Pomimo że, mogłoby się wydawać, elektryczność jest nowym wynalazkiem, pojazdy używające sieci trakcyjnej jako źródła energii elektrycznej towarzyszą Polsce od bardzo dawna. Pierwsze elektrowozy jeżdżące w Polsce zostały wyprodukowane w 1934 roku w Wielkiej Brytanii, lecz można znaleźć też wcześniejsze pojazdy tego typu. Bowiem w 1927 roku swoją działalność rozpoczęła Elektryczna Kolej Dojazdowa – początek dzisiejszej WKD, dla której zostało w 1927 roku wyprodukowanych 20 wagonów silnikowych serii EN80. Jak więc widzimy, pojazdy elektryczne odegrały w Polsce znaczącą rolę, czego skutkiem jest szeroka gama różnych rodzajów technologii, które zostały zastosowane w pojazdach elektrycznych. W naszym kraju istnieją 3 rodzaje rozruchu elektrycznego (wykorzystującego prąd pobierany z sieci trakcyjnej): rozruch oporowy z silnikami prądu stałego, rozruch impulsowy z silnikami prądu stałego i rozruch impulsowy z silnikami prądu przemiennego (asynchronicznymi). Jako osobną kategorię można uznać również pojazdy akumulatorowe, jednak te nigdy nie odegrały znaczącej roli na polskiej kolei. Pisząc o pojazdach korzystających z sieci trakcyjnej jako medium do przekazywania energii elektrycznej należy wspomnieć, że istnieje 5 głównych wartości i rodzajów napięć stosowanych na świecie w sieciach trakcyjnych. Są to: 600V, 1500V, 3000V prądu stałego oraz 15’000V i 25’000V prądu przemiennego. W Polsce na kolei stosuje się prąd o napięciu 3000V prądu stałego, natomiast w sieciach tramwajowych i WKD (Warszawskiej Kolei Dojazdowej) prąd o napięciu 600V prądu stałego.
Na początku należy zaznaczyć, że jest to najstarszy rodzaj rozruchu stosowany w pojazdach szynowych. Jego zasada działania jest również najprostsza – opiera się na opornikach (rezystorach), skąd wzięła się nazwa tego typu rozruchu. Główny obwód elektryczny (inaczej obwód wysokiego napięcia) składa się z kilkunastu oporników połączonych szeregowo. Opornik to urządzenie, które zamienia energię elektryczną na ciepło, czym zmniejsza natężenie prądu w obwodzie elektrycznym. Zasada działania rozruchu oporowego jest bardzo prosta – gdy maszynista włącza pierwszą pozycję na nastawniku jazdy, obwód zostaje zamknięty i przez wszystkie oporniki płynie prąd z sieci aż do silników elektrycznych. Jako, że przed wszystkie oporniki przepływa w tym momencie prąd, natężenie prądu trafiającego do silników jest niewielkie (prąd pobierany z sieci trakcyjnej jest bardzo osłabiony przez rezystory). Maszynista, włączając kolejne pozycje na nastawniku jazdy, wyłącza z obwodu kolejne oporniki, zwiększając tym samym moc prądu trafiającego do silników. Gdy nastawnik zostanie ustawiony na najwyższą pozycję (tzw. pozycję bezoporową), wszystkie oporniki zostają wyłączone z obwodu, więc prąd, który trafia do silników ma najwyższą wartość natężenia, a tym samym największą moc.
Nie jest to jednak moment, w którym lokomotywa osiąga najwyższą prędkość. Należy bowiem pamiętać, że lokomotywy (lub elektryczne zespoły trakcyjne) posiadają więcej niż jeden silnik elektryczny. Przykładowo lokomotywa EP07 jest pojazdem 4-osiowym (po 2 osie po każdej stronie lokomotywy), a przy każdej osi znajduje się jeden silnik. Oznacza to, że do momentu, gdy nastawnik jazdy zostanie ustawiony na pierwszą pozycję bezoporową, pracują dopiero 2 z 4 silników. W takim wypadku istnieje możliwość włączenia kolejnych pozycji – znowu wszystkie oporniki zostają włączone w obwód, lecz tym razem pracują wszystkie 4 silniki lokomotywy (cały cykl się powtarza, z tą różnicą, że więcej silników elektrycznych jest zasilanych prądem). Dopiero gdy dojdziemy do drugiej pozycji bezoporowej, pracują wszystkie silniki, zasilane prądem bezpośrednio z sieci trakcyjnej (to znaczy prądem, który nie zostaje osłabiony przez żaden z oporników).
Mogłoby się wydawać, że jest to już koniec, i że nie ma możliwości dalszego rozruchu. Jednak nie jest to prawda, ponieważ istnieje możliwość zwiększenia prędkości lokomotywy przez tzw. bocznikowanie. Należy pamiętać, że bocznikowanie można włączyć tylko, gdy główny nastawnik jazdy znajduje się w pozycji bezoporowej (wszystkie oporniki muszą być wyłączone z obwodu). Mechanizm działania bocznikowania jest zupełnie inny niż w przypadku rozruchu na pozycjach oporowych. Ze stojanem silnika elektrycznego połączonych jest równolegle kilka oporników, które na pozycjach oporowych są wyłączone i nie płynie przez nie prąd. Dopiero, gdy maszynista przełączy nastawnik bocznikowania (inny niż nastawnik główny, choć w niektórych lokomotywach są one połączone) na wyższą pozycję, oporniki te zostają po kolei włączone do obwodu. Gdy taki opornik zostaje włączony do obwodu, obniża on natężenie prądu płynącego przez stojan silnika elektrycznego, powodując zmniejszenie pola magnetycznego wytwarzanego przez silnik. Przy zmniejszeniu pola magnetycznego następuje zmniejszenie momentu obrotowego wirnika silnika, co oznacza, że zmniejsza się siła z jaką lokomotywa może ciągnąć pociąg. Natomiast jednocześnie, wraz ze zmniejszeniem momentu obrotowego, zwiększa się prędkość obrotowa wirnika, czyli następuje wzrost prędkości lokomotywy. Cały proces opisuje równanie na moc silnika elektrycznego:
gdzie:
P – moc silnika
M – moment obrotowy
ω – prędkość kątowa
W momencie, gdy nastanik bocznikowania zostaje włączony na najwyższą pozycję, nie ma możliwości dalszego zwiększenia prędkości pociągu. Jednak lokomotywy używające tego typu rozruch potrafią osiągać imponujące wyniki, np. lokomotywa EP05 (zbudowana w czeskich zakładach Skoda w Pilźnie w 1959 roku) potrafiła rozwinąć prędkość nawet 160 km/h. Jedynym minusem korzystania z rozruchu oporowego są duże straty energii, spowodowane używaniem oporników. Przy intensywnym rozruchu na opornikach wydziela się duża ilość ciepła, przez co należy je chłodzić wyntylatorami, które są bardzo głośne i zmniejszają komfort podróży. Problemem jest również fakt, że ciepła wydzielonego na opornikach nie da się odzyskać, przez co sprawność pojazdów tego typu może spaść nawet do 50%. Jednak dzięki prostej konstrukcji i niezawodności (oraz braku innych rodzajów technologii), pojazdy w których zastosowano rozruch oporowy przez ponad 100 lat dominowały na rynku pojazdów szynowych. Przez wiele lat istnienia rozruchu oporowego powstało mnóstwo serii pojazdów szynowych wykorzystujących ten typ rozruchu. Wśród wielu można wymienić: lokomotywy, np.: EU07/EP07, ET22, EP09, ET21, ET42, również te najstarsze, np.: EP01, EP02, Skoda 181, 182, EL2, Pafawag 2E, elektryczne zespoły trakcyjne, m.in.: EN57, EN71, EW55, ED72, oraz tramwaje takie jak: Konstal 102Na, 105Na lub Duewag GT6. Wiele z nich do dzisiaj jeździ na polskich torach i, choć są powoli wycofywane i zastępowane nowszymi pojazdami, wszystko wskazuje na to, że nadal będą zasilać polską kolej przez kolejne lata.
Rozruch impulsowy pojawił się w latach 80-tych XX wieku jako zastępca dla rozruchu oporowego. Zasada działania pojazdów wykorzystujących ten typ rozruchu opiera się na wykorzystaniu układu tyrystorów w obwodach elektronicznych, które sterują wartością natężenia prądu trafiającego do silników trakcyjnych. Dokładny sposób obniżania mocy prądu jest dosyć prosty – w obwodzie znajduje się urządzenie, które jest odpowiedzialne za ciągłe przerywanie prądu. Tego typu urządzenia nazywa się przerywaczami lub czopperami. Prąd stały, który przepływa przez chopper jest przerywany i znów włączany z częstotliwością rzędu kilkudziesięciu razy na sekundę. W momencie, gdy prąd płynie, do obwodu przekazywany jest prąd o maksymalnej mocy (równy mocy prądu sieci trakcyjnej), natomiast gdy prąd jest przerywany, w rzeczywistości prąd przepływa dzięki diodzie zamontowanej w obwodzie, natomiast jest kilkadziesiąt razy słabszy niż ten o maksymalnej mocy (prąd podtrzymywany przez diodę ma natężenie rzędu kilku amperów, więc jest w zasadzie znikomy). Dzięki dużej częstotliwości z jaką prąd jest przerywany, wartość prądu się uśrednia i w praktyce możemy uznać, że prąd wyjściowy (ten trafiający do silników) jest prądem stałym. Wartość natężenia tego prądu zależy tylko od stosunku czasu w jakim prąd przepływa do czasu w jakim prąd nie płynie (czasu, w jakim prąd jest podtrzymywany przez diodę). Oznacza to, że dzięki sterowaniu czopperem i czasem przepuszczania przez niego prądu pełnej mocy, możemy w łatwy sposób kontrolować wartość natężenia prądu trafiającego do silników trakcyjnych. Na tym właśnie polega rozruch impulsowy z silnikami prądu stałego. Maszynista, poprzez sterowanie nastawnikiem jazdy, daje informację do układu elektronicznego, jak duża ma być średnia wartość natężenia prądu trafiającego do silników. Dzięki zastosowaniu przerywaczy prądu, można zrezygnować z używania oporników w obwodzie wysokiego napięcia, dzięki czemu wyeliminowane zostają znaczne straty energii spowodowane zamianą prądu na ciepło. W tym momencie jedyne straty energii wynikają ze sprawności samego choppera, która najczęściej wynosi około 70%.
W Polsce rozruch impulsowy z wykorzystaniem silników prądu stałego nie ma jednak dużego zastosowania wśród pojazdów szynowych – rozruch tego typu został zastosowany jedynie w lokomotywach serii EM10 (wycofanych ostatecznie z użytku w 2022 roku), oraz kilku modernizacjach tradycyjnych pojazdów serii EN57, np. w serii EN57KM. Zdecydowanie większe zastosowanie rozruch impulsowy prądu stałego znalazł wśród tramwajów, których wiele modeli jeżdżących w Polsce do dzisiaj używa ten typ rozruchu. Jako przykład można wymienić wiele modernizacji pojazdów Konstal 105Na, np. 105NT, 105N2k lub 105Nz, oraz takie pojazdy jak: Tatra KT4Dt lub Duewag NF6D. Główną przyczyną braku powszechnego stosowania tego rodzaju rozruchu była duża popularność rozruchu oporowego, oraz szybkie wprowadzenie jego następcy – rozruchu impulsowego z silnikami prądu przemiennego.
Rozruch impulsowy z zastosowaniem silników prądów przemiennego jest obecnie najnowocześniejszym sposobem rozruchu pojazdów szynowych stosowanym w technice. Do działania używa on urządzeń nazywanych falownikami, stąd inna nazwa tego rodzaju rozruchu – rozruch falownikowy. Falownik jest urządzeniem, które zamienia prąd stały na trójfazowy prąd przemienny o regulowanej częstotliwości. Na tym jest właśnie oparta zasada działania rozruchu falownikowego. Do falownika trafia prąd stały z sieci trakcyjnej, który jest później zamieniany na prąd przemienny. Częstotliwość prądu wyjściowego jest ustalana na podstawie pozycji nastawnika jazdy, którym steruje maszynista. Należy wspomnieć, że pojazdy z rozruchem impulsowym z silnikami prądu przemiennego wykorzystują układy mikroprocesorowe, które kierują pracą podzespołów i ustalają najlepszą wartość parametrów prądu w oparciu o odczyty z urządzeń mierniczych. Tak oto powstały prąd przemienny (trójfazowy) trafia do asynchronicznych silników trakcyjnych, gdzie jest zamieniany na energię mechaniczną. Wielką zaletą zastosowania falowników w pojazdach szynowych jest możliwość używania hamulca elektrodynamicznego. Umożliwia on zamienienie energii mechanicznej na energię elektryczną. W momencie, gdy maszynista ustawi nastawnik jazdy w pozycję hamowania elektrodynamicznego falownik zostaje przesterowany i działa niczym prostownik, natomiast silniki elektryczne działają jak prądnice – pociąg hamuje zamieniając energię mechaniczną na prąd przemienny, który dalej zostaje zamieniony na prąd stały. Ponieważ sieć trakcyjna jest zasilana właśnie prądem stałym, energia utworzona przez hamowanie elektrodynamiczne może być zwrócona do sieci trakcyjnej. Ten rodzaj hamowania nazywamy hamowaniem rekuperacyjnym. W momencie, gdy jednak sieć trakcyjna nie może przyjąć dodatkowej energii elektrycznej, wytworzony prąd kierowany jest do oporników, gdzie zostaje zamieniony na ciepło i tym samym trwale utracony. Hamowanie elektrodynamiczne pozwala oszczędzić duże ilości energii, dzięki czemu pojazdy w nie zaopatrzone są o wiele bardziej ekonomiczne.
Jako, że rozruch falownikowy jest najnowszym rodzajem rozruchu pojazdów elektrycznych, w Polsce jeździ mnóstwo pojazdów używających ten typ rozruchu. Mowa tu m.in. o lokomotywach, takich jak: EU44, EU45, EU46, EU160 lub E6ACT, elektrycznych zespołach trakcyjnych, np.: ED160, ED161, ED250 (Pendolino), Pesa Elf lub NEWAG Impuls, oraz o tramwajach, takich jak: Pesa 120Na (Swing), Moderus Alfa, Moderus Beta lub Stadler Tango. Nie wiadomo, kiedy rozruch falownikowy zostanie zastąpiony nowym rodzajem rozruchu. Inżynierowie z całego świata szukają lepszych rozwiązań, które pozwoliłyby zmniejszyć awaryjność i zarazem zwiększyć osiągi, wygodę oraz ekologiczność pojazdów szynowych.
Pisząc o pojazdach elektrycznych nie należy zapominać o pojazdach akumulatorowych. Są to pojazdy zaopatrzone w akumulator dostarczający energii elektrycznej do silników trakcyjnych, dzięki czemu nie trzeba korzystać z sieci trakcyjnej. Pojazdy tego typu nigdy nie były długoterminowo eksploatowane w Polsce, natomiast powstały wagony akumulatorowe, które przez pewien czas prowadziły pociągi na mało uczęszczanych liniach. Jeden z takich wagonów istnieje w Polsce do dziś i jest własnością Polskiego Stowarzyszenia Miłośników Kolei. Jeżeli chodzi o zasadę działania, to akumulator zasilał silniki prądem stałym, którego natężenie wcześniej było regulowane przez maszynistę poprzez oporniki (rozruch oporowy). Wagony tego typu nie miały oszałamiających osiągów – mogły jeździć z prędkością do 60km/h, a zasięg maksymalny wynosił 180 km. Wagony akumulatorowe były produkowane przed I Wojną Światową, natomiast później zaprzestano ich produkcji na rzecz wagonów silnikowych (spalinowych). Z tego powodu nie mamy wielu informacji na ich temat, a ich konstrukcja nie była dalej rozwijana. Od jakiegoś czasu powrócono do pomysłu zastosowania akumulatorów na szeroką skalę, w czym pomaga intensywny rozwój samochodów elektrycznych. Amerykańska firma Wabtec stworzyła niedawno pierwszą na świecie w pełni akumulatorową lokomotywę, zasilaną 18 tysiącami akumulatorów litowo-jonowych. Nic jednak nie wskazuje na to, aby tego typu pojazdy miały w najbliższym czasie zwiększyć flotę pojazdów szynowych jeżdżących w Polsce.
