وحدة كهربائية متعددة

القطار الكهربائي متعدد الوحدات ( EMU ) هو قطار يتكون من عدة عربات ذاتية الدفع تعمل بالكهرباء . لا يحتاج القطار الكهربائي متعدد الوحدات إلى قاطرة منفصلة، ​​حيث تُدمج محركات الجر الكهربائية داخل عربة واحدة أو أكثر. يتكون القطار الكهربائي متعدد الوحدات عادةً من عربتين أو أكثر متصلة بشكل شبه دائم. ومع ذلك، تُصنف عربات السكك الحديدية أحادية الوحدة التي تعمل بالكهرباء عمومًا ضمن القطارات الكهربائية متعددة الوحدات. غالبية القطارات الكهربائية متعددة الوحدات هي قطارات ركاب، ولكن توجد أيضًا أنواع منها لنقل البريد.

تحظى القطارات الكهربائية متعددة الوحدات بشعبية واسعة في شبكات السكك الحديدية بين المدن، وقطارات الضواحي، والقطارات المحلية حول العالم، وذلك بفضل تسارعها السريع وتشغيلها الخالي من التلوث، ^{[ 1 ]} وتُستخدم في معظم أنظمة النقل السريع. ونظرًا لكونها أقل ضجيجًا من القطارات متعددة الوحدات التي تعمل بالديزل (DMUs) والقطارات التي تجرها القاطرات ، يمكن للقطارات الكهربائية متعددة الوحدات العمل لساعات متأخرة من الليل وبوتيرة أعلى دون إزعاج السكان المجاورين. إضافةً إلى ذلك، يُعد تصميم الأنفاق لقطارات EMU أبسط، إذ لا يتطلب الأمر أي تجهيزات لتصريف الغازات، مع العلم أن تعديل الأنفاق الحالية ذات الارتفاع المحدود لاستيعاب المعدات الإضافية اللازمة لنقل الطاقة الكهربائية إلى القطار قد يكون صعبًا.

استُخدم نظام التحكم في القطارات متعددة الوحدات لأول مرة في تسعينيات القرن التاسع عشر، مع افتتاح خط سكة حديد ليفربول العلوي في عام 1893 بوحدات كهربائية متعددة مكونة من عربتين، ^{[ 2 ]} حيث تتحكم وحدات التحكم الموجودة في كبائن القيادة في كلا الطرفين مباشرةً في تيار الجر للمحركات الموجودة في كلتا العربتين. ^{[ 3 ]}

طوّر فرانك سبراغ نظام التحكم في الجر متعدد الوحدات ، وطُبّق لأول مرة على خط سكة حديد ساوث سايد المرتفع (الذي يُعدّ الآن جزءًا من خط قطارات شيكاغو "L" ) عام 1897. في عام 1895، وانطلاقًا من اختراع شركته وإنتاجها لأنظمة التحكم في المصاعد بالتيار المستمر، ابتكر فرانك سبراغ وحدة تحكم متعددة الوحدات لتشغيل القطارات الكهربائية. وقد ساهم هذا في تسريع بناء خطوط السكك الحديدية الكهربائية وأنظمة الترام في جميع أنحاء العالم. تحتوي كل عربة من عربات القطار على محركات جر خاصة بها: وبفضل مرحلات التحكم في المحركات الموجودة في كل عربة، والتي يتم تزويدها بالطاقة من أسلاك خط السكة الحديدية القادمة من العربة الأمامية، يتم التحكم في جميع محركات الجر في القطار بشكل متزامن.

مع تطور التكنولوجيا وتوفر أنظمة كهربائية أكثر كفاءة وموثوقية، أصبحت القطارات الكهربائية متعددة الوحدات (EMUs) أكثر شيوعًا وحلت محل القطارات التي تجرها القاطرات في العديد من الشبكات. وقد تسارعت هذه العملية في الشبكات المزدحمة ذات القطارات المتكررة، حيث فاقت المزايا التشغيلية لاستخدام القطارات الكهربائية متعددة الوحدات التكلفة الأولية.

يمكن عادةً تصنيف العربات التي تُشكّل مجموعة قطار كهربائي متكامل حسب وظيفتها إلى أربعة أنواع: عربة توليد الطاقة، وعربة المحرك، وعربة القيادة، وعربة المقطورة. ^{[ 4 ]} قد تؤدي كل عربة أكثر من وظيفة، مثل عربة قيادة المحرك أو عربة توليد الطاقة.

• تحمل عربة الطاقة المعدات اللازمة لسحب الطاقة من البنية التحتية المكهربة ، مثل أجهزة التقاط الطاقة لأنظمة السكة الثالثة وأجهزة تجميع التيار لأنظمة الخطوط العلوية ، والمحولات .
• تحمل عربات المحركات محركات الجر لتحريك القطار، وغالبًا ما يتم دمجها مع عربة الطاقة لتجنب وصلات الجهد العالي بين العربات.
• تشبه عربات القيادة عربة القيادة ، إذ تحتوي على مقصورة قيادة للتحكم بالقطار. عادةً ما يحتوي القطار الكهربائي متعدد الوحدات على عربتي قيادة في طرفيه الخارجيين. ويمكن ربط هذه العربات بممرات لتوفير مرونة تشغيلية أكبر، بالإضافة إلى راحة الركاب.
• عربات المقطورة هي أي عربات (أحيانًا متصلة بشكل شبه دائم) تحمل القليل من معدات الجر أو الطاقة أو لا تحمل أي معدات على الإطلاق، وهي تشبه عربات الركاب في القطار الذي تجره القاطرة.

في أنظمة السكة الثالثة، تحمل العربات الخارجية عادةً أسلاك التوصيل، بينما تتلقى عربات المحركات التيار عبر وصلات داخلية . يساعد هذا على تجنب انقطاع التيار الكهربائي، حيث لا تكون الوحدة متصلة بالسكك الثالثة وتحتاج إلى إعادة توصيل. أما في القطارات الكهربائية الحديثة التي تعمل على أنظمة التيار المتردد العلوية، فقد نُقلت محركات الجر غالبًا من عربة الطاقة إلى عربات محركات منفصلة. تحتفظ عربة الطاقة بالمحول وترسل الطاقة اللازمة عبر موصلات إلى عربات المحركات. يساعد هذا على توزيع الوزن على طول القطار الكهربائي، ويقلل من أقصى حمولة للمحور وتكاليف الوصول إلى السكة وصيانتها. لا يُعد هذا الأمر مهمًا في القطارات التي تعمل بالتيار المستمر، حيث لا حاجة إلى محول، كما أن أي معدات تحويل أخرى أخف وزنًا.

تُجهز معظم القطارات الكهربائية متعددة الوحدات (EMUs ) كوحدات مزدوجة أو مجموعات أطول. بالإضافة إلى محركات الجر، تُشترك العربات في المجموعة في المعدات المساعدة (ضاغط الهواء وخزاناته، والبطاريات ومعدات الشحن، ومعدات الطاقة والتحكم في الجر، إلخ). ولأن أي عربة لا يمكنها العمل بشكل مستقل، لا تُفصل هذه المجموعات إلا في مرافق الصيانة. أما بالنسبة للقطارات الكهربائية متعددة الوحدات الأطول (ثماني عربات أو أكثر)، فغالبًا ما تحتوي الوحدة على أنظمة طاقة وجرّ وكبح مُكررة في نصفي المجموعة، مما يوفر نظامًا احتياطيًا مقابل زيادة الوزن والتكلفة.

تشمل مزايا القطارات المزدوجة أو الأطول توفير الوزن والتكلفة مقارنةً بالقطارات ذات الوحدة الواحدة (بسبب تقليل المعدات المساعدة المطلوبة لكل قطار)، مع إمكانية تشغيل عدة عربات، على عكس القطارات ذات المحرك والمقطورة. يحتوي كل قطار كهربائي متعدد الوحدات على كابينتي تحكم فقط، تقعان في طرفي القطار. يوفر هذا مساحة وتكلفة مقارنةً بكابينة تحكم في كل طرف من أطراف كل عربة، كما يوفر سعة أكبر. أما عيوب هذا النوع من القطارات فتتمثل في فقدان المرونة التشغيلية، حيث يجب أن يكون طول القطارات من مضاعفات طول القطار، وقد يؤدي عطل في عربة واحدة إلى إخراج القطار بأكمله من الخدمة.

في حالات نادرة، يمكن للقطارات الكهربائية متعددة الوحدات أن تعمل كقاطرات، حيث تجر مجموعات من عربات المقطورة بنظام الدفع والسحب . وكانت القاطرة البريطانية من الفئة 432 مثالاً على ذلك، حيث كانت تجر وحدات مقطورات TC على خطوط السكك الحديدية الرئيسية الجنوبية الغربية .

يمكن لقطارات الكهرباء فائقة السرعة استخدام نظام جر موزع، حيث تُركّب محركات الجر على العربات أو المحاور في جميع أنحاء القطار، أو نظام جر مركز، حيث توضع عربات الطاقة أو القاطرات الكهربائية في نهايتي القطار الثابت. ويصف الاتحاد الدولي للسكك الحديدية (UIC) القطارات فائقة السرعة عمومًا بأنها ذاتية الدفع، وثابتة التكوين، وثنائية الاتجاه، ويميز بين القطارات ذات القاطرات في كل طرف والقطارات التي تُوزّع فيها المحاور الآلية على طول القطار. ^{[ 5 ]} وقد أشار تقرير صادر عن الاتحاد الدولي للسكك الحديدية حول مستقبل عربات السكك الحديدية فائقة السرعة إلى اتجاه تصميمي نحو الطاقة الموزعة، مستشهدًا بأداء الجر، والسعة، وحدود حمولة المحور، ولاحظ أن عربات السكك الحديدية اليابانية فائقة السرعة لطالما استخدمت الطاقة الموزعة. ^{[ 6 ]}

افتُتح أول خط سكة حديد تجاري فائق السرعة، وهو خط توكايدو شينكانسن ، في عام 1964 باستخدام وحدات القطارات الكهربائية من السلسلة 0. وتشمل عائلات وحدات القطارات الكهربائية فائقة السرعة اللاحقة قطارات بيندولينو ، وآي سي إي 3 ، وسيمنز فيلارو ، وإيه جي في ، ومشتقات قطارات هيتاشي من الفئة A مثل قطارات السكك الحديدية البريطانية من الفئة 395 ، وقطارات السكك الحديدية الصينية فائقة السرعة من سلسلة CRH1 ، و CRH2 ، وCRH3 ، وCRH5 ، و CRH380A ، وسلسلة فوكسينغ ، وقطارات فريتشياروسا 1000، وقطارات كي تي إكس تشيونغريونغ . ^{[ 7 ]}

للمقارنة، قدّرت نظرة عامة صادرة عن الاتحاد الدولي للسكك الحديدية (UIC) عام 2022 وجود أكثر من 6500 قطار فائق السرعة حول العالم، تستحوذ الصين على 54.7% من هذا الأسطول. وأفاد مسح فني بأن الصين كانت تمتلك 3480 وحدة قطار كهربائي فائق السرعة، تم تحويلها إلى تشكيل من 8 عربات، بحلول أكتوبر 2019؛ وفي وقت لاحق، أشار أطلس الاتحاد الدولي للسكك الحديدية لعام 2024 إلى وجود حوالي 4900 قطار فائق السرعة تعمل يوميًا في جميع أنحاء العالم. ^{[ 5 ] [ 7 ] [ 8 ]}

لا تستخدم جميع القطارات الكهربائية فائقة السرعة نظام جرّ موزع. فبعض الأنظمة تستخدم تشكيلات ذات قوة مركزة، على غرار قطارات الدفع والسحب ، حيث توضع عربات الطاقة أو القاطرات في نهايات مجموعة ثابتة. وتستخدم عائلة قطارات TGV ، وقطارات Eurostar e300 ، وICE 1 ، و ICE 2 ، وقطارات AVE Class 100 ، وقطارات KTX-I ، وغيرها من التصاميم المشتقة من TGV، عربات طاقة أو قاطرات مع عربات ركاب وسيطة بدلاً من معدات الجرّ الموزعة في جميع أنحاء عربات الركاب. وقد صنّف جدول عربات السكك الحديدية الصادر عن الاتحاد الدولي للسكك الحديدية (UIC) لعام 2018 هذه الأمثلة على أنها قطارات ذات قوة مركزة، بينما أدرج تصاميم لاحقة مثل قطارات ICE 3، ومشتقات قطارات Velaro، والعديد من قطارات CRH/CR الصينية على أنها تشكيلات عربات ذات محرك. ^{[ 9 ]}

يجري تطوير وحدات قطارات كهربائية متعددة الوحدات تعمل بخلايا الوقود . وفي حال نجاحها، ستُغني هذه التقنية عن الحاجة إلى خطوط علوية أو سكة ثالثة . ومن الأمثلة على ذلك قطار كوراديا آيلينت الذي يعمل بالهيدروجين من شركة ألستوم . ^{[ 10 ]} وقد صِيغ مصطلح "السكك الحديدية الهيدروجينية" لوصف مركبات السكك الحديدية التي تعمل بالهيدروجين. ^{[ 11 ]}

تُستخدم العديد من القطارات الكهربائية متعددة الوحدات التي تعمل بالبطاريات في جميع أنحاء العالم، ويشهد استخدامها إقبالاً كبيراً. كثير منها ثنائي الوضع، حيث تستمد الطاقة من بطاريات داخلية ومن مصادر أخرى مثل الأسلاك العلوية أو السكة الثالثة. في بعض الحالات، تُشحن البطاريات عبر مصدر الطاقة الكهربائي عند التشغيل بالوضع الكهربائي، ^{[ 12 ]} بينما تستخدم قطارات أخرى أنظمة شحن سريع مثبتة في المحطات على طول الخط، ^{[ 13 ]} أو طرقاً أخرى مثل الكبح التجديدي . ^{[ 14 ]}

توفر وحدات القطارات الكهربائية المتعددة، عند مقارنتها بالقاطرات الكهربائية ، ما يلي: ^{[ 15 ]}

• زيادة التسارع، نظراً لوجود عدد أكبر من المحركات التي تتشارك نفس الحمل، مما يسمح بزيادة إجمالي قدرة خرج المحرك.
• الكبح، بما في ذلك الكبح بالتيارات الدوامية والكبح المقاوم و/أو الكبح التجديدي ، على محاور متعددة في وقت واحد، مما يقلل بشكل كبير من تآكل أجزاء الفرامل (حيث يمكن توزيع التآكل على عدد أكبر من الفرامل) ويسمح بكبح أسرع (مسافات كبح أقل/مخفضة).
• انخفاض أحمال المحاور، حيث تم الاستغناء عن الحاجة إلى قاطرة ثقيلة؛ وهذا بدوره يسمح بإنشاء هياكل أبسط وأرخص تستخدم مواد أقل (مثل الجسور والأنفاق) وتكاليف صيانة أقل للهياكل
• انخفاض اهتزازات الأرض، نتيجة لما سبق ذكره
• انخفاض معاملات الالتصاق للمحاور الدافعة (المحركة)، نتيجة لانخفاض الوزن على هذه المحاور؛ فالوزن لا يتركز على القاطرة.
• درجة أعلى من التكرار - لا يتأثر الأداء إلا بشكل طفيف بعد تعطل محرك واحد أو مكبح واحد
• سعة جلوس أكبر، نظرًا لعدم وجود قاطرة؛ يمكن أن تحتوي جميع العربات على مقاعد.

توفر القاطرات الكهربائية، مقارنةً بالقطارات الكهربائية متعددة الوحدات، ما يلي:

• يؤدي استخدام عدد أقل من المعدات الكهربائية لكل قطار إلى انخفاض تكاليف تصنيع القطارات وصيانتها
• يُتيح ذلك تقليل الضوضاء والاهتزاز في عربات الركاب، حيث لا توجد محركات أو علب تروس على العربات الموجودة أسفلها.
• مرونة أكبر في الاستخدام، ويمكنها نقل البضائع وخدمات الركاب

• وحدة متعددة تعمل بالكهرباء والديزل
• وحدة ديزل متعددة المحركات
• وحدة كهربائية متعددة تعمل بالبطارية
• وحدات القطارات المتعددة من شركة بريتيش إلكتريك
• ميمو

• الوسائط المتعلقة بالقطارات الكهربائية متعددة الوحدات، وعربات الركاب، وعربات السكك الحديدية على ويكيميديا ​​كومنز