Principio fisico della locomotiva elettrica - Step#04

Il motore a corrente continua di un treno non è poi così diverso, come principio di funzionamento, dai piccoli motori montati sui registratori a cassette, o anche sui treni elettrici in miniatura: è formato da un rotore, dotato di avvolgimenti, che prende corrente attraverso spazzole striscianti su un collettore. Tuttavia, le grandi potenze in gioco impongono una sostanziale differenza: tutti i "transitori", cioè le variazioni di movimento, come la partenza e l'accelerazione del treno, devono essere gestiti con idonee apparecchiature, in modo da limitare la corrente entro valori accettabili. Nelle macchine reostatiche, cioè in tutti i mezzi FS a corrente continua fino alle ALe 801 e alle E.656 , questa funzione è svolta dal reostato, che permette di ridurre temporaneamente la tensione ai capi dei motori, dissipando l'energia nei suoi pacchi di resistenze.
Una legge dell'elettrotecnica insegna che la velocità di rotazione di un motore è proporzionale alla tensione e inversamente proporzionale al flusso magnetico. Dato che su una locomotiva ci sono più motori, il modo più semplice per impostare differenti velocità è quello di cambiare il modo con cui i motori sono collegati fra loro: se si collegano i motori in serie, ciascuno disporrà di una tensione pari alla tensione totale divisa per il numero di motori; se li si collega in parallelo, tutti disporranno della tensione totale e gireranno quindi a velocità maggiore. 

Collegando i motori a gruppi, si riescono a ottenere in genere fino a quattro combinazioni, chiamate tradizionalmente serie, serie-parallelo, parallelo e super parallelo. A ciascuna combinazione corrisponde una velocità di regime, o, come si usa dire, una velocità economica, funzione anche dello sforzo richiesto, cioè della massa del treno. La tensione ai capi di ciascun motore è pari alla tensione di linea divisa per il numero di motori nel ramo. Quindi le combinazioni di serie comportano una tensione minore e dunque una minore velocità di rotazione.

La corrente massima in ciascun ramo è limitata da appositi relé di massima corrente, tarati ai valori indicati. La corrente massima assorbita dalla linea è data dalla somma delle correnti di ciascun ramo. Di conseguenza le combinazioni di parallelo comportano un assorbimento complessivo maggiore, e infatti corrispondono alle velocità maggiori, in cui la locomotiva sta sviluppando più potenza. Quando si parte, non è possibile però applicare immediatamente la piena tensione ai motori, sia pure nella combinazione in serie. Infatti il motore a corrente continua ha la caratteristica di assorbire correnti che diminuiscono con l'aumentare della velocità: a macchina ancora ferma, il motore è assimilabile a un cortocircuito e ciò provocherebbe l'assorbimento di una corrente altissima. E' qui che entra in scena il reostato, cioè un insieme di resistenze interposte tra i motori e la linea di alimentazione, che saranno progressivamente escluse man mano che la velocità aumenta.

L'avviamento di una locomotiva reostatica consiste pertanto nell'inserire completamente il reostato e posizionare i motori in configurazione "serie": la locomotiva assorbe una corrente sì elevata, ma limitata dal reostato (che dissipa in calore l'energia in eccesso); man mano che la locomotiva prende velocità, la corrente comincia a scendere; il reostato viene quindi gradualmente escluso, cioè la sua resistenza viene via via ridotta; ad ogni esclusione la corrente risale un poco, per poi riprendere a scendere, mentre la locomotiva accelera.