexibilidad operativa, ya que los trenes deben ser múltiplos de la longitud del conjunto, y una avería en un solo vagón podría obligar a retirar todo el conjunto de servicio.

En raras ocasiones, las unidades múltiples eléctricas (EMU) pueden funcionar como locomotoras, remolcando conjuntos de vagones remolque en configuración push-pull . La BR Clase 432 fue un ejemplo de ello, remolcando unidades remolque TC en los servicios de la línea principal del suroeste .

Los trenes eléctricos de alta velocidad pueden utilizar tracción distribuida, con motores de tracción instalados en vagones o bogies a lo largo del tren, o tracción concentrada, con vagones motrices o locomotoras eléctricas ubicadas en los extremos de un tren fijo. La Unión Internacional de Ferrocarriles (UIC) describe los trenes de alta velocidad generalmente como autopropulsados, de composición fija y bidireccionales, y distingue entre trenes con locomotoras en cada extremo y trenes con bogies motorizados distribuidos a lo largo del tren. ^{[ 5 ]} Un informe de la UIC sobre el futuro material rodante de alta velocidad describió una tendencia de diseño hacia la potencia distribuida, citando el rendimiento de la tracción, la capacidad y los límites de carga por eje, y señaló que el material rodante japonés de alta velocidad siempre había utilizado potencia distribuida. ^{[ 6 ]}

El primer ferrocarril comercial de alta velocidad, el Tokaido Shinkansen , se inauguró en 1964 utilizando unidades múltiples eléctricas (EMU) de la serie 0. Las familias de EMU de alta velocidad posteriores incluyen el Pendolino , ICE 3 , Siemens Velaro , AGV , derivados del tren Hitachi A como el British Rail Class 395 , China Railway High-speed CRH1 , CRH2 , CRH3 , CRH5 , CRH380A y la serie Fuxing , el Frecciarossa 1000 y el KTX-Cheongryong . ^{[ 7 ]}

Para tener una idea de la magnitud, el informe de UIC de 2022 estimó más de 6500 trenes de alta velocidad en todo el mundo, de los cuales China representaba el 54,7 % de la flota. Un estudio técnico informó que China contaba con 3480 unidades múltiples eléctricas (EMU) de alta velocidad, convertidas a formación de 8 vagones, en octubre de 2019; el atlas de UIC de 2024 informó posteriormente que alrededor de 4900 trenes de alta velocidad operaban diariamente en todo el mundo. ^{[ 5 ] [ 7 ] [ 8 ]}

No todos los trenes eléctricos de alta velocidad utilizan tracción distribuida. Algunos sistemas emplean formaciones de potencia concentrada, similares a los trenes push-pull , en las que las locomotoras o vagones motrices se ubican en los extremos de un conjunto fijo. La familia TGV , Eurostar e300 , ICE 1 , ICE 2 , AVE Clase 100 , KTX-I y otros diseños derivados del TGV utilizan locomotoras o vagones motrices con vagones de pasajeros intermedios en lugar de equipos de tracción distribuidos entre los vagones de pasajeros. La tabla de material rodante de la UIC de 2018 clasificó estos ejemplos como trenes de potencia concentrada, mientras que incluyó diseños posteriores como el ICE 3, los derivados del Velaro y muchas series chinas CRH/CR como formaciones de vagones motrices. ^{[ 9 ]}

Se están desarrollando trenes eléctricos alimentados por pilas de combustible . De tener éxito, se evitaría la necesidad de una catenaria o un tercer carril . Un ejemplo es el Coradia iLint de Alstom , propulsado por hidrógeno . ^{[ 10 ]} Se ha acuñado el término hydrail para referirse a los vehículos ferroviarios propulsados ​​por hidrógeno. ^{[ 11 ]}

En todo el mundo operan numerosas unidades múltiples eléctricas de batería , con una fuerte aceptación. Muchas son bimodales, obteniendo energía de bancos de baterías a bordo y de tomas de línea como catenarias o tercer carril. En algunos casos, las baterías se cargan mediante la toma eléctrica cuando operan en modo eléctrico, ^{[ 12 ]} mientras que otras utilizan sistemas de carga rápida instalados en estaciones a lo largo de la línea, ^{[ 13 ]} u otros métodos como el frenado regenerativo . ^{[ 14 ]}

Las EMU, en comparación con las locomotoras eléctricas , ofrecen: ^{[ 15 ]}

• Mayor aceleración, ya que hay más motores compartiendo la misma carga, lo que permite una mayor potencia total de salida del motor.
• El frenado, que incluye el frenado por corrientes de Foucault , el frenado reostático y/o regenerativo , en varios ejes a la vez, reduce considerablemente el desgaste de las piezas de freno (ya que el desgaste se puede distribuir entre más frenos) y permite un frenado más rápido (distancias de frenado más cortas/reducidas).
• Se reducen las cargas por eje, ya que se elimina la necesidad de una locomotora pesada; esto a su vez permite estructuras más simples y económicas que utilizan menos material (como puentes y viaductos) y menores costos de mantenimiento de la estructura.
• Vibraciones del suelo reducidas, debido a lo anterior
• Coeficientes de adherencia más bajos para los ejes motrices (de tracción), debido al menor peso sobre estos ejes; el peso no se concentra en una locomotora.
• Un mayor grado de redundancia: el rendimiento se ve mínimamente afectado tras el fallo de un solo motor o freno.
• Mayor capacidad de asientos, ya que no hay locomotora; todos los vagones pueden tener asientos.

Las locomotoras eléctricas, en comparación con las unidades múltiples eléctricas (EMU), ofrecen:

• Menos equipos eléctricos por tren, lo que se traduce en menores costos de fabricación y mantenimiento de trenes.
• Permite reducir el ruido y las vibraciones en los vagones de pasajeros, ya que no hay motores ni cajas de cambios en los bogies situados debajo de los vagones.
• Mayor flexibilidad de uso, puede transportar mercancías y pasajeros.

• Unidad múltiple electrodiésel
• Unidad múltiple diésel
• Unidad múltiple eléctrica de batería
• Unidades múltiples eléctricas británicas
• MEMU

• Contenido multimedia relacionado con unidades múltiples eléctricas, autocares y vagones de ferrocarril en Wikimedia Commons.