Hệ thống điện khí hóa đường sắt
Điện một chiều

Vận tốc của tàu điện rất đa dạng trên các tuyến và loại hình vận tải khác nhau. Cho đến giữa nhưng năm 50 của thế kỉ 20, đa phần đều chỉ sử dụng động cơ điện một chiều chổi than, mặc dù có thể chuyển đổi từ điện xoay chiều trên điện lưới thành điện một chiều sử dụng các bộ chuyển đổi điện. Nhưng do các thiết bị chuyển đổi này chưa được hoàn thiện dù xuất hiện từ cuối thế kỉ 19 - đầu thế kỉ 20, nên đa phần các hệ thống điện khí hóa ban đầu (và cả hiện nay) đều sử dụng điện một chiều, đặc biệt là tàu điện ngầm (subway) và xe điện. Tốc độ chạy tàu được kiểm soát bởi việc kết nối các động cơ kéo (traction motor) bằng nhiều cách kết hợp hoặc song song như, thay đổi từ trường của động cơ, hay tăng / giảm điện trở để giới hạn dòng điện qua động cơ.
Các Motor điện có rất ít không gian để cách điện do đó chúng thường hoạt động với hiệu điện thế thấp. Bởi vì máy biến áp (trước khi phát triển các thiết bị điện tử công suất) không thể giảm hiệu điện thế của điện một chiều nên các tàu thường sử dụng điện thế thấp từ mạng lưới một cách trực tiếp. Các hiệu điện thế một chiều phổ biến đã được liệt kê ở phần phía trên. Các hệ thống ray thứ ba (và tư) thường sử dụng điện áp dưới 1 kV vì mục đích an toàn trong khi hệ thống dây trên cao sử dụng điện áp cao hơn nhằm đảm bảo vệ hiệu năng. (Điện áp "thấp" chỉ mang tính chất tương đôi; ngay cả với điện áp 600 V cũng có thể gây chết người ngay tức thì nếu chạm vào.)
Cho đến khi xuất hiện thiết bị sử dụng điện xoay chiều, Đường sắt dùng điện một chiều sử dụng các trạm chuyển đổi để cung cấp nguồn điện áp thấp (thường từ 3000 vôn trở xuống). Thông thường chúng sử dụng các thiết bị chuyển đổi quay (rotary converter), một số trong đó vẫn đang hoạt động cho tới ngày nay, nhưng hầu hết được thay thế bởi bộ chỉnh lưu hồ quang thủy ngân (mercury arc rectifier) và tiếp sau đó là các chỉnh lưu bán dẫn.
Bởi vì công suất bằng với điện áp nhân cường độ dòng điện, điện áp tương đôi thấp trong hệ thống điện một chiều đồng nghĩa với dòng sẽ tương đối cao. Nếu nguồn điện từ mạng lưới được dẫn thẳng vào các mô tơ điện, muốn giảm lãng phí do điện trở đường dây (resistive losses), đòi hỏi phải xây dựng dây tải điện có tiết diện lớn, khoảng cách giữa các trạm tăng cấp điện với tàu và giữa các trạm cấp điện với nhau phải ngắn. Khoảng cách này đối với hệ thống ray thứ ba dùng điện áp 750 V là khoảng 2,5 km (1,6 mi). Tương tự đối với 3 kV là khoảng 7,5 km (4,7 mi) phải có một trạm tăng áp.
Bởi những lí do trên, các dự án đường sắt cao tốc thế hệ mới thường sử dụng điện xoay chiều cao thế ngay khi điều kiện cho phép. Tuy nhiên, cũng đã có sự quan tâm của các bên vận hành đường sắt trong việc quay trở lại sử dụng điện một chiều nhưng có điện áp cao hơn so với trước đây. Ở cùng hiệu điện thế, điện một chiều thường có ít tổn hao hơn điện xoay chiều, và vì lí do này điện một chiều cao áp vẫn đang được sử dụng cho một số đường tải điện. Điện một chiều cũng không tiềm ẩn các bức xạ điện từ nguy hiểm như của điện xoay chiều, và với đường sắt, điều này cũng giảm ảnh hưởng gây nhiễu tín hiệu, truyền thông và ảnh hưởng tới con người. Điện một chiều cũng không gặp vấn đề hệ số công suất (cos φ) như điện xoay chiều. Đặc biệt, điện một chiều có thể cung cấp cho hệ thống đường sắt một dòng điện ổn định chỉ sử dụng một dây nối đất trong khi với điện xoay chiều sẽ cần truyền tải 3 pha sẽ cần ít nhất 2 dây nối đất. Ngoài ra điện 3 pha cũng phải lưu tâm tới việc các pha không cân bằng. Sự không cân bằng pha làm cho các mô tơ 3 pha chạy ở các nhiệt độ cao hơn so với các giá trị định mức. Sự mất cân bằng pha càng lớn, thì sự tăng nhiệt độ càng lớn hơn. Các nhiệt độ cao này làm hư lớp cách điện và gây nên các vấn đề liên quan khác. Để tránh xảy ra hiện tượng này khi tàu đi qua các vùng sử dụng dòng điện khác nhau (lệch pha), các tàu điện thường sử dụng ít nhất 2 que thu điện cùng một lúc. Có một vài tuyến đường sắt ứng dụng điện 3 pha nhưng bởi tính chất phức tạp do đó điện 1 pha gần như đã trở thành tiêu chuẩn (mặc dù dòng điện về 0 trong mỗi chu kỳ). Một ví dụ hiếm trong số tuyến đường sắt một chiều cao thế là Tuyến đường sắt một chiều 6 kV đã được xây dựng ở Liên Xô.
Sự sẵn có ngày càng tăng của các chất bán dẫn cao áp có thể cho phép sử dụng điện 1 chiều với điện áp cao hơn và hiệu quả hơn mà trước đây chỉ có thực hiện được với điện xoay chiều.
Một vài đầu máy đường sắt điện một chiều sử dụng các động cơ điện ở dạng "biến áp hạ cấp" để cùng cấp thêm điện áp cho các thiết bị khác trên tàu như đèn, quạt và các máy nén khí nhưng thường thì chúng không hiệu quả, ồn và không đáng tin cậy. Sau này các bộ chuyển đổi rắn đã thay thế chúng. Các đầu máy xe lửa hiện đại ngày nay (lai diesel-điện hoặc điện) đã gần như thay thế hoàn toàn thế hệ đầu kéo cũ mới một động cơ điện cảm ứng ba pha xoay chiều được điều khiển bởi một biến tần xoay chiều chuyên dụng.