Sähköveturi

Sähköveturi on veturi, joka saa käyttöenergiansa virroittimella rautatien yläpuolella olevasta ajojohtimesta tai raiteiden vieressä tai välissä sijaitsevasta virtakiskosta. Ajojohtimesta tai virtakiskosta saatu sähkövirta muutetaan veturin sähkömoottorissa liike-energiaksi, joka siirretään voimansiirtolaitteiden eli yleensä ajomoottorikäyttölaitteen kautta veturin pyöriin.

Ruotsalaisen rautatieyhtiö SJ:n omistama Rc6-sarjan sähköveturi numero 1378 Älvsjön asemalla Tukholmassa

Suomessa käytetyt sähköveturimallit ovat neuvostovalmisteinen Sr1, sveitsiläisvalmisteinen Sr2 ja saksalaisvalmisteinen Sr3. VR Group teki 20. joulukuuta 2013 historiansa suurimman investoinnin (yli 300 milj. euroa) tilaamalla saksalaiselta Siemensiltä 80 uuden tyyppistä Vectron-tuoteperheen sähköveturia. Ne saivat sarjatunnuksen Sr3. Sarjan viisi ensimmäistä veturia toimitettiin Suomeen vuoden 2016 aikana. Veturit otetaan käyttöön vuosien 2017–2026 välillä ja ne tulevat korvaamaan Sr1-veturit.

Historia

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.

Siemensin 1879 rakentama veturi. Taustalla Werner von Siemensin rintakuva.

Dynamon keksiminen 1860-luvulla teki sähköveturin periaatteessa käyttökelpoiseksi, koska sähköä oli sen avulla saatavissa paljon runsaammin ja ratkaisevasti pienemmin kustannuksin. Dynamoa voitiin pyörittää höyrykoneella 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.

Siemensin 1881 rakentama raitiovaunu Lichterfeldessä.

Siemens rakensi ensimmäisen pysyvän sähkökäyttöisen raitiotien vuonna 1881 Lichterfeldeen Berliiniin. Rata oli 2,4 kilometrin 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. Jännite oli aluksi 50 V tasajännitettä, mutta vuonna 1884 se korotettiin 160:een volttiin. Vuonna 1886 jännitteen syöttö muutettiin tapahtuvaksi kiskojen välissä sijaitsevalla kolmannella raiteella. Radan pituus on 1,64 kilometriä, 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 ajojohdinta 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.

Burgdorf–Thun-radan ensimmäinen veturi E2E, kori poistettuna. Moottorit keskellä pyörien välissä.

Ensimmäinen pitkä sähkökäyttöinen rataosuus oli Sveitsissä, 40 kilometrin 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 ajojohdinta ja vetureissa kaksi rinnakkaista virroitinta. Kolmantena johtimena toimivat kiskot.

Italian Rete Adriatican kolmivaihe-sähköveturi vuonna 1904, myöhemmin käytössä Simplonin tunnelissa, myöhemmin FS:n sarja E.360.

Seuraava pitkä sähköistetty rataosuus oli Italiassa, 106 kilometrin pituinen Ferrovia della Valtellina, joka otettiin käyttöön 1902. Sähköistys oli kolmivaiheinen, ja jännite oli aikaisempia järjestelmiä huomattavasti korkeampi, 3 000 V 15,8 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 kilometrin pituisella Murnau–Oberammergau-radalla Etelä-Saksassa. Käyttöjännite oli 5 500 V yksivaiheista vaihtovirtaa ja taajuus 15 Hz. Moottoreina käytettiin yleisvirtamoottoreita. Sähkö johdettiin veturiin ajojohtimella 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 kolme Valtellina-radalla käytössä ollutta 880 kW:n tehoista Ganzin tehtaassa Unkarissa valmistettua sähköveturia.

Suomen senaatti lähetti vuonna 1903 sähköinsinööri Kustaa Bernhard Wuolteen tutustumaan rautateiden sähköistyskokeiluihin Saksassa, Italiassa ja Sveitsissä. Seuraavina vuosina VR:llä asetettiin useita komiteoita selvittämään sähköistykseen liittyviä kysymyksiä. Ne eivät johtaneet valtionrautateillä käytännön toimiin. 1900-luvun alussa oli Suomessa kuitenkin rakennettu ensimmäiset kapearaiteiset sähköradat. Suomen sähköratojen rakentamisen uranuurtaja oli Mustion ruukinpatruuna, kamariherra Hjalmar Linder. Hän rakennutti sähkörautatien Mustion ruukin ja rautatieaseman välille vuonna 1903. Veturi oli AEG, valmistajanumeroltaan No 178 vuodelta 1903. Raideleveys oli 600 mm ja radan pituus 5 km. Kyseessä oli siis Suomen ensimmäinen sähköä käyttänyt varsinainen rautatie. Sähkön hän sai omasta vesivoimalaitoksestaan Mustiossa. Seuraavaksi hän rakennutti vuosina 1906–1907 Lohjan Pitkäniemeen, Lohjanjärven rannalle rakennuttamansa sulfaattiselluloosatehtaan tarpeisiin sähkörautatien 750 mm:n raideleveydelle. Tehtaalta oli lähimmälle Valtionrautateiden asemalle lähes kuusi kilometriä. Molemmilla radoilla kuljetettiin myös matkustajia.

Vuonna 1928 eniten sähköveturikäyttöisiä rataosuuksia oli Sveitsissä, missä 1 666 kilometriä (65 %) normaaliraiteisista radoista oli sähköistetty. Toiseksi eniten sähköratoja oli Italiassa, 1 607 kilometriä. Saksassa oli lähes yhtä monta sähköistettyä kilometriä kuin Italiassa, mutta laajasta rataverkosta johtuen osuus kaikista radoista oli pieni, vain noin kolme prosenttia.

Forssan sähköradan vanhempi veturi lasikaapissa kirjaston pihassa.

Sähköistyksen edelläkävijöitä oli myös Ruotsi, missä sähköratoja oli vuonna 1928 jo 892 kilometriä. 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.

Maailman nopein junayhteys 1960-luvun puolivälissä kulki Japanissa Tokiosta Nagajan kautta Osakaan. Molempiin suuntiin liikennöineen Hikari-nimisen superpikajunan keskituntinopeus oli lähes 130 km/h Tokion ja Osakan välillä ja Tokion ja Nagajan välillä peräti 140 km/h.

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 voimansiirron kehitys

Rhätische Bahn:in veturin Ge 2/4 moottori vuodelta 1913.

Ensimmäisten sähköveturien moottorit olivat suurikokoisia, läpimitaltaan jopa kaksi metriä, ja painoivat jopa 8 tonnia. Ne oli sen vuoksi pakko sijoittaa veturin sisälle rungon päälle. Voima välitettiin vetopyörille höyryvetureista tutuilla kytkintangoilla. Koska moottori sijaitsi veturin jousitetussa rungossa, joka liikkui pystysuorassa suunnassa vetopyöriin nähden, käytettiin aluksi jäykkää kolmiomaista kytkintankoa, joka oli kytketty päistään kahteen rinnakkaiseen moottoriin.

Italian valtionrautateiden veturi E.384, jossa kolmiomainen kytkintanko

Vetopyörää pyörittävä vetotappi kiinnittyi kolmion keskiosaan, jossa oli pystysuoran joustoliikkeen mahdollistava hahlo. Muihin vetopyöriin voima välitettiin yksinkertaisella kytkintangolla. Painavan kolmiomaisen kytkintangon liike aiheutti voimakkaan pystysuoran iskutuksen kiskoihin, jota vastapainot eivät täysin kyenneet poistamaan. Tästä syystä kolmiomaisesta kytkintangosta luovuttiin myöhemmissä vetureissa, ja vetopyöriä käytettiin yksinkertaisilla viistoilla keveillä kytkintangoilla.

Kytkintangon käyttö voiman välitykseen vetopyörien välillä säilyi pitkään eri veturimalleissa, vaikka voiman välitys yksimoottorisissa vetureissa yhteen sokkoakseliin vetoakselien välissä siirtyi myöhemmin tapahtuvaksi hammaspyörillä. Esimerkiksi Ruotsin SJ:n sarjat D (vuodesta 1925) ja Da (vuodesta 1950) säilyivät käytössä vuoteen 1990.

Tšekkiläisen ČD 182 -veturin käpälälaakerimoottori. Vasemmalla "käpälä", jossa vetopyörän akselin reikä.

Moottoritekniikan kehittyessä sähkömoottorit kevenivät ja pienenivät, jolloin tuli mahdolliseksi käyttää jokaista vetopyörää omalla moottorillaan, mikä myös pienensi yksittäisen moottorin tehontarvetta ja siten sen kokoa. Jotta joustoliikkeen aiheuttamaa ongelmaa ei esiintyisi, moottorien pitäisi liikkua joustoliikkeen mukana samaan tahtiin vetoakselin kanssa. Tällöin moottorin paino lepäisi suoraan kunkin vetopyörän päällä, eikä jousitetussa veturin korissa. Tämä aiheuttaisi suuria rasitusvoimia ratarakenteelle, jota ei pidetty suotavana. Tästä syystä kehitettiin erilaisia mekaanisia ratkaisuja, jotka sallivat voimanvälityksen pystysuoran liikkeen jousitetussa osassa sijaitsevan moottorin ja jousittamattoman vetopyörän välillä.

AEG:n koeveturin säteittäiset lehtijouset vuodelta 1903.

Yksinkertaisin mutta teknisesti epätyydyttävin ratkaisu on käpälälaakerimoottori. Siinä moottorin toinen laita on laakeroitu moottorin kuoresta ulkonevan "käpälän" avulla veturin vetopyörän akseliin. Moottorin pieni hammaspyörä vetää vetopyörän akseliin kiinnitettyä isoa hammaspyörää. Moottorin toinen laita on niveltyvästi kiinni veturin tai telin jousitetussa rungossa. Tällöin jousitusliike keinuttaa moottoria kiinnityskohdan ympäri. Tällä tavalla saadaan noin puolet moottorin massasta pois jousittamattomasta massasta, mutta vetohammaspyörien ja hammaspyöräkotelon koko massa on jousittamatonta. Käpälälaakerimoottori on edelleen laajalti käytössä hitaammassa kalustossa edullisen hintansa vuoksi, vaikka rakenne aiheuttaa paljon suurempia rasituksia kiskoille ja radan rakenteelle kuin täysin jousitetut ratkaisut.

Onttoon akseliin perustyvat järjestelmät

Vetopyörän vieressä sijaitsevan moottorin ja vetohammaspyörien koko massa saadaan jousitettua käyttämällä vetopyörän akselin ympärillä toista, onttoa akselia, joka on laakeroitu veturin tai telin jousitettuun osaan. Hammaspyörävälityksen iso hammaspyörä on kiinnitetty onttoon akseliin. Onton akselin sisäläpimitta on riittävän iso salliakseen vetopyörän akselin esteettömän jousitusliikkeen. Ontto akseli liitetään vetopyörän sisäkehään sopivalla joustavalla liitoksella tai kardaaninivelillä.

Varhaisin onton akselin joustava liitos oli AEG:n koeveturissa vuodelta 1903, jossa käytettiin pyörän säteen suuntaisia lehtijousia onton akselin ja vetopyörän sisäkehän välillä. Sarjatuotantoon tuli Westinghousen kierrejousiin perustuva ratkaisu vuonna 1912. Siinä onttoon akseliin kiinnitetyn tähtimäisen kappaleen ja pyörän kehän välissä oli pyörän kehän suuntaiset kierrejouset.

Westinghousen kierrejousikytkentä vuodelta 1912

Kierrejouset sallivat sekä vetopyörän pystysuuntaiset jousitusliikkeet että mahdollistivat vetoakselin radiaaliset liikkeet kaarteissa. Lisäksi ne pehmensivät tehon kytkeytymisestä aiheutuvia nykäyksiä. Ratkaisun heikkoutena oli taipumus kierrejousien katkeamiseen silloin, kun veturin liikesuunta venytti eikä puristanut jousia. Lukuisat valmistajat kehittivät edelleen jousiliitosta, jolloin jousien katkeilusta päästiin eroon. Jousiliitokset olivat laajalti käytössä 1920- ja 1930-luvuilla valmistetuissa sähkövetureissa, muun muassa SBB Be 4/7, Ae 3/5, Ae3/6^III

Siemens-kumijousijärjestelmässä vuodelta 1956 voimaa välittävät kierrejouset korvattiin järeillä ympyränkehän osan muotoisilla kumijousilla. Jouset eivät puristuneet päistään voimaa välittäessään kuten kierrejouset, vaan voima välittyi kehän suuntaisesti jousen sisäkehän ja ulkokehän välillä kumijousta tavallaan sivusuunnassa vetämällä. Järjestelmä osoittautui kestäväksi ja vähän huoltoa vaativaksi, ja sitä käytettiin DB:n veturisarjoissa E10 (110), E40 (140), E41 (141), E50 (150), 111 ja 151.

Ontto akseli pienen vetohammaspyörän sisällä, kaaviokuva: Veturin jousitettuun massaan kuuluvan moottorin (1) akseli (2) kiinnittyy vääntömomenttia välittävien nivelien (3) välityksellä pieneen vetohammaspyörään (5). Koko hammaspyörävalitys (5),(6),(8) on jousittamatonta massaa. Pyörän akseliin kiinnitetty iso hammaspyörä(6), vetopyöräkerran akseli(7), vaihteiston kotelo(8).

Kun siirryttiin moottoritekniikan kehittyessä kontaktoreilla ohjatuista tasavirta- ja yleisvirtamoottoreista taajuusmuuttajakäyttöisiin induktiomoottoreihin, poistuivat kontaktorikytkentöjen aiheuttamat vetonykäykset. Tällöin voitiin luopua elastisista liitoksista. Kardaanijärjestelmässä hammaspyörävalityksen iso hammaspyörä on laakeroitu lyhyeen onttoon akseliin, joka on liitetty sisempään onttoon kardaaniakseliin kardaaninivelen välityksellä. Kardaaniakseli on pyöräkerran sisämitan pituinen ja kiinnitetty toisesta päästään samoin kardaaninivelellä vetopyörän sisäkehälle.

Koska hammaspyörävälityksen painoa on saatu kevennettyä, onttoon akseliin perustuvia järjestelmiä on myös yksinkertaistettu jättämällä hammaspyörävälitys koteloineen jousittamatta kiinni vetoakseliin ja siirtämällä lyhyt ontto akseli pienen vetohammaspyörän sisälle. Tällöin jousitetusta moottorista tuleva voimaa välittävä akseli on kytketty kahden joustavan teräslevynivelen välityksellä pienen hammaspyörän onttoon akseliin. Jousittamatonta massaa on tässä ratkaisussa hammaspyörävälityksen massan verran enemmän kuin edellisissä, mutta ratkaisu on huokeampi, ja radalle aiheutuva rasitus on vain hieman täysin jousitettua rakennetta suurempi. Ratkaisu on käytössä Siemensin Vectron-sarjan vetureissa.

Vipujärjestelmät

Büchli-järjestelmän toiminta

Büchli-järjestelmässä vuodelta 1917 ei käytetty onttoa akselia, vaan järjestelmä sijaitsi vetopyörän ulkolaidalla. Siinä oli vetopyörää vetävän ison hammaspyörän ja vetopyörän välissä erikoinen vipukoneisto, joka mahdollisti näiden välisen pystysuoran liikkeen voimanvälityksen keskeytymättä. Järjestelmässä ei ole katkeilevia jousia, mutta suuri määrä liikkuvia osia, jotka vaativat tiheää voitelua ja huolellista ylläpitoa. Järjestelmän heikkous on sen epäsymmetrisyys, joka ei mahdollistanut täydellistä tasapainotusta, eikä sallinut yli 140 km/h nopeuksia osien epätasapainon vuoksi. Myös veturin painojakauma oli sivusuunnassa epäsymmetrinen, minkä takia raskaat osat kuten muuntaja täytyi sijoittaa veturin vastakkaiselle laidalle. Järjestelmää käytettiin muun muassa SBB:n vetureissa Ae 4/7 ja Ae 8/14 sekä DR:n veturissa E16.

Büchli-järjestelmän suunnittelija Jakob Büchli siirtyi myöhemmin SLM:n palvelukseen, jossa hän suunnitteli uuden vetojärjestelmän, Winterthur Universal Antrieb'in vuonna 1928. Siinä moottorit ja vetohammaspyörä sijaitsivat veturin keskellä. Jousitusliikkeen mahdollisti suuren vetohammaspyörän ja vetopyöräakselin yhdistävä pystysuoran liikkeen salliva Oldham-akselikytkin. Järjestelmää käyttivät muun muassa SBB:n veturi Ae 4/6 ja toinen kahdesta Ae 8/14 veturista.

Tanssivat renkaat oli Alsthomin vuonna 1933 käyttöönottama alun perin 1890-luvulta periytyvä järjestelmä. Siinä onton akselin joustava liitos vetopyörään on toteutettu kiertyvillä kumiholkkijousilla, joihin vetopyörän akselin ja onton akselin välinen jousitusliike välittyy vetopyörässä olevien reikien läpi vetopyörän ulkolaidalla olevien vipujen ja kiertyvän levyn ("tanssiva rengas") välityksellä. Tanssivat renkaat oli Suomessa käytössä VR:n Hr13 dieselsähköveturissa.

Tekniikkaa

Perusperiaatteita

Sähköveturien perusperiaatteet säilyivät 1900-luvun alusta aina 1980-luvun tehoelektroniikan tuloon asti muuttumattomina. Vaihtovirtakäyttöisissä vetureissa ratajohdon jännite on tavallisimmin 15 kV 16,7 Hz tai 25 kV 50 Hz. Suomessa on käytössä yksivaiheinen 25 kV 50 Hz -järjestelmä. Perinteisessä vaihtovirtaveturissa ratajohdon 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 taajuudella, 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 ratajohdosta saatu 50 Hz vaihtojännite.

Tehoelektroniikkaa ja tietokoneohjausta

1950–1960-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 ratajohdon 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 ratajohdon 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.

Katso myös

• Juna
• Dieselveturi
• Höyryveturi
• Sähkömoottorijuna
• Suomen rautateiden sähköistysjärjestelmä
• Sähköauto

Aiheesta muualla

• Käsikirja sähkövalaistus- ja voimalaitoksia varten Sähkö Osakeyhtiö AEG, Helsinki 1.1.1922 (sivut 229–-232)