Системы электрической тяги можно разделить на те, которые используют переменный ток, и те, которые используют постоянный ток. При постоянном токе наиболее популярными напряжениями для систем воздушных линий электропередач являются 1500 и 3000. Системы третьего рельса преимущественно находятся в диапазоне 600-750 вольт. Недостатками постоянного тока являются необходимость установки дорогостоящих подстанций через частые интервалы, а также относительно большие и тяжелые воздушные провода или третий рельс. Низковольтный двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой хорошо подходит для железнодорожной тяги, так как прост в конструкции и легко управляется. До конца XX века он повсеместно использовался в электрических и дизель-электрических тяговых агрегатах.
Потенциальные преимущества использования переменного тока вместо постоянного послужили толчком к началу экспериментов и применения этой системы. При использовании переменного тока, особенно при относительно высоком напряжении воздушных проводов (10 000 вольт и выше), требуется меньше подстанций, а более легкий питающий провод, который можно использовать, соответственно, уменьшает вес конструкций, необходимых для его поддержки, что еще больше снижает капитальные затраты на электрификацию. В первые десятилетия электрификации высоковольтным переменным током имеющиеся двигатели переменного тока не подходили для работы с переменным током стандартной коммерческой или промышленной частоты (50 герц [циклов в секунду] в Европе; 60 герц в США и некоторых районах Японии). Необходимо было использовать более низкую частоту (16 2/3 герц в Европе; 25 герц в США); это, в свою очередь, требовало либо специальных железнодорожных электростанций для выработки переменного тока требуемой частоты, либо оборудования для преобразования частоты, чтобы изменить имеющуюся коммерческую частоту на железнодорожную.
Тем не менее, системы питания переменным током с частотой 16 2/3 герц стали стандартом на некоторых европейских железных дорогах, таких как Австрия, Германия и Швейцария, где электрификация началась еще до Второй мировой войны. Несколько магистральных электрификаций на востоке США были построены с использованием 25-герцового переменного тока, который сохранился в Северо-восточном коридоре, обслуживаемом компанией Amtrak.
Однако интерес к использованию переменного тока промышленной частоты в воздушных проводах не ослабевал, и в 1933 году эксперименты были проведены в Венгрии и Германии. Немецкие государственные железные дороги электрифицировали свою ветку Хёлленталь на 20 000 вольт, 50 герц.
В 1945 году Луи Арманд, бывший президент французских железных дорог, занялся дальнейшим развитием этой системы и переоборудовал линию между Экс-Ле-Беном и Ла-Рош-сюр-Фороном для первых практических экспериментов. Это было настолько успешно, что система 25 000 вольт, 50 или 60 герц стала практически стандартом для новых систем электрификации магистральных линий.
В системах переменного тока коммерческой частоты существует два практических способа подвода энергии к ведущим колесам локомотива: (1) с помощью роторного преобразователя или статического выпрямителя на локомотиве для преобразования переменного тока в постоянный ток низкого напряжения для привода стандартных тяговых двигателей постоянного тока и (2) с помощью системы преобразователей для получения тока переменной частоты для привода двигателей переменного тока. Первый метод, с использованием немеханических выпрямителей, был стандартной практикой до конца 1970-х годов.
К концу Второй мировой войны соотношение мощности и веса, достигаемое с помощью электроподвижного состава, было значительно увеличено. Уменьшение массы бортовой электрической аппаратуры и двигателей в сочетании с одновременным увеличением достижимой мощности позволило в 1944 году выпустить для железной дороги Берн-Лётшберг-Симплон 4000-сильный локомотив весом всего 80 000 кг (176 370 фунтов). Все его четыре оси были моторными. Больше не было необходимости в немоторных осях, чтобы удерживать вес на каждой колесной паре в пределах, допустимых для пути.
К 1960 году электротехническая промышленность выпускала трансформаторные и выпрямительные блоки, достаточно тонкие, чтобы поместиться под раму моторного вагона городского скоростного транспорта и тем самым сделать почти весь его корпус доступным для посадки пассажиров. Это помогло ускорить и расширить электрификацию сетей городских железных дорог в промышленно развитых странах для эксплуатации поездов с автономным питанием (т. е. с некоторыми или всеми транспортными средствами, работающими от электродвигателя). Достоинством принципа самодвижущегося состава является его легкая адаптация к пикам спроса на перевозки. Когда два или более составов соединены, дополнительные составы имеют дополнительную необходимую тяговую мощность. При использовании как электрической, так и дизельной тяги можно легко соединить электрическими цепями органы управления питанием и торможением всех составов, так что поезд, который они образуют, может управляться из одной кабины. Благодаря этой возможности такие составы широко известны как многоцелевые. Современные многоцелевые составы все чаще оснащаются автоматическими сцепками, которые сочетают в себе функцию тяги с соединением всех силовых, тормозных и других цепей управления между двумя составами; это достигается за счет автоматического сцепления, когда сцепки сцепляются, гнездом электрических контактов, встроенных в каждую головку сцепки.
Примерно с 1960 года основные достижения в области электрической тяги стали возможны благодаря применению электроники. Особенно значительным было совершенствование полупроводникового тиристора, или «чоппера», для управления подачей тока в двигатели. Тиристор — быстродействующий, мощный переключатель, в котором периоды «включения» и «выключения» каждого цикла могут быть изменены по частям, — обеспечивает плавное градуирование напряжения на тяговых двигателях. Тиристорное управление не только устранило износ деталей и значительно улучшило сцепление электроподвижного состава, но и снизило потребление тока.
Трехфазная моторная тяга на переменном токе стала практически осуществимой в 1980-х годах. С помощью электроники удалось уменьшить до приемлемого веса и размера сложное оборудование, необходимое для преобразования тока воздушных проводов или третьего рельса в переменное напряжение и частоту, пригодные для питания трехфазных двигателей переменного тока. Для железнодорожной тяги двигатель переменного тока предпочтительнее машины постоянного тока по нескольким параметрам. Это индукционный двигатель с короткозамкнутым ротором (т.е. одножильные проводники в пазах замыкаются торцевыми кольцами), в нем нет коммутаторов и щеток, нет механически соприкасающихся частей, кроме подшипников, поэтому он гораздо проще в обслуживании и надежнее. Он более компактен, чем двигатель постоянного тока, поэтому при заданных размерах и весе двигателя можно получить большую мощность. 6 000-килограммовый (14 000 фунтов) двигатель переменного тока в каждой тележке современного электровоза Национальных французских железных дорог обеспечивает постоянную мощность 3 750 лошадиных сил.
Крутящий момент двигателя переменного тока увеличивается с ростом скорости, в то время как крутящий момент двигателя постоянного тока изначально высок и падает с ростом скорости; следовательно, двигатель переменного тока обеспечивает лучшее сцепление для ускорения тяжелых поездов. Наконец, двигатель переменного тока легче переключается в режим генерации для работы в качестве динамического (реостатного) или рекуперативного тормоза автомобиля. (При динамическом торможении ток, создаваемый для противодействия движению поезда, рассеивается через бортовые сопротивления. При рекуперативном торможении, применяемом на горных или интенсивно эксплуатируемых городских линиях, где избыточный ток может быть легко воспринят другими поездами, он подается обратно в воздушный провод или третий рельс.) Недостатками трехфазной тяги переменного тока являются сложность бортового электрооборудования, необходимого для преобразования тока, прежде чем он достигнет двигателей, и более высокая капитальная стоимость по сравнению с системами с двигателями постоянного тока.
Отдельный тяговый двигатель обычно обслуживает каждую ось через соответствующую зубчатую передачу. Для простоты конечной передачи в течение многих лет тяговые двигатели устанавливались на оси локомотива. По мере роста скорости движения поездов становилось все более важным ограничить воздействие на путь неподрессоренных масс. Теперь двигатели либо подвешиваются внутри тележек локомотива, либо, в случае некоторых высокоскоростных локомотивов, подвешиваются к кузову локомотива и соединяются с коробками конечных передач осей гибкими приводными валами.
Характеристики крутящего момента и скорости двигателя постоянного тока делают локомотив, предназначенный для скоростных пассажирских поездов, будь то электрический или дизель-электрический, как правило, непригодным для работы в грузовых поездах. Более тяжелые нагрузки последних требуют иного зацепления бортовых передач, что снизит максимальную скорость, и, возможно, увеличения числа осей с двигателем для повышения сцепления. Но значительные возможности по перевозке смешанных грузов можно получить с трехфазными двигателями переменного тока благодаря их превосходным характеристикам сцепления.
Технология двигателей постоянного тока была использована в первых японских поездах «Синкансен» и первых французских поездах TGV Париж-Лион, но к началу 1990-х годов трехфазная тяга переменного тока была принята для японских и европейских высокоскоростных поездов и, соответственно, для всех систем по всему миру, которые были созданы на их основе. В Европе международная эксплуатация поездов без смены локомотива на границах осложняется тем, что железные дороги исторически приняли различные системы электрификации: либо 1500 или 3000 вольт постоянного тока, либо 25 000 вольт 50 герц, либо 15 000 вольт 16 2/3 герц переменного тока. Например, поезда типа TGV не могли работать с полной эффективностью между Лондоном, Парижем и Брюсселем на линии Eurostar через тоннель под Ла-Маншем, пока им приходилось использовать французские воздушные провода переменного тока напряжением 25 000 вольт, бельгийские воздушные провода постоянного тока напряжением 3 000 вольт и британские рельсы третьего пути напряжением 750 вольт. Французы усовершенствовали тяговые агрегаты, способные работать более чем на одной системе напряжения, вскоре после того, как они решили перейти на электрификацию переменным током 25 000 вольт в районах, не охваченных прежним постоянным током 1 500 вольт. Тем не менее, там, где речь шла о высокоскоростной тяге, было невозможно вместить в допустимые пределы веса локомотива оборудование, необходимое для эквивалентной мощности в каждой системе. Только после того, как все новые высокоскоростные линии были электрифицированы на высоковольтном переменном токе, появилась настоящая высокоскоростная тяга.
Примерно с 1980 года производительность и экономичность как электрических, так и дизельных тяговых агрегатов были значительно улучшены благодаря установке между органами управления движением и жизненно важными компонентами микропроцессоров, которые обеспечивают максимальную эффективность работы компонентов и исключают их случайное перегружение. Еще одним результатом применения электроники в управлении является то, что в современном электровозе машинист может задать скорость поезда, которую он хочет достичь или поддерживать, а тяговое оборудование будет автоматически подавать или изменять соответствующую мощность на двигатели, учитывая вес поезда и уклон пути. Микропроцессоры также выполняют диагностическую функцию, постоянно контролируя состояние систем, которыми они управляют, на предмет выявления признаков зарождающейся или реальной неисправности. Микропроцессоры связаны с главным бортовым компьютером, который мгновенно сообщает о характере и месте фактической или потенциальной неисправности на визуальный дисплей в кабине машиниста, как правило, с рекомендациями для экипажа о том, как ее можно устранить или временно смягчить ее последствия. На дисплее в кабине также отображается эффективность принятых контрмер. Компьютер автоматически сохраняет эти данные либо для загрузки обслуживающему персоналу в конце поездки, либо, на железной дороге, оборудованной радиосвязью между поездами и наземными установками, для немедленной передачи на станцию технического обслуживания, чтобы подготовка к устранению неисправности была проведена сразу же после окончания работы тяговой единицы.
