Sähköveturi
Sähköveturi on veturi, joka saa käyttöenergiansa virroittimella rautatien yläpuolella olevasta ajolangasta tai raiteiden vieressä tai välissä sijaitsevasta virtakiskosta. Ajolangasta tai virtakiskosta saatu sähkövirta muutetaan veturin sähkömoottorissa liike-energiaksi, joka siirretään voimansiirtolaitteiden eli yleensä ajomoottorikäyttölaitteen kautta veturin pyöriin.
Suomessa käytetyt sähköveturimallit ovat neuvostovalmisteinen Sr1 ja sveitsiläisvalmisteinen Sr2. VR Group ilmoitti 20. joulukuuta 2013 tekevänsä historiansa suurimman investoinnin (yli 300 milj. euroa) tilaamalla saksalaiselta Siemensiltä 80 uuden tyyppistä Vectron-tuoteperheen sähköveturia. Ne ovat saaneet sarjatunnuksen Sr3. Sarjan viisi ensimmäistä veturia on toimitettu Suomeen vuoden 2016 aikana. Veturit otetaan käyttöön vuosien 2017–2026 välillä ja ne tulevat korvaamaan Sr1-veturit.
Ensimmäinen yritys sähkön käyttämiseksi veturin voimanlähteenä oli Robert Davidsonin Aberdeenissä Skotlannissa vuosina 1837–1838 rakentama sähköveturi ja sen myöhempi parannettu versio, "Galvani". Sähkö saatiin sinkki-rikkihappopareista (Daniellin pari), mutta sekä tällä tavoin saadun sähkön vähäinen määrä että parien hinta olivat esteenä keksinnön laajemmalle käytölle. Galvani oli näytteillä Royal Scottish Society of Artsin näyttelyssä 1841, ja sillä ajettiin koeajoja 1842 Edinburghin ja Glasgowin välisellä rataosuudella. Veturi saavutti nopeuden neljä mailia tunnissa (noin 6,5 km/h), mutta se ei kyennyt kuljettamaan tavaraa tai matkustajia.
Charles Grafton Page rakensi vuonna 1851 Yhdysvalloissa 15 kW tehoisen sähkökäyttöisen vaunun, jonka sähkönlähteenä oli 50-kennoinen paristo. Moottori oli kahden vuorotellen kytkettävän sähkömagneetin välissä edestakaisin liikkuva rautatanko, jonka liike välittyi kiertokangella vetävälle pyöräparille. Vaunu painoi paristoineen 12 tonnia, ja se saavutti koeajossa hetkellisesti nopeuden 31 km/h. Vaunu toimi vain 40 minuutin ajan, jonka jälkeen sähköparit särkyivät.
Dynamon keksiminen 1860-luvulla teki sähköveturin periaatteessa käyttökelpoiseksi, koska sähköä oli sen avulla saatavissa paljon runsaammin ja ratkaisevasti pienemmin kustannuksin. Dynamoa voitiin pyörittää hörykoneella tai vesivoimalla, ja sähkö voitiin johtaa veturiin kiskoja pitkin, jolloin epäkäytännölliset ja raskaat sähköparit voitiin jättää pois.
Werner von Siemens rakensi vuonna 1879 Berliiniin näyttelytarkoitukseen 300 m pitkän kapearaiteisen ympyräradan, jolla pieni sähköveturi veti kolmesta matkustajavaunusta koostuvaa junaa. Veturin teho oli 2,2 kW ja junan nopeus 13 km/h. Sähköjännite oli 150 V tasajännitettä, ja sähkö johdettiin erillistä kiskojen keskellä sijaitsevaa virtakiskoa pitkin. Varsinaiset kiskot toimivat paluuvirtapiirinä. Juna kuljetti Berliinissä neljän kuukauden aikana 90 000 matkustajaa, ja myöhemmin näytöksissä matkustajia myös Brysselissä, Lontoossa, Kööpenhaminassa ja Moskovassa.
Ukrainalaissyntyinen Fjodor Pirotski rakensi 1880 Pietarin raitioteille kilometrin mittaisen sähkökäyttöisen koeosuuden, jonka sähkö tuotettiin Grammen dynamolla. Sähkö johdettiin toista kiskoa pitkin vaunuun ja toista kiskoa pitkin pois. Erillistä virtakiskoa ei ollut. Käyttö kesti kuukauden, mutta ei jäänyt pysyväksi.
Siemens rakensi ensimmäisen pysyvän sähkökäyttöisen raitiotien vuonna 1881 Lichterfeldeen Berliiniin. Rata oli 2,4 km pituinen ja sähkö johdettiin Pirotskin radan tavoin käyttäen molempia kiskoja ilman erillistä virtakiskoa. Käyttöjännite oli 180 V tasajännitettä. Koska ihmiset ja hevoset saivat kiskoista sähköiskuja, vuonna 1893 raitiotie varustettiin nykyaikaiseen tapaan yläpuolisella ajolangalla.
Magnus Volk rakensi 1883 Brightoniin Englantiin Britannian ensimmäisen sähkökäyttöisen radan, Volk’s Electric Railwayn. Sähkö johdettiin tässäkin radassa veturiin molempia kiskoja käyttäen. Radan pituus on 1,64 km, ja se on edelleen käytössä. Samana vuonna avattiin Irlannissa Giant’s Causeway Tramway, jossa käytettiin ensimmäistä kertaa sivussa sijaitsevaa erillistä virtakiskoa. Jännite oli korkeampi kuin aikaisemmissa sovelluksissa, 290–360 V. Samana vuonna avattiin Wienissä Itävallassa Mödlingin ja Hinterbrühlin raitiotie, jolla käytettiin ensimmäistä kertaa radan yläpuolista ilmajohtoa sähkön syöttöön.
Ensimmäinen sähkökäyttöinen maanalainen metro oli Lontoon City and South London Railway, jossa otettiin käyttöön sähköveturit höyryvetureiden tilalle vuonna 1890. Veturien valmistaja oli Mather & Platt ja käyttöjännite 500 V tasajännite.
Varsinaisilla rautateillä sähköveturit tulivat ensimmäistä kertaa pysyvään käyttöön vuonna 1895 Baltimoressa Yhdysvalloissa, missä kuuden kilometrin osuudella Baltimore Belt Linella junat vedettiin sähkövetureilla tunnelien läpi höyryveturien aiheuttamien savuongelmien takia. Sähköistetyn osuuden alussa sähköveturi kytkettiin kiinni junan edessä olevaan höyryveturiin. Tunnelien jälkeen sähköveturi irrotettiin, ja juna jatkoi matkaa höyryvedolla. Virta johdettiin veturiin tunnelin kattoon kiinnitetystä kiinteästä metallitangosta joustavan virroittimen avulla. Jännite oli 675 V tasajännitettä ja veturien teho 1 080 kW.
Ensimmäinen sähkökäyttöinen pitkä rataosuus oli Sveitsissä, 40 km pituinen Burgdorf–Thun-reitti, joka otettiin käyttöön 1899. Sähköistysjärjestelmänä oli 750 V 40 Hz kolmivaiheinen vaihtovirta. Sähköistyksen suunnitteli sveitsiläinen Brown, Boveri & Cie. Vetureissa oli kaksi kolmivaihemoottoria, joiden yhteisteho oli 220 kW. Kolmivaihemoottorit olivat yksinkertaisia, vähän huoltoa vaativia ja käyttövarmoja, mutta ajonopeuden portaaton säätö ei ollut mahdollista ennen sata vuotta myöhemmin kehitettyä tehoelektroniikkaa. Myös liikkeellelähtö oli voimakkaasti nykäisevää. Ajonopeudet olivat kiinteät 18 ja 36 km/h. Järjestelmässä oli kiskojen yläpuolella kaksi erillistä ilmajohtoa ja vetureissa kaksi rinnakkaista virroitinta. Kolmantena johtimena toimivat kiskot.
Seuraava pitkä sähköistetty rataosuus oli Italiassa, 106 km pituinen Ferrovia della Valtellina, joka otettiin käyttöön 1902. Sähköistys oli kolmivaiheinen, ja jännite oli aikaisempia järjestelmiä huomattavasti korkeampi, 3 000 V 15,6 Hz. Sähköistyksen tekninen suunnittelija oli unkarilainen insinööri Kálmán Kandó. Myöhemmin, vuonna 1930, jännite nostettiin 3 600 volttiin ja taajuus 16 2/3 hertsiin.
Ensimmäinen nykyisenkaltaista teknologiaa käyttävä vaihtovirtaveturi otettiin käyttöön vuonna 1905 24 km:n pituisella Murnau–Oberammergau-radalla Etelä-Saksassa. Käyttöjännite oli 5 500 V yksivaiheista vaihtovirtaa ja taajuus 15 Hz. Moottoreina käytettiin yleisvirtamoottoreita. Sähkö johdettiin veturiin ilmajohdolla ja paluuvirta kiskoja pitkin. Ruotsissa insinööri Robert Dahlander tutki vuodesta 1902 lähtien Ruotsin rautatiehallituksen toimeksiannosta sähköveturien käyttöönottoa Ruotsin rautateillä. Hänen johdollaan rakennettiin vuosina 1905-1907 koeradat Tomteboda-Värtan sekä Tukholma-Järfva, joissa tehtyjen perusteellisten kokeilujen ja kustannuslaskelmien perusteella Dahlander päätyi suosittelemaan yksivaiheista vaihtovirtakäyttöä yksikertaisimpana ja huokeimpana ratkaisuna rautateiden sähköistämiseen.
Sveitsin ja Italian välille 1905 valmistuneeseen 20 kilometrin mittaiseen Simplonin tunneliin asennettiin alusta alkaen sähköistys. Sen toteutti Brown, Boveri & Cie omalla kustannuksellaan. Järjestelmäksi valittiin Italiassa jo käyttöön otettu kolmivaiheinen 3 000 V 16 Hz -järjestelmä. Käyttöön vuokrattiin aluksi Valtellina-radalla käytössä olleita 880 kW:n tehoisia unkarilaisvalmisteisia RA 36 -sähkövetureita.
Vuonna 1928 eniten sähköveturikäyttöisiä rataosuuksia oli Sveitsissä, missä 1 666 km (65 %) normaaliraiteisista radoista oli sähköistetty. Toiseksi eniten sähköratoja oli Italiassa, 1 607 km. Saksassa oli lähes yhtä monta sähköistettyä kilometriä kuin Italiassa, mutta laajasta rataverkosta johtuen osuus kaikista radoista oli pieni, vain noin 3 %.
Sähköistyksen edelläkävijöitä oli myös Ruotsi, missä sähköratoja oli vuonna 1928 jo 892 km. Kiirunan ja Narvikin välisellä malmiradalla käytettiin vuodesta 1914 lähtien 1 200 kW:n tehoisia Oa-sähkövetureita. Sähköistysjärjestelmä on Ruotsissa ollut alusta alkaen 15 kV 16 2/3 Hz yksivaiheinen vaihtovirta.
Useimmissa muissa Euroopan maissa suuri osa sähköistyksestä on rakennettu vasta 1950-luvulta alkaen.
Nykyään merkittävä osa Euroopan rataverkosta on sähköistetty. Myös Aasiassa, erityisesti Japanissa ja Kiinassa, sähköistysaste on korkea. Toisaalta Yhdysvalloissa on purettu pois melkein kaikki aiemmin yleensä alueellisia tarpeita palvelleet sähköistysjärjestelmät niin, että pääradoista sähköistys on aktiivisesti käytössä enää Washingtonin–New Yorkin–Bostonin pääradalla (ns. "Northeast Corridor" -rata). Tämän lisäksi sähkövetoa käytetään joidenkin Yhdysvaltojen kaupunkien lähiliikenteessä.
Sähköveturien perusperiaatteet säilyivät 1900-luvun alusta aina 1980-luvun tehoelektroniikan tuloon asti muuttumattomina. Vaihtovirtakäyttöisissä vetureissa ajojohdon jännite on tavallisimmin 15 kV 16,7 Hz tai 25 kV 50 Hz. Suomessa on käytössä yksivaiheinen 25 kV 50 Hz -järjestelmä. Perinteisessä vaihtovirtaveturissa ajojohdon jännite muutetaan päämuuntajassa ajomoottoreille sopivaksi jännitteeksi. Muuntajan toisiokäämissä on lukuisia ulosottoja eri jännitteille, joista ns. käämikytkimellä voidaan valita eri jännitteitä ajomoottoreille ja siten säätää portaittain veturin tehoa. Ajomoottoreina käytetään yleisvirtamoottoreita. Yleisvirtamoottorit toimivat epäedullisesti 50 Hz taajudella, josta syystä järjestelmiin piti valita alhainen taajuus.
Tasavirtasähköistysjärjestelmässä jännitteet ovat tavallisesti 1500 tai 3000 V. Muuntajaa ei voida käyttää, joten perinteisessä tasavirtaveturissa veturin tehon säätämiseksi käytettiin samassa veturissa useita tasavirtamoottoreita, joita voitiin kytkeä eri tavoin sarjaan ja rinnan, jolloin saatiin karkea tehonsäätöporrastus. Tämän lisäksi tarvittiin liikkeellelähtöön hienompi porrastus, joka toteutettiin kytkemällä erisuuruisia etuvastuksia sarjaan moottoreiden kanssa.
Harvinainen ratkaisu on kolmivaiheveturit, joissa ajomoottoreina käytettiin teknisesti edullisia oikosulkumoottoreita. Puutteena oli kuitenkin hankalan ajojohdinrakenteen lisäksi veturin nopeudensäädön vaikeus, parhaimmillaankin veturissa oli vain neljä eri ajonopeutta, tavarajunavetureissa kaksi. Kolmivaiheinen jännitteensyöttö tapahtui kahden ajojohtimen ja kiskon välityksellä. Veturissa oli kaksi rinnakkaista virroitinta katolla. Järjestelmä oli laajassa käytössä Pohjois-Italiassa vuosina 1902–1976, ja rataosuuksien yhteispituus oli peräti 2 323 km. Jännite oli 3600 V ja taajuus 16 2/3 Hz. Kolmivaihejärjestelmä on nykyisin käytössä enää eräillä vuoristohammasradoilla. Eräässä erikoisessa varhaisessa toteutuksessa Unkarissa kolmivaihekäytön vaatimat kaksi erillistä ajojohdinta oli vältetty asentamalla veturiin kolmivaihevirtaa tuottava sähkömekaaninen pyörivä muuttaja, jota käytti tavanomainen yksivaiheinen ajojohdosta saatu 50 Hz vaihtojännite.
1950–60 -luvulta alkaen on alussa lähinnä vaihtovirtavetureihin sovellettu tehoelektroniikkaa, aluksi muuntajan jälkeiseen tasasuuntaukseen (diodiveturit) ja sittemmin myös tyristoreilla tehtävään tehonsäätöön (tyristoriveturit). Vastaava tasavirtakäyttöön soveltuva säätölaite on tyristorikatkoja.
Tehoelektroniikan kehitys on mahdollistanut lähinnä 1990-luvulta alkaen siirtymisen miltei huoltovapaisiin mutta pienikokoisiin ja tehokkaisiin kolmivaiheajomoottoreihin, joita syötetään tehoelektroniikalla toteutetulla taajuusmuuttajilla, joissa puolestaan käytetään joko öljy- tai vesijäähdytteisiä GTO-tyristoreita tai IGBT-transistoreita.
Samaan aikaan veturin ohjaustoiminnoissa on otettu käyttöön tietokoneistetut järjestelmät, joissa saattaa olla useiden, kukin omaa osa-aluettaan (ohjauskäskyt, jarrujärjestelmät, tehonsäätö ja diagnostiikka yms.) ohjaavien tietokoneiden verkko.
Kaikki nykyisin valmistettavat sähköveturit sähköistysjärjestelmästä ja jännitteestä riippumatta perustuvat taajuusmuuttajiin ja kolmivaihemoottoreihin, mutta eri maiden rautateillä on vielä runsaasti käytössä kyseisen maan sähköistysjärjestelmän mukaisia vanhoja perinteisiä tasa- ja vaihtovirtavetureita.
Tehoelektroniikan käyttö kolmivaiheisten oikosulkumoottorien ohjaukseen on mahdollistanut myös valmistuskustannuksiltaan edulliset monivirtaveturit. Taajuusmuuttajakäytön kannalta on lähes yhdentekevää, mikä on ajojohdon jännite ja taajuus ja onko virta vaihto- vai tasavirtaa. Tarvittavat järjestelyt kutakin virtatyyppiä varten ovat yksinkertaisia ja varsin huokeita veturin hintaan nähden. Niinpä Euroopassa on käytössä vetureita, jotka voivat käyttää kaikkia neljää yleistä sähköistysjärjestelmää, 25 kV 50 Hz, 15 kV 16,7 Hz, 3000 V DC ja 1500 V DC, tai haluttua suppeampaa yhdistelmää niistä.
Vaikka taajuusmuuttajakäytön kannalta ajojohdon jännite on vähämerkityksinen, jännitteellä on kuitenkin huomattava vaikutus sähköradan siirtohäviöihin sekä sähkönsyöttöasemien tiheyteen ja siten sähköistyksen aiheuttamiin kustannuksiin. Jännitteen nostaminen kaksinkertaiseksi pienentää siirtohäviöt neljäsosaan. Siten esim. 1500 V -järjestelmän siirtohäviöt olisivat samalla ajolankapituudella peräti 280-kertaiset 25 kV järjestelmään verrattuna. Tästä syystä matalajännitteisissä järjestelmissä on hyvin tiheään sähkönsyöttöasemia, mikä lisää investointikustannuksia.