miniatyr|Ett svenskt ellok från 1925 typ D. I Sverige var man tidig med stora elektrifieringar. Stambanorna elektrifierades redan under 1920-talet. Elektrifierad järnväg, även elektrisk järnväg, är en järnväg där tågen drivs med elektricitet via kontaktledning eller strömskena från en matningsstation. Återföring sker via rälsåterledning till matningsstationen. Strömskena finns på många tunnelbanor och vissa järnvägslinjer, bland annat i södra England och i New York.
Historik Den första järnvägen för persontrafik öppnades i England 1825 med Stevensons lok. Först 50 år senare, år 1879, byggdes den första elektrifierade banan på en utställning i Berlin (endast ). I Sverige var Boxholms bruk först med ett elektrifierat industrispår 1890 (endast och likström). En tidig elektrifierad järnväg för persontrafik i Sverige var Djursholmsbanan som blev elektrifierad 1895 och som matades från ett eget kraftverk med 650 V likström.Fordonsradio
År 1902 tillverkade företaget Westinghouse det första lokomotivet för 1-fas (växelström ). 1905 startade Statens Järnvägar (SJ) försök mellan Stockholm och Värtans station respektive Järva station. Försöken lyckades kommersiellt. År 1915 invigdes Porjus kraftverk samt elektrifieringen av Malmbanan. Trots det stränga klimatet blev det en succé. Det fanns i och för sig många småproblem men de åtgärdades med tiden.
År 1926 invigdes eldriften på sträckan mellan Stockholm och Göteborg, och 1931 mellan Stockholm och Malmö. År 2013 fanns i Sverige 13 642 kilometer järnväg varav 11 152 kilometer är elektrifierad. bandata vid trafikverket 2013-05-04
Drivkretsens delar En elektrifierad järnväg består av följande delar som tillsammans bildar en elektrisk krets: Traktionsmotor Traktionsmotorer omvandlar den elektriska energin till mekanisk energi, som i sin tur omvandlas till rörelseenergi hos tåget. Traktionsmotorerna har varit av olika typer allteftersom tekniken utvecklats: Likströmsmotorer som är enkla att styra och har stort startmoment användes tidigt, och är fortfarande vanligt för spårvagnar och tunnelbanetåg. En-fas växelströmsmotorer som medgav att man kunde ha en högre spänning i kontaktledningen som sedan kunde transformeras ned ombord på loket, exempelvis de svenska D-loken. Återigen likströmsmotorer när kontaktledningens växelström kunde likriktas ombord, exempelvis de svenska Rc-loken. Asynkronmotorer kom med växelriktare vilka kunde omvandla den likriktade växelströmmen till tre-fas växelström med variabel frekvens, exempelvis X2000. Permanentmagnetiserade synkrona växelströmsmotorer testades 2008 på Gröna tåget. Tros bli framtidens system. Se traktionsmotorer.
Strömavtagare Strömavtagare släpar mot kontaktledningen och leder strömmen till en huvudbrytare och i växelströmsfallet till en transformator som tar ned spänningen innan den styrs till traktionsmotorerna.
Kontaktledning Kontaktledning för järnväg löper ovanför spåret. Strömskena används i tunnelbanor för att möjliggöra lägre tunnlar, och för vissa lokaltåg utanför Sverige. Sektionerad kontaktskena är en ny typ av strömförsörjning där spänningen slås på endast i de segment som ligger under tåget. Används hittills 2008 endast för spårvägar. Induktionsledning (järnväg). En kabel mellan spåren som utgör primärkretsen i en slags transformator där sekundärledningen finns under tåget. Ger beröringsfri energiöverföring genom induktion.
Återledning miniatyr|Återledningen av strömmen från kontaktledningen (röd) går genom rälerna (svart), marken (den övre streckade pilen) eller en rörledning (den nedre streckade pilen). De två senare är exempel på vagabonderade strömmar. Återledningen av strömmen sker via rälsen där olika metoder tillämpas för att undvika vagabonderande strömmar i marken.
En metod är sugtransformatorer, transformatorer med en omsättning på 1:1, som "suger" in strömmen. Kontaktledningen är på dess ena sida och på den andra sidan går en återledare, som hänger i kontaktledningsstolparna och är kopplad till den återledande rälen med jämna intervaller. Då kan de vagabonderande strömmarna inte ta sig så långt, utan de sugs upp av förbindelsen mellan rälen och återledaren.
miniatyr|Nedkopplingstavla med signallampa. Föraren ska koppla bort drivströmmen när vissa sektionsgränser passeras. OM den orangefärgade lampan lyser så behöver man inte koppla ur. Läggesta.
Elmatning Matning av kontaktledningen där man från landets kraftnät, först omformar strömmen till en-fas växelström och sänker frekvensen till (gäller endast Sverige, Norge, Tyskland, Schweiz och Österrike) och sedan distribuerar ut strömmen till sektioner av alla kontaktledningar.
Tekniska frågor vid elektrisk järnvägsdrift
Lik- eller växelström? Den magnetiska kraften i en elmotor är proportionell mot strömmen i lindningstrådarna. Man önskar således en låg spänning och hög strömstyrka till motorerna (Ohms lag). miniatyr|Transformatorn på pendeltåget X60. Den tar ned kontaktledningens spänning och ökar strömstyrkan till traktionsmotorerna. Den syns som den lilla lådan längst till höger på den vänstra vagnens tak. Karlbergs station. En hög ström till motorn ger dock värmeförluster i kontaktledningarna som är långa. Det gäller särskilt huvudlinjer med tunga tåg och långa avstånd. Med växelström kan man ha en hög spänning på kontaktledningen och låta en transformator ombord ta ner spänningen till motorerna.
Idag byggs alla nya fjärrlinjer för växelström. Men äldre mindre banor har fortfarande likström, t.ex. Roslagsbanan och många banor i Japan, Spanien, Frankrike, Polen och Italien. Vid spårvägar och tunnelbanor är bansträckorna korta och därför använder man fortfarande låg likspänning (ofta under 1 kV). Man slipper därmed utrusta vagnarna med tunga transformatorer. Det finns också en säkerhetsaspekt i att inte använda högspänd ström i stadsmiljö. Även nya stadsbanesystem såsom Köpenhamns metro och Lunds spårväg har lågspänd likström.
Frekvens för växelström När man i början av 1900-talet elektrifierade järnvägarna ville man använda växelström. En del tidiga ellok hade ingen utväxling mellan motor och drivhjul och krävde en motor med mycket stor diameter. Gnistbildning vid kommutatorn på grund av transformatorverkan mellan lindningshärvor var orsaken till att seriemotorer inte kunde användas vid 50 Hz. Vid lägre frekvens gick det dock bättre. Därför beslöt man till exempel i Sverige att använda 1/3 av den normala frekvensen, . Vid den tiden hade man dessutom egna kraftverk som direkt genererade denna frekvens och behövde inga omformare. Sverige använde till exempel en-fas generatorer i Porjus och Tyskland har fortfarande egna kraftverk och egna kraftledningar. Sverige däremot övergick tidigt till att utnyttja det vanliga kraftnätet som driver omformarstationer. De är kostsamma och med omkring 10–20 procent värmeförluster. De länder som använder 50 Hz till tågen har inte detta problem.
Länder som elektrifierade under andra hälften av 1900-talet kunde utnyttja den nya tekniken med likriktare ombord och återgå till likströmsmotorer. Det gjorde att man kunde använda ländernas normala frekvens 50 eller 60 Hz. Detta var enklare eftersom omformare inte behövdes. Samtidigt höjde man spänningen till 25 kV. Men en nackdel blev att näten snedbelastades eftersom man bara använde en fas. I viss mån kan dock det problemet reduceras med olika kopplingar, eller olika faser för olika delar av nätet. Danmark började elektrifiera järnvägsnätet år 1986 och valde 25 kV 50 Hz trots att grannländerna har 15 kV .
De senaste åren har en ny teknik med växelriktare utvecklats. Det gör att man från en-fas växelström med 16⅔ eller 50 Hz, eller till och med likström, kan generera en trefas växelström med varierande frekvens. Man kan då använda asynkronmotorer som är mycket enkla. En bieffekt blev att loken kunde köras genom olika strömsystem till en liten merkostnad. Det möjliggör gränsöverskridande trafik och gör att frågan om strömsystem blir mindre viktig.
Historien har gjort att Sverige, Norge, Tyskland, Schweiz och Österrike har 15 kV medan stor del av resten av världen har 25 kV med 50 eller 60 Hz. Likström är fortfarande vanligt men ersätts mer och mer (behålls på stadsbanor).
Spänning eller linjespänning hos kontaktledningen Det som anges nedan är den nominella linjespänningen. I praktiken måste man kompensera för spänningsfall. Vid växelström (enfas) har man i dag i praktiken endast 2 standarder på det europeiska normalspåret: 15 kV i Sverige, Norge (), Tyskland, Österrike och Schweiz (16,7 Hz Schweizer Eisenbahn-Revue 11/1995), vilket alla huvudlinjer har i dessa länder. I Sverige anses spänningen tillåtas variera 12–18 kV. Återmatande motorer kan ge 18 kV eller lite mer om det är flera sådana tåg på en sträcka. Vissa tåg har svårt att tåla det. 25 kV i resten av världen, av de som har växelström (50 eller 60 Hz). Hit hör bland annat Danmark, Ungern, Serbien, Kroatien, Nordmakedonien och Grekland.
Vid likström finns åtskilliga spänningar: 3000 V i bland annat Belgien, Polen och Italien. 1500 V i bland annat Japan, Nederländerna, Frankrike och för Köpenhamns S-tåg samt Roslagsbanan. 600–750 V är normalt för spårvägar och tunnelbanor, till exempel i Stockholm och Göteborg.
Bland länder med avvikande spårvidd som har bland annat de bredspåriga länderna Ryssland 3000 V likström och Finland 25 kV växelström.
Gränsövergångar Tåg över gränsen mellan två system måste klara båda systemen eller byta lok. Numera är tvåströms- och treströmsfordon vanliga som klarar två respektive tre system. Ett exempel är X31, den fordonstyp som används för Öresundståg.
Drivlinan mellan motor och hjul Pa loken vid SJ byggdes utan kuggväxel. Motorn var så stor så den fyllde nästan hela vagnskorgen. Senare loktyper byggdes med kuggväxel. På dessa roterar elmotorn snabbare än drivhjulen. Växeln kan även enkelt göras i varianter för långsamma starka godståg och snabba lättare snälltåg. Växellådan drev då en blindaxel som i sin tur drev hjulaxlarna via koppelstänger (vevstakar). Exempel det Svenska D-loket med två motorer som driver blindaxeln.
En del elektrolok hade motorer sammanbyggda med hjulaxlarna. Hålaxeldrift på Ma och F, samt tasslagermotorer på Hg.
Likströmsmotorerna och tre-fas asynkronmotorerna är så små att en motor kan byggas ihop med varje hjulaxel. För att minska den ofjädrade vikten görs drivpaketet så att den tyngre motordelen sitter långt från axelcentrum och fästs med ett momentstag. De vertikala rörelserna i axeln omvandlas då delvis till en mindre vridrörelse. Vid större hastigheter måste hela motorpaketet avfjädras. Vanligen placeras då hjulaxeln i en ihålig drivaxel som sitter på växellådan Hjulaxeln och drivaxeln förbinds sedan med en diafragmakoppling av stål som medger att hjulaxeln kan röra sig vertikalt.
Elmotorn kyls vanligen med luft. Men vid höga effekter eller till exempel tunnlar med mycket damm som kan kortsluta lindningar så används vätskekylning.
Hastighetsreglering Likströmsmotorerna regleras genom att koppla in motstånd i serie med motorerna samt genom serie-parallellkoppling av två banmotorer. Föraren hade vanligen en vev som påverkade ett antal kontaktorer (brytare för starka strömmar). Vid bromsning kopplade man förr in olika motstånd för att få "generatorn" att bromsa. Anm. På gamla spårvagnar satt motstånden dels på taket och dels under sätena för att värma kupén. Vid sträng kyla körde föraren ryckigt för att få det varmare.
En-fasmotorerna reglerades på liknande sätt med kontaktorer som kopplade om motorena till olika uttag på transformatorn. Vid acceleration höll föraren ett öga på amperemätaren innan han vevade till nästa läge. Äldre resenärer minns kanske hur det blixtrade till i loken vid ändring av körläge.