(Fr .: traction électrique; Du.: elektrische Traktion; Eng.: electric traction), in de meest algemene zin het voortbewegen van voertuigen door middel van elektromotoren; doorgaans wordt de term echter gebruikt in engere zin voor die vormen van tractie waarbij het voertuig (trein, tram of (trolley)bus) de benodigde elektrische energie betrekt uit een voedingssysteem dat zich langs de baan bevindt (bovenleiding of ‘stroomrail’).
De tractiesystemen waarbij het voertuig wel door elektromotoren aangedreven wordt, maar de elektrische energie op het voertuig opgewekt wordt door omzetting vanuit een primaire energiedrager, worden meestal aangeduid door een term, die tevens een indicatie geeft omtrent de wijze waarop deze omzetting geschiedt; men onderscheidt: dieselelektrische tractie (een dieselmotor drijft een generator aan, die de tractiemotoren van energie voorziet); turbo-elektrische tractie (de tractiemotoren worden gevoed vanuit een generator, aangedreven door een (gas)turbine); accu(mulatoren)tractie (de tractiemotoren worden gevoed vanuit een accumulator).
Tractiesystemen.
Systemen voor elektrische tractie worden in de eerste plaats onderscheiden in gelijkstroom- en wisselstroomsystemen; dit onderscheid heeft betrekking op de aard van de elektrische energie die het voedingssysteem aan het voertuig levert.
De voor tractiedoeleinden meest geschikte elektromotoren zijn gelijkstroomseriemotoren (zie Gelijkstroommachine). Voeding vanuit een gelijkspanningsnet heeft dus als voordeel dat deze motoren zonder meer kunnen worden toegepast ter aandrijving van het voertuig. Gelijkstroommachines kunnen echter slechts worden gebouwd voor spanningen tot ca. 750 V. Een dergelijke waarde zou bij de vermogens, die bij treinen in het geding zijn (ca. 1...5 MW) aanleiding geven tot grote stromen en daarmee, vooral wanneer de afstanden groot zijn, tot aanzienlijke variaties in de lijnspanning en tot ontoelaatbaar hoge energieverliezen; bovendien zou een zware bovenleiding nodig zijn. In uitgestrekte gelijkspanningstractienetten bedraagt de spanning dan ook meestal 3 kV, waarbij de schakeling van de motoren is aangepast. Lagere spanningen worden alleen toegepast waar de afstanden betrekkelijk klein zijn.
In tractienetten met wisselspanning kan het spanningsniveau aanzienlijk hoger zijn. De oudere netten (Midden-Europa, Scandinavië) hebben veelal een spanning van 15 kV bij een frequentie van 50/3 Hz; deze frequentie is indertijd gekozen om voor de aandrijving wisselstroomseriemotoren te kunnen toepassen; deze konden vroeger niet op een acceptabele wijze voor 50 Hz worden gebouwd. Tegenwoordig is dit wel het geval, maar belangrijker nog is dat de ontwikkeling van de vermogenselektronica met halfgeleidercomponenten het mogelijk gemaakt heeft statische omzetters van wisselspanning in gelijkspanning in te bouwen in het voertuig, zodat voor de aandrijving gelijkstroommotoren kunnen worden gebruikt. Daarom, en wegens de voordelen ten aanzien van het transport van de elektrische energie en de constructie van de bovenleiding worden nieuwe elektrificaties van lange spoorlijnen tegenwoordig voor het overgrote deel met wisselspanning met een frequentie van 50 Hz en een effectieve waarde van doorgaans 25 kV uitgevoerd. Een bijkomend voordeel is dat de energie dan zonder meer uit het openbare net kan worden betrokken.
Vroeger heeft men ook wel geëxperimenteerd met draaistroomsystemen, doch wegens de noodzaak een bovenleiding van ten minste twee geleiders aan te leggen, en de daarmee samenhangende problemen bij wissels enz., zijn deze systemen minder geschikt en zijn zij tot verdwijnen gedoemd. In Nederland en België komt alleen gelijkstroomtractie voor; het spanningsniveau is bij de spoorwegen resp. 1,5 en 3 kV, bij de meeste lokale tramnetten 600 V en bij de stadsspoorwegen in Amsterdam en Rotterdam 750 V.
Vaste installaties.
Deze omvatten de onderstations, schakelstations, en de bovenleiding of stroomrails. In Nederland en België wekken de spoor- en tramwegbedrijven zelf geen elektrische energie op; ze betrekken deze van de openbare energiebedrijven in de vorm van draaistroom. Op onderlinge afstanden van 20...40 km staan langs de baan onderstations; hierin wordt de energie eerst via een transformator omgezet in draaistroomenergie van een lager spanningsniveau, en vervolgens met behulp van een gelijkrichter omgezet in gelijkstroomenergie. De moderne installaties worden uitgerust met gelijkrichters met halfgeleidercomponenten. Waar zonder extra voorzieningen de spanningsvariaties op de lijn te groot zouden worden, zijn tussen de onderstations nog schakelstations gebouwd.
Bij spoor- en tramwegen wordt de energie aan het voertuig toegevoerd via een bovenleiding. Het voornaamste onderdeel daarvan is de rijdraad; een massief koperen geleider, waarlangs de stroomafnemers bewegen. Bij de NS worden wegens de grote stromen twee rijdraden naast elkaar toegepast. De rijdraad is met ophangdraden bevestigd aan een draagkabel. Eventueel bevindt zich naast de draagkabel nog een versterkingsleiding. Alle leidingen zijn met elkaar verbonden, en staan dus onder spanning. De gehele bovenleiding is via isolatoren opgehangen aan stalen of betonnen portalen (spoorlijnen met 2 of meer sporen) of masten, die van uithouders zijn voorzien (enkelspoorlijnen, tramlijnen).
Een afwijkend voedingssysteem hebben vele (ondergrondse) stadsspoorwegen: de elektrische energie wordt daar toegevoerd via een meestal naast, soms tussen de looprails gemonteerde derde rail (‘stroomrail’). De stroom wordt afgenomen via tegen de rail gedrukte platte stroomafnemers, die zich veelal bij de draaistellen bevinden. Het grote energieverbruik (veel treinen op de baan) houdt in dat de afstanden tussen de onderstations bij stadsspoorwegen meestal kleiner (enkele km) moeten zijn.
Installatie op het voertuig.
De belangrijkste onderdelen van de elektrische installatie van een trein of tram zijn de tractie-installatie en het stuurstroomcircuit. Het laatste is een gelijkspanningsnet, meestal met een spanning van 100 V, dat de stroom voor de sturing en bediening van diverse apparaten (schakelaars in de tractie-installatie, rem) levert. Het wordt gevoed vanuit een omzetter, bestaande uit een op de bovenleidingspanning aangesloten motor, en een generator. Oudere tractievoertuigen hebben een gelijkstroomgenerator, nieuwere tram- en treinstellen zijn voorzien van een draaistroomgenerator, die het stuurstroomnet via (transformatoren en) gelijkrichters voedt. Wanneer de hoogspanningsvoeding onderbroken (bruggen) of afgeschakeld is, wordt de voeding van het stuurstroomcircuit overgenomen door een batterij van accumulatoren.
Aan de tractie-installatie wordt als voornaamste eis gesteld dat de stroom door de tractiemotoren zodanig wordt beheerst dat de trein zo geleidelijk mogelijk aanzet, de versnelling beperkt blijft tot ca. 1,2 m s−2 (uit overwegingen van comfort), en de delen van de installatie gevrijwaard blijven van beschadigingen.
Tractievoertuigen voor voeding vanuit een bovenleiding hebben meestal een zgn. pantograafstroomafnemer die is voorzien van een sleepstuk, dat tegen de rijdraad wordt gedrukt en via soepele verbindingen met de installatie in het voertuig is verbonden. Als de lijnschakelaars (afb. 1) gesloten zijn kan er een stroom vloeien van de rijdraad via de tractie-installatie, de motoren en de wielen naar de rail, die als retourgeleider dient.
De meeste treinen en trams zijn nu nog uitgerust met een conventionele installatie. De stroom door de tractiemotoren, en daarmee uiteindelijk de versnelling van de trein, wordt hierbij beperkt met behulp van aanzetweerstanden, die met het toenemen der snelheid successievelijk worden kortgesloten. Daar ieder voertuig tenminste twee tractiemotoren heeft past men meestal serie-parallelschakeling toe: de motoren worden eerst, met hun weerstanden, in serie geschakeld. Zijn alle weerstanden kortgesloten dan worden de motoren, elk apart of in groepen, parallelgeschakeld, waarbij de weerstanden weer in de keten moeten worden opgenomen. Zijn, bij een hogere snelheid, weer alle weerstanden kortgesloten dan kan men een verdere verhoging van de snelheid realiseren door de bekrachtiging van de motoren te verzwakken (veldverzwakking; zie Gelijkstroommachine). De schakelfuncties kunnen worden vervuld door aparte schakelaars of door een zgn. schakelwals, waarop zich (vrijwel) alle schakelaars bevinden en die, ronddraaiend, deze in de juiste volgorde doet openen en sluiten. De schakelaars worden elektromagnetisch of elektropneumatisch bediend; de bediening wordt gestuurd door de machinist via een in het stuurstroomcircuit opgenomen veelstanden schakelaar (controller). Bij de treinstellen van de NS loopt de schakelwals automatisch naar een door de machinist met zijn controller ingestelde stand onder invloed van relais.
Het elektrisch remmen, mogelijk doordat elke gelijkstroommotor in principe ook als generator kan werken, wordt vrijwel algemeen toegepast bij trams en stadsspoorwegen, bij de NS echter alleen in het nieuwste voorstadsmaterieel.
Hoewel het in principe mogelijk is de bewegingsenergie van het voertuig omgezet in elektrische energie weer terug te voeren naar het net, wordt in verband met problemen bij de verwezenlijking van dit principe vrijwel algemeen deze energie in weerstanden omgezet in warmte. Daar het elektrisch remmen meer en grotere weerstanden vergt dan het aanzetten, en ze bovendien zwaarder worden belast, worden ze bij treinen meestal op het dak geplaatst (effectievere koeling). Ook bij het ontwerp van de tractiemotoren moet men met de zwaardere belasting rekening houden.
Bezwaren van een conventionele tractieinstallatie zijn het energieverlies in de weerstanden en de onmogelijkheid met een beperkt aantal schakelaars de motorstroom. en daarmee de versnellende kracht, binnen nauwe grenzen constant te houden. Het is tegenwoordig echter mogelijk met behulp van een chopper de spanning over de motoren continu te variëren tussen ca. 5% en ca. 95% van de nominale waarde, en aldus de motorstroom (nagenoeg) constant te houden. Een nadeel van een chopperinstallatie is dat de netstroom een pulserende gelijkstroom is; deze stroom, die dus ook door de rails loopt (retourgeleider) kan aanleiding geven tot storingen in de signalisatie. Dit is een van de voornaamste oorzaken dat dit systeem nog niet op grote schaal wordt toegepast.
Diesel- en turbo-elektrische tractie.
Dieselelektrische treinen worden meestal ook aangedreven door gelijkstroomseriemotoren. In het oudere materieel worden deze gevoed uit een gelijkstroomgenerator, doorgaans een zgn. krämergenerator. Deze heeft een zodanige karakteristiek dat bij een lage klemspanning (vrijwel stilstaande trein) de stroom beperkt blijft tot 2...3 maal de nominale stroom van de motor, en dat deze spanning groter en de stroomsterkte kleiner wordt naarmate de trein op snelheid komt. De karakteristiek sluit bovendien goed aan bij die van de dieselmotor, die men bij voorkeur een min of meer constant vermogen laat leveren. Voert men het vermogen dat de diesel levert op, dan kan men de bekrachtiging van de generator corrigeren zodat de aanpassing behouden blijft. De weerstanden ter beperking van de motorstroom kunnen vervallen.
Gasturbines werken het best bij een zo hoog toerental, dat gelijkstroomgeneratoren voor dat toerental en voor het bij een trein vereiste vermogen (1...5 MW) niet kunnen worden gebouwd. Men koppelt daarom de turbine(s) met synchrone (draaistroom-)generatoren, waarvan de spanning met behulp van, evt. gestuurde, statische gelijkrichters wordt omgezet in gelijkspanning. Daar men niet aan een bepaalde frequentie gebonden is, kiest men de frequentie van de door de generator opgewekte spanning liefst hoger dan de gebruikelijke 50 Hz, waardoor zowel de generator als de hulpapparatuur voor de gelijkrichter compacter kan worden gebouwd.
Aangezien het toerental waarvoor men gelijkstroomgeneratoren kan bouwen, afneemt naarmate het vermogen groter moet zijn, past men tegenwoordig de combinatie van een synchrone generator en gelijkrichters ook wel toe in grote diesellocomotieven.