قاطرة كهربائية

بُنيت أول قاطرة كهربائية معروفة عام 1837 على يد الكيميائي روبرت ديفيدسون من أبردين ، وكانت تعمل بخلايا جلفانية (بطاريات). لاحقًا، بنى ديفيدسون قاطرة أكبر أطلق عليها اسم "جالفاني" ، وعُرضت في معرض الجمعية الملكية الاسكتلندية للفنون عام 1841. كانت هذه القاطرة، التي تزن سبعة أطنان، مزودة بمحركين مغناطيسيين يعملان بنظام الدفع المباشر ، مع مغناطيسات كهربائية ثابتة تؤثر على قضبان حديدية متصلة بأسطوانة خشبية على كل محور، بالإضافة إلى مبدلات بسيطة . كانت تجر حمولة ستة أطنان بسرعة أربعة أميال في الساعة (ستة كيلومترات في الساعة) لمسافة ميل ونصف (2.4 كيلومتر) . تم اختبارها على خط سكة حديد إدنبرة وغلاسكو في سبتمبر من العام التالي، لكن الطاقة المحدودة للبطاريات حالت دون استخدامها على نطاق واسع. قام عمال السكك الحديدية بتدميرها، إذ رأوا فيها تهديدًا لأمنهم الوظيفي. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} 

قدّم فيرنر فون سيمنز أول قطار ركاب كهربائي وأول قاطرة كهربائية تعمل بمولد كهربائي في برلين عام 1879. ^{[ 6 ]} كانت القاطرة تُدار بمحرك كهربائي ذي ملفات متصلة على التوالي بقدرة 2.2 كيلوواط، ووصلت سرعة القطار، المؤلف من القاطرة وثلاث عربات، إلى 13 كم/ساعة. على مدار أربعة أشهر، نقل القطار 90,000 راكب على مسار دائري طوله 300 متر (980 قدمًا) . تم تزويد القطار بالكهرباء (150 فولت تيار مستمر) عبر سكة ثالثة معزولة بين المسارين. واستُخدمت بكرة تلامس لجمع الكهرباء.    

افتُتح أول خط ترام كهربائي في العالم في ليشتيرفيلد بالقرب من برلين، ألمانيا، عام 1881. وقد بناه فيرنر فون سيمنز (انظر: ترام غروس-ليشتيرفيلد وسكة حديد برلين ). وافتُتح خط سكة حديد فولك الكهربائي عام 1883 في برايتون. وفي العام نفسه، افتُتح ترام مودلينغ وهينتربرول بالقرب من فيينا في النمسا. وكان أول ترام في العالم يعمل بانتظام على خط علوي. وبعد خمس سنوات، في الولايات المتحدة، وتحديدًا عام 1888، استُخدمت عربات الترام الكهربائية لأول مرة على خط سكة حديد ريتشموند يونيون للركاب ، باستخدام معدات صممها فرانك ج. سبراغ . ^{[ 7 ]}

تم افتتاح أول خطوط السكك الحديدية المجرية المكهربة في عام 1887. بودابست (انظر: BHÉV ): خط Ráckeve (1887)، خط Szentendre (1888)، خط Gödöllő (1888)، خط Csepel (1912). ^{[ 8 ]}

كان الدافع الرئيسي وراء التطور المبكر للقطارات الكهربائية هو ازدياد استخدام الأنفاق، لا سيما في المناطق الحضرية. كان دخان قاطرات البخار ضارًا، ولذا اتجهت البلديات بشكل متزايد إلى حظر استخدامها داخل حدودها. كان خط سكة حديد مدينة وجنوب لندن أول خط مترو أنفاق يعمل بالكهرباء ، وذلك بفضل بند في قانون إنشائه يحظر استخدام الطاقة البخارية. ^{[ 9 ]} افتُتح الخط عام 1890، باستخدام قاطرات كهربائية من صنع ماثر وبلات . وسرعان ما أصبحت الكهرباء مصدر الطاقة المفضل لقطارات الأنفاق، مدعومةً باختراع سبراغ لنظام التحكم في القطارات متعددة الوحدات عام 1897. كانت أنظمة النقل السريع السطحية والعلوية تستخدم البخار بشكل عام حتى أُجبرت على التحول إلى البخار بموجب مرسوم.

كان أول استخدام للكهرباء على خط سكة حديد رئيسي أمريكي في امتداد بطول أربعة أميال من خط بالتيمور بيلت التابع لسكك حديد بالتيمور وأوهايو (B&O) عام 1895، حيث ربط الجزء الرئيسي من خط B&O بالخط الجديد المؤدي إلى نيويورك عبر سلسلة من الأنفاق حول أطراف وسط مدينة بالتيمور. وقد أظهرت المسارات الموازية على سكك حديد بنسلفانيا أن دخان الفحم المنبعث من قاطرات البخار سيشكل مشكلة تشغيلية كبيرة وإزعاجًا عامًا. في البداية، استُخدمت ثلاث وحدات Bo+Bo من طراز EL-1. عند الطرف الجنوبي من القسم المُكهرب، كانت هذه الوحدات تُربط بالقاطرة والقطار وتسحبهما عبر الأنفاق. ^{[ 10 ]} تطلبت مداخل السكك الحديدية المؤدية إلى مدينة نيويورك أنفاقًا مماثلة، وكانت مشاكل الدخان أكثر حدة هناك. أدى حادث تصادم في نفق بارك أفينيو عام 1902 إلى إصدار المجلس التشريعي لولاية نيويورك قرارًا بحظر استخدام القاطرات التي تُصدر دخانًا جنوب نهر هارلم بعد الأول من يوليو عام 1908. واستجابةً لذلك، بدأ تشغيل القاطرات الكهربائية عام 1904 على خط سكة حديد نيويورك المركزي . وفي ثلاثينيات القرن العشرين، قامت سكة حديد بنسلفانيا ، التي كانت قد أدخلت القاطرات الكهربائية امتثالًا للوائح سكة حديد نيويورك المركزي، بتزويد كامل أراضيها شرق هاريسبرج، بنسلفانيا، بالكهرباء .

بدأ خط سكة حديد شيكاغو، ميلووكي، سانت بول، والمحيط الهادئ ( طريق ميلووكي )، وهو آخر خط عابر للقارات تم بناؤه، بتزويد خطوطه بالكهرباء عبر جبال روكي وصولاً إلى المحيط الهادئ ابتداءً من عام 1915. وقامت بعض خطوط السكك الحديدية على الساحل الشرقي، ولا سيما خط سكة حديد فرجينيا وخط سكة حديد نورفولك والغربية ، بتزويد أجزاء قصيرة من معابرها الجبلية بالكهرباء. ومع ذلك، بحلول ذلك الوقت، كان استخدام الكهرباء في الولايات المتحدة مرتبطًا بشكل أكبر بحركة المرور الحضرية الكثيفة، وانخفض استخدام القاطرات الكهربائية في ظل انتشار استخدام الديزل. ^{[ 11 ]} كانت قاطرات الديزل تشترك في بعض مزايا القاطرات الكهربائية مع قاطرات البخار، كما أن تكلفة بناء وصيانة البنية التحتية لإمدادات الطاقة، والتي ثبطت إنشاء منشآت جديدة، أدت إلى إلغاء معظم خطوط السكك الحديدية الرئيسية المكهربة خارج شمال شرق البلاد. وباستثناء بعض الأنظمة الخاصة (مثل خط سكة حديد ديزيريت للطاقة )، ​​بحلول عام 2000، اقتصر استخدام الكهرباء على ممر الشمال الشرقي وبعض خدمات النقل بين المدن. حتى هناك، كانت خدمة نقل البضائع تُدار بواسطة محركات الديزل. واستمر التطوير في أوروبا، حيث انتشرت الكهرباء على نطاق واسع. ولا يزال التيار المستمر بجهد 1500  فولت  يُستخدم في بعض الخطوط القريبة من فرنسا، بينما  تستخدم القطارات فائقة السرعة جهد 25 كيلوفولت بتردد 50 هرتز. ^{[ 5 ]}

صُممت أول قاطرة كهربائية عملية تعمل بالتيار المتردد على يد تشارلز براون ، الذي كان يعمل آنذاك لدى شركة أورليكون في زيورخ. في عام 1891، عرض براون نقل الطاقة لمسافات طويلة في المعرض الدولي للهندسة الكهربائية ، باستخدام تيار متردد ثلاثي الأطوار ، بين محطة توليد الطاقة الكهرومائية في لاوفن آم نيكار وموقع المعرض في فرانكفورت أم ماين ويست، على مسافة 280  كيلومترًا. وبفضل خبرته التي اكتسبها أثناء عمله مع جان هايل مان في تصميم القاطرات البخارية الكهربائية، لاحظ براون أن المحركات ثلاثية الأطوار تتمتع بنسبة قدرة إلى وزن أعلى من محركات التيار المستمر ، وبسبب عدم وجود مبدل ، كانت أسهل في التصنيع والصيانة. ^{[ i ]} ومع ذلك، كانت هذه المحركات أكبر بكثير من محركات التيار المستمر في ذلك الوقت، ولم يكن من الممكن تركيبها في عربات تحت أرضية القاطرة ، بل كان لا بد من حملها داخل هياكل القاطرات. ^{[ 13 ]} في عام 1896، قامت شركة أورليكون بتركيب أول نموذج تجاري لهذا النظام على خط ترام لوغانو . كانت كل قاطرة تزن 30 طنًا مزودة بمحركين بقوة 110 كيلوواط (150 حصانًا) يعملان بتيار ثلاثي الأطوار 750 فولت 40 هرتز، موصولين بخطوط علوية مزدوجة. تعمل المحركات ثلاثية الأطوار بسرعة ثابتة وتوفر كبحًا متجددًا ، مما يجعلها مناسبة تمامًا للطرق شديدة الانحدار. في عام 1899، زودت شركة براون (التي كانت آنذاك شريكة مع والتر بوفيري ) خط سكة حديد بورغدورف-ثون، الذي يبلغ طوله 40 كيلومترًا (أعلى نقطة فيه 770 مترًا)، في سويسرا، بأول قاطرات ثلاثية الأطوار للخط الرئيسي . أما أول تطبيق لتزويد القاطرات بتيار متردد أحادي الطور بتردد صناعي، فقد جاء من شركة أورليكون في عام 1901، باستخدام تصميمات هانز بين-إشنبورغ وإميل هوبر-ستوكر . اكتمل تركيبها على خط سيباخ-فيتينجن التابع للسكك الحديدية الفيدرالية السويسرية في عام 1904. استخدمت القاطرات التي تعمل بجهد 15 كيلو فولت وتردد 50 هرتز وقدرة 345 كيلو واط (460 حصان) ووزن 48 طنًا محولات كهربائية ومحولات دوارة لتشغيل محركات الجر بالتيار المستمر. ^{[ 14 ]}          

في عام 1894، طوّر المهندس المجري كالمان كاندو نوعًا جديدًا من محركات ومولدات القيادة الكهربائية غير المتزامنة ثلاثية الأطوار للقاطرات الكهربائية في شركة فايف-ليل . طُبّقت تصاميم كاندو المبكرة لعام 1894 لأول مرة في خط ترام قصير ثلاثي الأطوار يعمل بالتيار المتردد في إيفيان ليه بان (فرنسا)، والذي شُيّد بين عامي 1896 و1898. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} في عام 1918، ^{[ 20 ]} اخترع كاندو وطوّر محوّل الطور الدوار ، مما مكّن القاطرات الكهربائية من استخدام محركات ثلاثية الأطوار مع تزويدها بالتيار عبر سلك علوي واحد، يحمل  التيار المتردد أحادي الطور بتردد صناعي بسيط (50 هرتز) لشبكات الجهد العالي الوطنية. ^{[ 21 ]}

كانت السكك الحديدية الإيطالية أول من أدخل نظام الجر الكهربائي على طول خط رئيسي كامل، بدلاً من جزء قصير منه فقط.  افتُتح خط فالتيلينا، الذي يبلغ طوله 106 كيلومترات، في 4 سبتمبر 1902، وقد صممه كاندو وفريق من مصانع غانز . ^{[ 22 ] [ 21 ]} كان النظام الكهربائي ثلاثي الأطوار بجهد 3  كيلوفولت وتردد 15  هرتز. كان الجهد أعلى بكثير من الجهد المستخدم سابقًا، مما استلزم تصميمات جديدة للمحركات الكهربائية وأجهزة التحويل. ^{[ 23 ] [ 24 ]} استُخدم نظام الأسلاك الثنائية ثلاثي الأطوار في العديد من خطوط السكك الحديدية في شمال إيطاليا، وأصبح يُعرف باسم "النظام الإيطالي". دُعي كاندو في عام 1905 لتولي إدارة شركة سوسيتاتا إيتاليانا ويستنغهاوس، وقاد تطوير العديد من القاطرات الكهربائية الإيطالية. ^{[ 23 ]} خلال فترة كهربة السكك الحديدية الإيطالية، أُجريت اختبارات لتحديد نوع الطاقة الأنسب: في بعض الأقسام، استُخدم تيار ثلاثي الأطوار بجهد 3600 فولت وتردد 16 ± 2/3 هرتز، وفي أقسام أخرى استُخدم تيار مستمر بجهد 1500  فولت ، وتيار مستمر بجهد 3 كيلو فولت ، وتيار متردد بجهد 10 كيلو فولت وتردد 45 هرتز. بعد الحرب العالمية الثانية، تم اختيار تيار مستمر بجهد 3 كيلو فولت لشبكة السكك الحديدية الإيطالية بأكملها. ^{[ 25 ]}          

كان من بين التطورات اللاحقة التي قام بها كاندو، بالتعاون مع كل من مصانع غانز وشركة سوسيتاتا إيتاليانا ويستنغهاوس ، محول كهروميكانيكي ، يسمح باستخدام محركات ثلاثية الطور من تيار متردد أحادي الطور، مما يلغي الحاجة إلى سلكين علويين. ^{[ 26 ]} في عام 1923، تم بناء أول قاطرة مزودة بمحول طور في المجر بناءً على تصاميم كاندو، وبدأ الإنتاج التسلسلي بعد ذلك بوقت قصير. تم تركيب أول نظام، بجهد 16  كيلوفولت وتردد 50  هرتز، في عام 1932 على  امتداد 56 كيلومترًا من خط سكة حديد الدولة المجرية بين بودابست وكوماروم . وقد أثبت هذا النظام نجاحه، وتم تمديد خط الكهرباء إلى هيغيشالوم في عام 1934. ^{[ 27 ]}

في أوروبا، ركزت مشاريع كهربة السكك الحديدية في البداية على المناطق الجبلية لعدة أسباب: صعوبة الحصول على إمدادات الفحم، وتوفر الطاقة الكهرومائية بسهولة، وقدرة القاطرات الكهربائية على توفير قوة جر أكبر على الخطوط الأكثر انحدارًا. وينطبق هذا بشكل خاص على سويسرا، حيث تم تزويد جميع الخطوط تقريبًا بالكهرباء. وكان للشركة الوطنية الفرنسية للسكك الحديدية (SNCF) إسهام هام في التوسع في استخدام نظام الجر بالتيار المتردد بعد الحرب العالمية الثانية . فقد قيّمت الشركة خط التيار المتردد ذي التردد الصناعي الممتد عبر وادي هولينتال شديد الانحدار في ألمانيا، والذي كان تحت الإدارة الفرنسية بعد الحرب. وبعد إجراء التجارب، قررت الشركة أن أداء قاطرات التيار المتردد قد تطور بما يكفي للسماح بأن تكون جميع منشآتها المستقبلية، بغض النظر عن التضاريس، على هذا المستوى، مع ما يرتبط به من بنية تحتية أرخص وأكثر كفاءة. ^{[ 28 ]} وكان لقرار شركة SNCF، الذي تجاهل 3200 كيلومتر من خطوط التيار المستمر عالية الجهد المثبتة بالفعل على الخطوط الفرنسية، تأثير كبير في اختيار المعيار للدول الأوروبية الأخرى. ^{[ 28 ]} 

شهدت ستينيات القرن العشرين كهربة العديد من خطوط السكك الحديدية الرئيسية في أوروبا. وقد شهدت تكنولوجيا القاطرات الكهربائية الأوروبية تحسناً مطرداً منذ عشرينيات القرن العشرين. فعلى سبيل المثال، كان وزن قاطرة ميلووكي رود من فئة EP-2 (1918) 240  طناً، بقوة 3330  كيلوواط وسرعة قصوى تبلغ 112 كم/ساعة؛ وفي عام 1935، بلغت قوة القاطرة  الألمانية E 18  2800 كيلوواط، لكن وزنها لم يتجاوز 108 أطنان، وسرعتها القصوى 150  كم/ساعة. وفي 29 مارس 1955، وصلت سرعة القاطرة الفرنسية CC 7107 إلى 331  كم/ساعة. وفي عام 1960، حققت قاطرات SJ من فئة Dm 3 على خطوط السكك الحديدية السويدية رقماً قياسياً بلغ 7200  كيلوواط. وفي الفترة نفسها، ظهرت قاطرات قادرة على خدمة نقل الركاب التجارية بسرعة 200  كم/ساعة في ألمانيا وفرنسا. وقد نتجت تحسينات أخرى عن إدخال أنظمة التحكم الإلكترونية، مما سمح باستخدام محركات أخف وزناً وأكثر قوة يمكن تركيبها داخل العربات (مع توحيد المعايير من التسعينيات فصاعدًا على المحركات غير المتزامنة ثلاثية الأطوار، التي يتم تغذيتها من خلال محولات GTO).

في ثمانينيات القرن العشرين، أدى تطوير خدمات القطارات فائقة السرعة إلى زيادة استخدام الكهرباء. وكان قطار شينكانسن الياباني وقطار تي جي في الفرنسي أول نظامين تُبنى لهما خطوط مخصصة للقطارات فائقة السرعة من الصفر. ونُفذت برامج مماثلة في إيطاليا وألمانيا وإسبانيا ؛ أما في الولايات المتحدة ، فكانت خدمة الخطوط الرئيسية الجديدة الوحيدة هي امتداد شبكة الكهرباء عبر الممر الشمالي الشرقي من نيو هيفن، كونيتيكت ، إلى بوسطن، ماساتشوستس ، على الرغم من استمرار بناء أنظمة جديدة للسكك الحديدية الكهربائية الخفيفة .

في 2 سبتمبر 2006، حققت قاطرة كهربائية من طراز يوروسبرينتر ES64-U4 ( ÖBB Class 1216)، وهي قاطرة إنتاج قياسية من سيمنز، سرعة 357 كم/ساعة (222 ميل/ساعة) ، مسجلةً بذلك رقماً قياسياً جديداً لقطار تجره قاطرة، على الخط الجديد بين إنغولشتات ونورمبرغ. ^{[ 29 ]} وتستخدم شركة السكك الحديدية النمساوية (ÖBB) هذه القاطرة حالياً، دون تعديلات تُذكر، لجرّ قطارها "ريل جيت" ، الذي تقتصر سرعته القصوى على 230 كم/ساعة لأسباب اقتصادية وأخرى تتعلق بالبنية التحتية.   

يكمن الاختلاف الأساسي في اختيار التيار المتردد أو التيار المستمر. استخدمت الأنظمة الأولى التيار المستمر، نظرًا لعدم فهم التيار المتردد جيدًا وعدم توفر مواد العزل لخطوط الجهد العالي. تعمل قاطرات التيار المستمر عادةً بجهد منخفض نسبيًا (من 600 إلى 3000 فولت)؛ ولذلك، يكون حجم المعدات كبيرًا نسبيًا لأن التيارات المستخدمة عالية لنقل الطاقة الكافية. يجب تزويد الطاقة على فترات متقاربة لأن التيارات العالية تؤدي إلى خسائر كبيرة في نظام النقل.

مع تطور محركات التيار المتردد، أصبحت النوع السائد، لا سيما على الخطوط الطويلة. تُستخدم الفولتية العالية (عشرات الآلاف من الفولتات) لأنها تسمح باستخدام تيارات منخفضة؛ إذ تتناسب خسائر النقل طرديًا مع مربع التيار (على سبيل المثال، ضعف التيار يعني أربعة أضعاف الخسارة). وبالتالي، يمكن نقل طاقة عالية لمسافات طويلة باستخدام أسلاك أخف وزنًا وأقل تكلفة. تقوم المحولات في القاطرات بتحويل هذه الطاقة إلى فولتية منخفضة وتيار عالٍ لتشغيل المحركات. ^{[ 30 ]} لا يمكن استخدام نظام مماثل ذي فولتية عالية وتيار منخفض مع قاطرات التيار المستمر، لعدم وجود طريقة سهلة لتحويل الفولتية/التيار للتيار المستمر بكفاءة تضاهي كفاءة محولات التيار المتردد.

لا تزال أنظمة الجر بالتيار المتردد تستخدم أحيانًا أسلاكًا علوية مزدوجة بدلًا من الخطوط أحادية الطور. يُشغّل التيار ثلاثي الأطوار الناتج محركات حثية ، لا تحتوي على مبدلات حساسة ، مما يُسهّل تطبيق مكابح التجديد . تُتحكم السرعة بتغيير عدد أزواج الأقطاب في دائرة الجزء الثابت، بينما يُتحكم بالتسارع بإضافة مقاومات أو إزالتها من دائرة الجزء الدوار. تُعدّ الخطوط ثنائية الطور ثقيلة ومعقدة بالقرب من نقاط التحويل، حيث تتقاطع الأطوار. استُخدم هذا النظام على نطاق واسع في شمال إيطاليا حتى عام 1976، ولا يزال يُستخدم في بعض خطوط السكك الحديدية السويسرية المسننة . تُعدّ سهولة تطبيق مكابح كهربائية آمنة عند الأعطال ميزةً للنظام، بينما يُشكّل التحكم بالسرعة والخطوط ثنائية الطور تحديات.

كانت قاطرات المقوم ، التي تستخدم نقل الطاقة بالتيار المتردد ومحركات التيار المستمر، شائعة، على الرغم من أن مبدلات التيار المستمر كانت تعاني من مشاكل في بدء التشغيل وعند السرعات المنخفضة. أما قاطرات اليوم الكهربائية المتطورة فتستخدم محركات حثية ثلاثية الأطوار عديمة الفرش تعمل بالتيار المتردد . وتُغذى هذه المحركات متعددة الأطوار بواسطة محولات تعتمد على تقنية GTO أو IGCT أو IGBT . وقد تصل تكلفة الأجهزة الإلكترونية في القاطرة الحديثة إلى 50% من تكلفة المركبة.

يُتيح الجر الكهربائي استخدام الكبح التجديدي، حيث تُستخدم المحركات كمكابح وتُصبح مولدات تُحوّل حركة القطار إلى طاقة كهربائية تُعاد تغذيتها إلى خطوط السكك الحديدية. يُعدّ هذا النظام مفيدًا بشكل خاص في المناطق الجبلية، إذ يُمكن للقاطرات الهابطة توليد جزء كبير من الطاقة اللازمة للقطارات الصاعدة. تتميز معظم الأنظمة بجهد كهربائي مميز، وفي حالة التيار المتردد، بتردد نظام محدد. وقد جُهّزت العديد من القاطرات للتعامل مع جهود وترددات متعددة مع تداخل الأنظمة أو تحديثها. على سبيل المثال، جُهّزت قاطرات FL9 الأمريكية للتعامل مع الطاقة من نظامين كهربائيين مختلفين، كما كان بإمكانها العمل كقاطرات ديزل-كهربائية.

بينما تعمل أنظمة اليوم بشكل أساسي على التيار المتردد، لا تزال العديد من أنظمة التيار المستمر قيد الاستخدام - على سبيل المثال، في جنوب إفريقيا والمملكة المتحدة ( 750 فولت و1500 فولت)؛ هولندا واليابان وأيرلندا (1500 فولت)؛ سلوفينيا وبلجيكا وإيطاليا وبولندا وروسيا وإسبانيا ( 3000 فولت) وواشنطن العاصمة ( 750 فولت).

تتطلب الدوائر الكهربائية وصلتين (أو ثلاث وصلات في حالة التيار المتردد ثلاثي الأطوار). منذ البداية، استُخدم السكة الحديدية لتغذية جانب واحد من الدائرة. على عكس نماذج السكك الحديدية، تُغذي السكة الحديدية عادةً جانبًا واحدًا فقط، بينما يُغذى الجانب الآخر (أو الجوانب الأخرى) من الدائرة بشكل منفصل.

خلال المراحل الأولى لتطوير أنظمة الدفع الكهربائي للسكك الحديدية، تم ابتكار العديد من أنظمة الدفع لربط خرج محركات الجر بالعجلات. غالبًا ما استخدمت القاطرات الأولى نظام الدفع بعمود وسيط . في هذا النظام، يُركّب محرك الجر داخل هيكل القاطرة، ويُدير العمود الوسيط عبر مجموعة من التروس. استُخدم هذا النظام لأن محركات الجر الأولى كانت كبيرة الحجم وثقيلة الوزن بحيث لا يمكن تركيبها مباشرة على المحاور. ونظرًا لكثرة الأجزاء الميكانيكية، كانت الصيانة الدورية ضرورية. تم التخلي عن نظام الدفع بعمود وسيط في جميع القاطرات باستثناء أصغرها حجمًا، وذلك عند تطوير محركات أصغر حجمًا وأخف وزنًا.

مع تطور القاطرة الكهربائية، تم ابتكار العديد من الأنظمة الأخرى. كان نظام بوخلي نظامًا زنبركيًا بالكامل، حيث كان وزن محركات القيادة منفصلًا تمامًا عن عجلات القيادة. استُخدم نظام بوخلي لأول مرة في القاطرات الكهربائية منذ عشرينيات القرن الماضي، وكان يُستخدم بشكل رئيسي من قبل شركة السكك الحديدية الفرنسية (SNCF) والسكك الحديدية الفيدرالية السويسرية . كما طُوّر نظام الدفع المحوري في نفس الفترة تقريبًا، حيث تم تركيب محرك الجر فوق المحور أو بجانبه، وربطه بالمحور من خلال علبة تروس تخفيض السرعة وعمود مجوف - يُعرف باسم "المحور" - متصل بمرونة بمحور القيادة. استخدمت قاطرة GG1 التابعة لسكك حديد بنسلفانيا نظام الدفع المحوري. ومع استمرار انخفاض حجم ووزن محركات الجر، تراجع استخدام نظام الدفع المحوري تدريجيًا في قاطرات الشحن منخفضة السرعة. أما في قاطرات الركاب عالية السرعة المستخدمة في أوروبا، فلا يزال نظام الدفع المحوري هو السائد.

كان هناك نظام آخر للدفع يُعرف بنظام " ثنائي القطب "، حيث كان محور المحرك هو نفسه عضوه الدوار، بينما كان هيكل المحرك ومجموعة المجال المغناطيسي مثبتين على العربة (البوجي) في وضع ثابت. يحتوي المحرك على قطبين مغناطيسيين، مما يسمح بحركة رأسية محدودة للعضو الدوار. كان هذا النظام محدود الفائدة نظرًا لمحدودية قدرة كل محرك. وقد عالجت أنظمة EP-2 الكهربائية ثنائية القطب، التي استخدمتها شركة ميلووكي رود، هذه المشكلة باستخدام عدد كبير من المحاور المُحركة.

تستخدم قاطرات الشحن الكهربائية الحديثة، مثل نظيراتها التي تعمل بالديزل والكهرباء ، محركات جر معلقة على المحاور، حيث يوجد محرك واحد لكل محور مُحرك. في هذا التصميم، يُدعم أحد جانبي غلاف المحرك بمحامل بسيطة تتحرك على محور مصقول ومدمج مع المحور. أما الجانب الآخر من الغلاف فيحتوي على نتوء على شكل لسان يتعشق مع فتحة مماثلة في دعامة العربة (البوجي)، ووظيفته هي العمل كجهاز رد فعل لعزم الدوران، بالإضافة إلى الدعم. يتم نقل الطاقة من المحرك إلى المحور بواسطة تروس حلزونية ، حيث يتعشق ترس صغير على عمود المحرك مع ترس كبير على المحور. كلا الترسين مُغلفان في غلاف محكم الإغلاق يحتوي على زيت تشحيم. يحدد نوع الخدمة التي تُستخدم فيها القاطرة نسبة التروس المستخدمة. تُستخدم النسب العالية عادةً في وحدات الشحن، بينما تُستخدم النسب المنخفضة عادةً في قاطرات الركاب.

لا يُعدّ نظام وايت لتصنيف قاطرات البخار كافيًا لوصف تنوّع ترتيبات قاطرات الكهرباء، على الرغم من أن سكة حديد بنسلفانيا طبّقت فئات على قاطراتها الكهربائية كما لو كانت بخارية. فعلى سبيل المثال، تشير فئة PRR GG1 إلى أنها مُرتبة كقاطرتين من فئة G من نوع 4-6-0 موصولتين ظهرًا لظهر.

كان نظام تصنيف UIC يستخدم عادة للقاطرات الكهربائية، لأنه كان بإمكانه التعامل مع الترتيبات المعقدة للمحاور التي تعمل بالطاقة وتلك التي لا تعمل بالطاقة، وكان بإمكانه التمييز بين أنظمة القيادة المقترنة وغير المقترنة.

يتم تشغيل القاطرة الكهربائية التي تعمل بالبطارية (أو القاطرة التي تعمل بالبطارية) بواسطة بطاريات موجودة على متنها؛ وهي نوع من المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية .

تُستخدم هذه القاطرات في الأماكن التي لا تُناسبها القاطرات التي تعمل بالديزل أو القاطرات الكهربائية التقليدية. ومن الأمثلة على ذلك قطارات الصيانة على خطوط السكك الحديدية تحت الأرض عند انقطاع التيار الكهربائي. كما تُستخدم قاطرات البطاريات في المنشآت الصناعية (مثل مصانع المتفجرات، ومصافي النفط والغاز، ومصانع الكيماويات) حيث قد تُسبب القاطرات التي تعمل بالاحتراق (أي البخارية أو التي تعمل بالديزل ) مشكلة تتعلق بالسلامة بسبب مخاطر الحريق أو الانفجار أو الأبخرة في الأماكن المغلقة. وتُفضل قاطرات البطاريات في سكك حديد المناجم حيث يُمكن أن يشتعل الغاز بفعل وحدات العربات التي تُصدر شرارات كهربائية عند نقاط التجميع، أو حيث يُمكن أن تتولد مقاومة كهربائية زائدة في دوائر التغذية أو العودة، خاصةً بسبب ضعف التوصيل عند وصلات السكك الحديدية، مما يسمح بتسرب تيار خطير إلى الأرض. ^{[ 32 ]}

كانت أول قاطرة كهربائية بُنيت عام 1837 قاطرة تعمل بالبطاريات. وقد بناها الكيميائي روبرت ديفيدسون من أبردين في اسكتلندا ، وكانت تعمل بخلايا جلفانية (بطاريات). ومن الأمثلة المبكرة الأخرى منجم كينيكوت للنحاس في مكارثي، ألاسكا ، حيث تم توسيع مسارات النقل تحت الأرض عام 1917 لتمكين تشغيل قاطرتين تعملان بالبطاريات، تزن كل منهما 4.5 طن قصير ( 4.0 طن طويل؛ 4.1 طن متري) . ^{[ 33 ]} وفي عام 1928، طلبت شركة كينيكوت للنحاس أربع قاطرات كهربائية من سلسلة 700 مزودة ببطاريات داخلية. بلغ وزن هذه القاطرات 85 طنًا قصيرًا (76 طنًا طويلًا؛ 77 طنًا متريًا) وكانت تعمل على أسلاك كهربائية علوية بجهد 750 فولت ، مع مدى أطول بكثير عند تشغيلها بالبطاريات. ^{[ 34 ]} خدمت القاطرات لعقود عديدة باستخدام تقنية بطاريات النيكل والحديد (إديسون). استُبدلت البطاريات ببطاريات الرصاص الحمضية ، وأُخرجت القاطرات من الخدمة بعد ذلك بفترة وجيزة. تبرعت القاطرات الأربع للمتاحف، لكن واحدة منها أُخردت. يمكن مشاهدة القاطرتين الأخريين في سكة حديد بون وسينيك فالي في ولاية أيوا، وفي متحف السكك الحديدية الغربية في ريو فيستا، كاليفورنيا.  

كانت هيئة النقل في تورنتو تشغل سابقًا في مترو أنفاق تورنتو قاطرة كهربائية تعمل بالبطارية صنعتها شركة نيبون شارو في عام 1968 وتم إخراجها من الخدمة في عام 2009. ^{[ 35 ]}

تقوم شركة مترو أنفاق لندن بتشغيل قاطرات كهربائية تعمل بالبطاريات بشكل منتظم لأعمال الصيانة العامة.

اعتبارًا من عام 2022^{[ 36 ]}  وقد طلبت شركات السكك الحديدية قاطرات تعمل بالبطاريات بسعة طاقة 7 و14 ميغاواط/ساعة، وهي قيد التطوير. ^{[ 37 ]} وفي عام 2026، يجري اختبار نوعين من قاطرات البطاريات في خطوط سكك حديد التعدين في غرب أستراليا، وهما Wabtec FLXDrive لصالح شركة BHP ^، ونوع آخر بنته شركة Progress Rail لصالح شركة Fortescue .

في ديسمبر 2024، أعلنت سكة حديد غراند كانيون ، التي تُسيّر قطارات رحلات سياحية إلى منتزه غراند كانيون الوطني ، أنها ستُعيد بناء إحدى قاطراتها من طراز EMD F40PH لتصبح قاطرة كهربائية تعمل بالبطارية بهدف خفض انبعاثات الديزل وتكاليف الصيانة. ^{[ 38 ]} وفي يناير 2026، أعلنت سكة حديد وادي كياهوغا ذات المناظر الخلابة، التي تُسيّر رحلات عبر منتزه وادي كياهوغا الوطني ، بالمثل أنها ستُعيد بناء اثنتين من قاطراتها من طراز MLW FPA-4 لتصبحا قاطرات كهربائية تعمل بالبطارية. ^{[ 39 ]}

في عام 2020، أعلنت شركة تشوتشو للقاطرات الكهربائية ، وهي شركة مصنعة لأنظمة تخزين الطاقة الكهربائية باستخدام المكثفات الفائقة التي تم تطويرها في الأصل للاستخدام في الترام ، أنها توسع خط إنتاجها ليشمل القاطرات. ^{[ 40 ]}

تنتشر الكهرباء على نطاق واسع في أوروبا، حيث تُستخدم القطارات الكهربائية متعددة الوحدات بشكل شائع لنقل الركاب. ونظرًا لارتفاع كثافة جداول الرحلات، تُهيمن تكاليف التشغيل على تكاليف البنية التحتية مقارنةً بالولايات المتحدة، كما أن تكاليف تشغيل القاطرات الكهربائية أقل بكثير من تكاليف تشغيل قاطرات الديزل. إضافةً إلى ذلك، دفعت الحكومات إلى كهربة شبكات السكك الحديدية لديها بسبب نقص الفحم الذي شهدته خلال الحربين العالميتين الأولى والثانية.

تتمتع قاطرات الديزل بقدرة أقل مقارنةً بالقاطرات الكهربائية ذات الوزن والأبعاد نفسها. فعلى سبيل المثال، كانت قاطرة الديزل  الحديثة من الفئة 66 التابعة لسكك حديد بريطانيا، والتي تبلغ قدرتها 2200 كيلوواط ، تُعادل في عام 1927 قاطرة كهربائية من طراز SBB-CFF-FFS Ae 4/7 (بقدرة 2300  كيلوواط)، وهي أخف وزنًا. ومع ذلك، عند السرعات المنخفضة، تُعدّ قوة الجر أهم من القدرة. يمكن لمحركات الديزل أن تكون منافسة لحركة الشحن البطيئة (كما هو شائع في كندا والولايات المتحدة)، ولكنها ليست كذلك لحركة الركاب أو حركة الركاب/الشحن المختلطة كما هو الحال في العديد من خطوط السكك الحديدية الأوروبية، خاصةً حيث يجب تشغيل قطارات الشحن الثقيلة بسرعات عالية نسبيًا (80  كم/ساعة أو أكثر).

أدت هذه العوامل إلى ارتفاع معدلات استخدام الكهرباء في معظم الدول الأوروبية. في بعض الدول، مثل سويسرا، باتت قاطرات المناورة الكهربائية شائعة، كما تخدم العديد من خطوط السكك الحديدية الخاصة قاطرات كهربائية. خلال الحرب العالمية الثانية ، عندما لم تكن المواد اللازمة لبناء قاطرات كهربائية جديدة متوفرة، قامت السكك الحديدية الفيدرالية السويسرية بتركيب عناصر تسخين كهربائية في غلايات بعض قاطرات المناورة البخارية ، التي تتغذى من خطوط التغذية العلوية، لمواجهة نقص الفحم المستورد. ^{[ 41 ] [ 42 ]}

أدت التطورات السياسية الأخيرة في العديد من الدول الأوروبية، والتي تهدف إلى تعزيز النقل العام، إلى دعم إضافي للقطارات الكهربائية. إضافةً إلى ذلك، يجري العمل على سدّ الفجوات في المسارات غير المكهربة لتجنب استبدال القاطرات الكهربائية بقاطرات الديزل في هذه الأجزاء. وقد أصبح التحديث والكهرباء اللازمان لهذه الخطوط ممكنين بفضل تمويل الدولة للبنية التحتية للسكك الحديدية.

تم تقديم وحدات القطارات الكهربائية البريطانية المتعددة لأول مرة في تسعينيات القرن التاسع عشر، وتوفر الإصدارات الحالية النقل العام، وهناك أيضًا عدد من فئات القاطرات الكهربائية، مثل: الفئة 76 ، والفئة 86 ، والفئة 87 ، والفئة 90 ، والفئة 91 ، والفئة 92 .

تعتمد روسيا ودول أخرى من الاتحاد السوفيتي السابق على مزيج من التيار المستمر 3000  فولت والتيار المتردد 25  كيلو فولت لأسباب تاريخية.

تتميز "محطات التقاطع" الخاصة (حوالي 15 محطة في أنحاء الاتحاد السوفيتي السابق - فلاديمير ، مارينسك بالقرب من كراسنويارسك، إلخ) بأسلاك قابلة للتحويل من التيار المستمر إلى التيار المتردد. ويُعد استبدال القاطرات أمرًا ضروريًا في هذه المحطات ويتم تنفيذه بالتزامن مع عملية تحويل أسلاك التوصيل.

معظم القاطرات السوفيتية والتشيكية (حيث طلب الاتحاد السوفيتي قاطرات كهربائية لنقل الركاب من شركة سكودا ) والروسية والأوكرانية تعمل بنظام التيار المتردد أو التيار المستمر فقط. على سبيل المثال، القاطرة VL80 تعمل بنظام التيار المتردد، بينما تعمل VL10 بنظام التيار المستمر. كانت هناك بعض النماذج التجريبية الصغيرة، مثل VL82، التي كانت قادرة على التحويل بين التيار المتردد والتيار المستمر، وقد استُخدمت بأعداد قليلة حول مدينة خاركيف في أوكرانيا ، حيث لا توجد محطات تحويل على العديد من الخطوط. كذلك، فإن أحدث قاطرة ركاب روسية ، EP20 ، وسلفها التجريبي EP10، تعملان بنظام مزدوج.

 تاريخياً، استُخدم تيار مستمر بجهد 3000 فولت لتبسيط العملية. كان أول خط تجريبي في جبال جورجيا، ثم جرى تزويد المناطق الضواحي لأكبر المدن بالكهرباء لتشغيل القطارات الكهربائية متعددة الوحدات (EMUs) - وهو أمر بالغ الأهمية نظراً لديناميكية هذا النوع من القطارات الأفضل بكثير مقارنةً بالقطارات البخارية، وهو أمر مهم لخدمة الضواحي ذات التوقفات المتكررة. بعد ذلك ، جرى تزويد خط السكة الحديد الجبلي الكبير بين أوفا وتشيلابينسك بالكهرباء.

لفترة من الزمن، كان يُنظر إلى السكك الحديدية الكهربائية على أنها مناسبة فقط للخطوط الضواحي أو الجبلية. وفي حوالي عام 1950، اتُخذ قرار (بحسب الروايات، من قِبل جوزيف ستالين ) بتزويد خط السكة الحديدية ذي الحمل العالي بين أومسك ونوفوسيبيرسك بالكهرباء . بعد ذلك، أصبح تزويد خطوط السكك الحديدية الرئيسية بالكهرباء بجهد 3000 فولت تيار مستمر أمرًا شائعًا.

بدأ استخدام التيار المتردد بجهد 25 كيلوفولت في الاتحاد السوفيتي حوالي عام 1960، عندما تمكنت الصناعة من بناء قاطرة تعمل بمحرك تيار مستمر ذي أسلاك متناوبة (كانت جميع قاطرات التيار المتردد السوفيتية والتشيكية من هذا النوع؛ فقط القاطرات التي ظهرت بعد الحقبة السوفيتية تحولت إلى محركات حثية يتم التحكم فيها إلكترونيًا). كان أول خط رئيسي يعمل بالتيار المتردد هو خط مارينسك-كراسنويارسك-تايشيت-زيما؛ وتلته خطوط أخرى في روسيا الأوروبية مثل خط موسكو-روستوف-نا-دونو.

في تسعينيات القرن الماضي، أُعيد بناء بعض خطوط السكك الحديدية التي تعمل بالتيار المستمر لتصبح خطوطًا تعمل بالتيار المتردد، وذلك لإتاحة استخدام قاطرة VL85 الضخمة التي تعمل بالتيار المتردد بقدرة 10 ميغاواط. ويُعدّ الخط المحيط بمدينة إيركوتسك أحد هذه الخطوط. وقد نُقلت قاطرات التيار المستمر التي أُتيحت بفضل عملية إعادة البناء هذه إلى منطقة سانت بطرسبرغ.

تم تزويد خط سكة حديد ترانس -سيبيريا بالكهرباء جزئياً منذ عام 1929، وبشكل كامل منذ عام 2002. ويعمل النظام بتيار متردد 25 كيلو فولت بتردد 50  هرتز بعد محطة مارينسك بالقرب من كراسنويارسك، وبتيار مستمر 3000 فولت قبلها، وتصل أوزان القطارات إلى 6000 طن. ^{[ 43 ]}

قامت سكك حديد فيكتوريا وسكك حديد حكومة نيو ساوث ويلز ، اللتان كانتا رائدتين في مجال الجر الكهربائي في أستراليا في أوائل القرن العشرين، ولا تزالان تشغلان وحدات كهربائية متعددة تعمل بجهد 1500 فولت تيار مستمر ، بسحب قاطراتهما الكهربائية.

في كلتا الولايتين، أثبت استخدام القاطرات الكهربائية على خطوط السكك الحديدية الرئيسية بين المدن نجاحًا جزئيًا. ففي ولاية فيكتوريا، ولأن خط جيبسلاند فقط هو الذي تم تزويده بالكهرباء، لم تتحقق المزايا الاقتصادية للجر الكهربائي بالكامل نظرًا للحاجة إلى تغيير القاطرات للقطارات التي تسير خارج الشبكة المكهربة. وقد تم سحب قاطرات الفئة L التابعة لسكك حديد فيكتوريا من الخدمة بحلول عام 1987، ^{[ 60 ]} وتم تفكيك نظام كهربة خط جيبسلاند بحلول عام 2004. ^{[ 61 ]}

كان عمر قاطرات الفئة 86 من نيو ساوث ويلز، التي تم إدخالها إلى نيو ساوث ويلز في عام 1983، قصيراً نسبياً، وذلك بسبب تكلفة صيانة البنية التحتية، والحاجة إلى تغيير القاطرات في أطراف الشبكة المكهربة، وارتفاع الرسوم المفروضة على الكهرباء، مما أدى إلى تولي قاطرات الديزل خدمة الشبكة المكهربة. ^{[ 62 ]}

بدأت شركة سكك حديد كوينزلاند بتطبيق نظام الكهرباء في ثمانينيات القرن الماضي، وتستخدم تقنية التيار المتردد 25 كيلوفولت الأحدث، حيث تم تزويد حوالي 1000  كيلومتر من شبكة السكك الحديدية الضيقة بالكهرباء. وتشغل الشركة أسطولاً من القاطرات الكهربائية لنقل الفحم للتصدير، أحدثها قاطرات الفئة 3300/3400  بقدرة 3000 كيلوواط (4020 حصان) . ^{[ 63 ]}