قاطرة

تُشغَّل قاطرات الديزل بمحركات الديزل . في بدايات تطوير أنظمة الدفع بالديزل، استُخدمت أنظمة نقل حركة متنوعة بنجاح متفاوت، وكان النقل الكهربائي الأكثر شيوعًا. في عام 1914، طوّر هيرمان ليمب ، مهندس الكهرباء في شركة جنرال إلكتريك ، نظام تحكم كهربائي موثوقًا به يعمل بالتيار المستمر ، وحصل على براءة اختراع له (كما حصل ليمب على براءات اختراع لتحسينات لاحقة). ^{[ 19 ]} استخدم تصميم ليمب ذراعًا واحدًا للتحكم في كل من المحرك والمولد بشكل متناسق. وكان هذا التصميم النموذج الأولي لجميع أنظمة التحكم في قاطرات الديزل الكهربائية . في عامي 1917 و1918، أنتجت شركة جنرال إلكتريك ثلاث قاطرات ديزل كهربائية تجريبية باستخدام تصميم ليمب للتحكم. ^{[ 20 ]} في عام 1924، بدأت قاطرة ديزل كهربائية ( E ^el 2 ، رقمها الأصلي Юэ 001/Yu-e 001) العمل. صُممت هذه القاطرة من قبل فريق بقيادة يوري لومونوسوف، وبُنيت في الفترة ما بين عامي 1923 و1924 في مصنع ماشينينفابريك إسلينغن في ألمانيا. كانت مزودة بخمسة محاور قيادة (1'E1'). بعد عدة رحلات تجريبية، قامت بجر القطارات لما يقرب من ثلاثة عقود، من عام 1925 إلى عام 1954. ^{[ 21 ]}

كانت أنظمة التيار المستمر هي الأنظمة الأولى . وقدّم فيرنر فون سيمنز أول قطار ركاب كهربائي في برلين عام 1879. كانت القاطرة تعمل بمحرك  كهربائي ذي ملفات متسلسلة بقدرة 2.2 كيلوواط، ووصلت سرعة القطار، المؤلف من القاطرة وثلاث عربات، إلى 13  كم/ساعة. وخلال أربعة أشهر، نقل القطار 90,000 راكب على مسار دائري طوله 300 متر (980 قدمًا) . وكان يتم 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-ليشتينفيلد وسكة حديد برلين ). وافتُتح خط سكة حديد فولكس الكهربائي عام 1883 في برايتون، وهو أقدم خط سكة حديد كهربائي لا يزال قائمًا. وفي عام 1883 أيضاً، افتُتح خط ترام مودلينغ وهينتربرول بالقرب من فيينا، النمسا. وكان أول خط ترام في العالم يعمل بانتظام، ويُغذّى بواسطة خط كهربائي علوي. وبعد خمس سنوات، في الولايات المتحدة، وتحديداً في عام 1888، تم استخدام عربات الترام الكهربائية لأول مرة على خط سكة حديد ريتشموند يونيون للركاب ، باستخدام معدات صممها فرانك ج. سبراغ . ^{[ 23 ]}

كان خط سكة حديد مدينة وجنوب لندن أول خط مترو أنفاق يعمل بالكهرباء ، وذلك بفضل بند في قانون إنشائه يحظر استخدام الطاقة البخارية. ^{[ 24 ]} افتُتح الخط عام 1890، باستخدام قاطرات كهربائية من صنع شركة ماثر آند بلات . وسرعان ما أصبحت الكهرباء مصدر الطاقة المفضل لمترو الأنفاق، مدعومةً باختراع سبراغ لنظام التحكم في القطارات متعددة الوحدات عام 1897.

كان أول استخدام للكهرباء على خط رئيسي في امتداد بطول أربعة أميال من خط بالتيمور بيلت التابع لشركة 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. استُخدمت في البداية ثلاث وحدات Bo+Bo في الطرف الجنوبي من القسم المُكهرب؛ حيث كانت تُربط بالقاطرة والقطار وتسحبهما عبر الأنفاق. ^{[ 25 ]}

استُخدم التيار المستمر في الأنظمة السابقة، ثم حلّ التيار المتردد محلها تدريجياً. واليوم، تستخدم جميع خطوط السكك الحديدية الرئيسية تقريباً أنظمة التيار المتردد. أما أنظمة التيار المستمر فتقتصر في الغالب على وسائل النقل الحضري، مثل أنظمة المترو والقطارات الخفيفة والترام، حيث تكون متطلبات الطاقة أقل.

صُممت أول قاطرة كهربائية عملية تعمل بالتيار المتردد على يد تشارلز براون ، الذي كان يعمل آنذاك لدى شركة أورليكون في زيورخ. في عام 1891، أثبت براون إمكانية نقل الطاقة لمسافات طويلة باستخدام التيار المتردد ثلاثي الأطوار بين محطة توليد الطاقة الكهرومائية في لاوفن آم نيكار وفرانكفورت آم ماين ويست، على مسافة 280 كيلومترًا. وبفضل خبرته التي اكتسبها أثناء عمله مع جان هايل مان في تصميم القاطرات البخارية الكهربائية، لاحظ براون أن محركات التيار المتردد ثلاثية الأطوار تتمتع بنسبة قدرة إلى وزن أعلى من محركات التيار المستمر ، وبسبب عدم وجود مبدل ، كانت أسهل في التصنيع والصيانة. ^{[ أ ]} ومع ذلك، كانت هذه المحركات أكبر حجمًا بكثير من محركات التيار المستمر في ذلك الوقت، ولم يكن من الممكن تركيبها في عربات أسفل أرضية القاطرة ، بل كان لا بد من حملها داخل هياكل القاطرات. ^{[ 27 ]} 

في عام 1894، طوّر المهندس المجري كالمان كاندو نوعًا جديدًا من محركات ومولدات القيادة الكهربائية غير المتزامنة ثلاثية الأطوار للقاطرات الكهربائية. كانت محركات القيادة الكهربائية غير المتزامنة ثلاثية الأطوار الجديدة أكثر فعالية من المحركات المتزامنة المستخدمة في تصاميم القاطرات السابقة. طُبّقت تصاميم كاندو المبكرة لعام 1894 لأول مرة في خط ترام قصير يعمل بتيار متردد ثلاثي الأطوار في إيفيان ليه بان (فرنسا)، والذي شُيّد بين عامي 1896 و1898. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} في عام 1918، ^{[ 33 ]} اخترع كاندو وطوّر محوّل الطور الدوار ، مما مكّن القاطرات الكهربائية من استخدام محركات ثلاثية الأطوار مع تزويدها بالتيار عبر سلك علوي واحد، يحمل  تيارًا مترددًا أحادي الطور بتردد صناعي بسيط (50 هرتز) لشبكات الجهد العالي الوطنية. ^{[ 34 ]}

في عام 1896، قامت شركة أورليكون بتركيب أول نظام تجاري 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، يتم تغذيتهما من خطوط علوية مزدوجة. تعمل المحركات ثلاثية الأطوار بسرعة ثابتة وتوفر كبحًا متجددًا ، وهي مناسبة تمامًا للطرق شديدة الانحدار. تم توريد أولى القاطرات ثلاثية الأطوار للخطوط الرئيسية من قبل شركة براون (التي كانت آنذاك شريكة مع والتر بوفيري ) في عام 1899 على خط بورغدورف-ثون الذي يبلغ طوله 40 كيلومترًا في سويسرا. جاء أول تطبيق لتزويد القاطرات بتيار متردد أحادي الطور بتردد صناعي 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. ^{[ 35 ]}          

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. ^{[ 36 ] [ 34 ]} 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. ^{[ 37 ] [ 38 ]} 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 لإدارة شركة سوسيتاتا إيتاليانا ويستنغهاوس، وقاد تطوير العديد من القاطرات الكهربائية الإيطالية. ^{[ 37 ]}

القاطرة الكهربائية التي تعمل بالبطارية (أو القاطرة التي تعمل بالبطارية) هي قاطرة كهربائية تعمل ببطاريات داخلية ؛ وهي نوع من المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية .

تُستخدم هذه القاطرات في الأماكن التي لا تُناسبها القاطرات التقليدية التي تعمل بالديزل أو الكهرباء. ومن الأمثلة على ذلك قطارات الصيانة على الخطوط المكهربة عند انقطاع التيار الكهربائي. كما تُستخدم أيضًا في المنشآت الصناعية، حيث قد تُشكل القاطرات التي تعمل بالاحتراق (أي البخار أو الديزل ) خطرًا على السلامة بسبب مخاطر الحريق أو الانفجار أو الأبخرة في الأماكن المغلقة. وتُفضل القاطرات التي تعمل بالبطاريات في المناجم حيث يُمكن أن يشتعل الغاز بفعل وحدات العربات التي تُصدر شرارات كهربائية عند أجهزة التجميع، أو حيث يُمكن أن تتولد مقاومة كهربائية في دوائر التغذية أو العودة، خاصةً عند وصلات السكك الحديدية، مما يسمح بتسرب تيار خطير إلى الأرض. ^{[ 39 ]} يُمكن إعادة شحن القاطرات التي تعمل بالبطاريات في الخدمة على الطرق أثناء امتصاص طاقة الكبح الديناميكي. ^{[ 40 ]}

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 7 أطنان طويلة (7.1 طن متري؛ 7.8 طن قصير)، مزودة بمحركين كهربائيين 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 تزن 6 أطنان طويلة (6.1 طن متري؛ 6.7 طن قصير) بسرعة 6.4 كيلومتر في الساعة ( 4 أميال في الساعة) لمسافة 2.4 كيلومتر (ميل ونصف) . تم اختبارها على خط سكة حديد إدنبرة وغلاسكو في سبتمبر من العام التالي، إلا أن الطاقة المحدودة للبطاريات حالت دون استخدامها على نطاق واسع. ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}    

مثال آخر هو منجم كينيكوت للنحاس في لاتوش، ألاسكا ، حيث تم توسيع ممرات النقل تحت الأرض عام 1917 لتمكين تشغيل قاطرتين تعملان بالبطاريات، وزن كل منهما 4.5 طن قصير (4.1 طن متري؛ 4.0 طن طويل) . ^{[ 44 ]} وفي عام 1928، طلبت شركة كينيكوت للنحاس أربع قاطرات كهربائية من سلسلة 700 مزودة ببطاريات داخلية. بلغ وزن هذه القاطرات 85 طنًا قصيرًا (77 طنًا متريًا؛ 76 طنًا طويلًا) وكانت تعمل على أسلاك كهربائية علوية بجهد 750 فولت، مع مدى أطول بكثير عند تشغيلها بالبطاريات. ^{[ 45 ]} قدمت هذه القاطرات خدماتها لعقود باستخدام تقنية بطاريات النيكل والحديد (إديسون). تم استبدالها لاحقًا ببطاريات الرصاص الحمضية ، وتم إخراج القاطرات من الخدمة بعد ذلك بفترة وجيزة. تم التبرع بالقاطرات الأربع للمتاحف، ولكن تم تفكيك واحدة منها. ويمكن مشاهدة البقية في سكة حديد بون وسينيك فالي في ولاية أيوا، وفي متحف السكك الحديدية الغربية في ريو فيستا، كاليفورنيا. وكانت هيئة النقل في تورنتو تشغل سابقًا قاطرة كهربائية تعمل بالبطارية من صنع شركة نيبون شارو عام 1968، والتي أُخرجت من الخدمة عام 2009. ^{[ 46 ]}  

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

في أوائل خمسينيات القرن العشرين، حصل لايل بورست، من جامعة يوتا، على تمويل من عدة خطوط سكك حديدية ومصنّعين أمريكيين لدراسة جدوى قاطرة كهربائية مزودة بمفاعل نووي داخلي يُنتج البخار لتوليد الكهرباء. في ذلك الوقت، لم تكن الطاقة الذرية مفهومة تمامًا؛ وكان بورست يعتقد أن أكبر مشكلة تكمن في سعر اليورانيوم. في قاطرته الذرية، سيحتوي القسم المركزي على غرفة مفاعل تزن 200 طن قصير (181 طنًا متريًا؛ 179 طنًا طويلًا) وجدران فولاذية بسماكة 1.5 متر (5 أقدام) لمنع تسرب الإشعاع في حال وقوع حادث. وقدّر تكلفة تصنيع القاطرات الذرية بمحركات قوتها 7000 حصان (5.2 ميغاواط) بحوالي 1,200,000 دولار أمريكي للقاطرة الواحدة. ^{[ 47 ]} ونتيجة لذلك، اعتُبرت القطارات المزودة بمولدات نووية داخلية غير مجدية عمومًا بسبب تكلفتها الباهظة.     

في عام ٢٠٠٢، تم عرض أول قاطرة تعدين تعمل بالهيدروجين (خلايا الوقود) بوزن ٣.٦ طن (٤ أطنان قصيرة؛ ٣.٥ أطنان طويلة) وقدرة ١٧ كيلوواط (٢٣ حصانًا) في فال دور ، كيبيك . وفي عام ٢٠٠٧، دخلت السكة الحديدية المائية المصغرة التعليمية الخدمة في كاوهسيونغ ، تايوان . وتُعدّ قاطرة Railpower GG20B مثالًا آخر على القاطرات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود.   

توجد أنواع عديدة من القاطرات الهجينة أو ثنائية الوضع التي تستخدم نوعين أو أكثر من مصادر الطاقة. ومن أكثر القاطرات الهجينة شيوعًا قاطرات الديزل الكهربائية التي تعمل إما بالكهرباء أو بمحرك ديزل داخلي . تُستخدم هذه القاطرات لتوفير رحلات متواصلة على خطوط مكهربة جزئيًا. ومن الأمثلة عليها قاطرة EMD FL9 وقاطرة Bombardier ALP-45DP.