電力機車

電力機車、亦稱電力火車，是指從外界供電系統擷取電力作為驅動能源的軌道機車，其電力來源包括架空電纜、第三軌或電池等。同樣使用牽引電動機的電傳動柴油機車、燃氣機車等這類自帶其它能源和發電裝置的機車不納入電力機車範疇。

電力機車起動加速快，爬坡能力強，工作不受嚴寒的影響，運行時不排廢氣，所以在運輸繁忙的鐵路幹線和隧道多、坡度陡的山區線路上更能發揮優越性。此外，電力旅客列車可為客車空氣調節和電熱取暖提供便利條件。由於電氣化鐵路基本建設投資大，設備技術要求高，抗自然災害能力差，故電力機車應用不如內燃機車廣泛，也不可能完全取代內燃機車。

電力機車沒有空氣污染，且善於保養，牽引列車時速可達幾百千米，所以高速列車基本由電力機車牽引。電力機車另一個優點就是能夠在短時間內完成啟動和制動，這個性能比蒸汽機車和內燃機車要優秀很多，特別適合發車密度高、車站間距短的城市軌道交通列車。因此，電力機車在全球範圍內得到重視，世界各國均不斷加大力度研製性能更佳的電力機車。

電力機車的牽引力和爬坡能力比內燃機車和蒸汽機車要大得多，在載重過大或坡度較大的情況下無需採用多機牽引。電力機車最大的優點就是無限行程，只要車輛不駛離電氣化段，就不會“餓倒”（故障除外），無需像內燃機車和蒸汽機車那樣經常補充燃料。

我國初期的電氣化鐵路不是很多（普通鐵路），所以會選擇把原本非電氣化鐵路進行電氣化改造。電氣化改造后的鐵路速度將從100-120km/h提高到160-200km/h，這樣不僅能縮短列車的運輸時間，還能達到5000t以上的貨運列車運輸，提升鐵路運輸效率。如今，走向“高鐵時代”的中國正大力發展電氣化鐵路，電力動車組的速度可達250-400km/h。

1835年荷蘭的斯特拉廷和貝克爾兩人就試著制以電池供電的二軸小型鐵路車輛。1842年蘇格蘭人R.戴維森首先造出一台用40組電池供電的重5噸的標準軌距電力機車。由於電動機很原始，機車只能勉強工作。1879年德國人W.von西門子駕駛一輛他設計的小型電力機車，拖著乘坐18人的三輛車，在柏林夏季展覽會上表演。機車電源由外部150伏直流發電機供應，通過兩軌道中間絕緣的第三軌向機車輸電。這是電力機車首次成功的實驗。電力機車用於營業是從地下鐵道開始的。1890年英國倫敦首先用電力機車在5.6公里長的一段地下鐵道上牽引車輛。幹線電力機車在1895年應用於美國的巴爾的摩鐵路隧道區段，採用675伏直流電，自重97噸，功率1070千瓦。19世紀末，德國對交流電力機車進行了試驗,1903年德國三相交流電力機車創造了每小時210.2公里的高速紀錄。

中國於1914年在撫順煤礦使用1500伏直流電力機車。幹線鐵路電力機車採用單相交流25000伏50赫電流制。1958年製成第一台以引燃管整流的“韶山”型電力機車。1968年改用硅整流器成功，稱“韶山1”型，持續功率為3780千瓦。未來幹線電力機車向大功率、高速、耐用方面發展，客運電力機車速度已從每小時160公里增加到200公里，並向250公里邁進。

各國製造的電力機車電壓制較複雜，不便於國際間鐵路聯運過軌。未來國際上已定出幾種電力機車用標準電壓。直流電壓為600伏、750伏、1500伏和3000伏。單相交流電壓6250伏、工頻50或60赫，電壓15000伏、工頻50或60赫，電壓25000伏、工頻50或60赫等幾種。

1、電力機車具有功率大、速度快、過載能力強、自身負重低、牽引力和加速度大、整備作業時間短、維修量少、能源利用率高、運營費用低、便於實現多機牽引、能採用再生制動以及清潔環保等優點。使用電力機車牽引車列能提高列車運行速度和承載重量，從而大幅度地提高鐵路的運輸能力和通過能力，特別利於舊鐵路的提速。我國的京廣、京滬和京九等幹線鐵路進行電氣化升級改造后大面積開行電力機車，有效縮短了列車旅行時間。

2、電力機車清潔環保，運行時不像蒸氣機車或柴油機車那樣產生廢氣。供電氣化鐵路使用的發電廠在採用化石燃料時，均會控制廢氣排放，除此之外也可使用低污染的風力或水力發電，還能提高熱效率。在噪音方面，電力機車在運行時亦比柴油機車安靜得多。因此，電力機車十分適用於在城市軌道交通線上運營。

3、在性能上，電力機車不需像蒸汽機車或柴油機車那般自攜很重的引擎以及燃料，能減輕自重，因此在加減速和最高速方面均比蒸汽機車和柴油機車優勝，可進一步縮減行車時間，是高速列車、動車組等的第一選擇。

1、電力機車的缺點在於其本身沒有動力源，電能來自外部的電纜或電軌，如遇自然災害、戰爭等不可抗力狀況引發斷電就無法運行，導致運輸癱瘓，甚至可能引起事故。2008年我國華南地區遭遇大面積強降雪，損壞了鐵路沿途線上的供電設備，致使多個班次的電力火車停運，造成嚴重的旅客滯留。混合動力是一種折中方案，即在電力機車上額外配備有應急柴油發電機或增掛柴油發電機車廂，以應付突發的斷電狀況，但會增加運輸成本。

2、電力機車的研製、生產和維修及其所需電氣化鐵路的建設、運營和維護，都要高昂的費用和高端的技術，導致整條鐵路系統的施工難度和養護成本比非電氣化鐵路的高很多。若在經濟貧困、人口稀疏、地勢險峻、氣候惡劣等環境下修建電氣化鐵路，將對國家或當地的財政壓力和科技水平提出苛刻要求。

3、電力機車依賴電氣化鐵路，大量的電網電軌設施會存在一定的安全隱患，如果有人肆意闖入鐵道或爬上車頂就會誘發觸電事故。城市街區中電氣化鐵路的高壓電網如果發生意外坍塌，也易引發觸電後果。

因此，電力機車不能全面取代內燃機車。

地鐵、輕軌、單軌、有軌電車、磁懸浮軌道、旅客自動捷運系統等城市軌道交通線上都運營電力列車。

只要經濟條件和科技水平許可，各國一般都會盡量將舊鐵路電氣化升級改造，使電力機車能運作其中。

我國新建的高速鐵路、快速鐵路、城際鐵路、市域鐵路等都屬於電氣化鐵路，並廣泛運行電力動車組。

電力機車由機械部分，電氣部分和空氣管路系統三部分組成。

包括走行部和車體。走行部是承受車輛自重和載重在鋼軌上行走的部件，由2軸或3軸轉向架以及安裝在其上的彈簧懸掛裝置、基礎制動裝置、輪對和軸箱、齒輪傳動裝置和牽引電動機懸掛裝置組成。車體用來安放各種設備，同時也是乘務人員的工作場所，由底架、司機室、台架、側牆和車頂等部分組成。司機室設在車體的兩端，有走廊相通。司機室內安裝控制設備，如司機控制器、制動閥、按鈕開關、監測儀錶和信號燈等。兩司機室之間用來安裝機車的全部主要設備，有時劃分成小室，分別安裝輔助機組、開關設備、換流裝置以及牽引變壓器等。部分電氣設備如受電弓、主斷路器和避雷器等則安裝在車頂上。車鉤緩衝裝置安裝在車體底架的兩端牽引樑上。車體和設備的重量通過車體支承裝置傳遞到轉向架上，車體支承裝置並起傳遞牽引力與制動力的作用。

機車上的各種電氣設備及其連接導線。包括主電路、輔助電路、控制電路以及它們的保護系統。①主電路：電力機車的最重要組成部分。它決定機車的基本性能，由牽引電動機以及與之相連接的電氣設備和導線共同組成。在主電路中流過全部的牽引負載電流，其電壓為牽引電動機的工作電壓，或者接觸網的網壓，所以主電路是電力機車上的高電壓大電流的動力迴路。它將接觸網上的電能轉變成列車牽引所需的牽引動力。②輔助電路：供電給電力機車上的各種輔助電機的電氣迴路。輔助電機驅動多種輔助機械設備，如冷卻牽引電動機和制動電阻用的通風機，供給各種氣動器械所需壓縮空氣的壓縮機等。輔助電機可以是直流的，也可以是非同步的。③控制電路：由司機控制器和控制電器的傳動線圈和聯鎖觸頭等組成的低壓小功率電路。控制電路的作用是使機車主電路和輔助電路中的各種電器按照一定的程序動作。這樣，電力機車即可按照司機的意圖運行。④保護系統：保證上述各種電路的設施。

按用途可分為：

①供給機車和車輛制動所需壓縮空氣的空氣制動氣路系統。

②供給機車電氣設備所需壓縮空氣的控制氣路系統。

③供給機車撒砂裝置、風嗽叭和刮雨器等輔助裝置所需壓縮空氣的輔助氣路系統。

作用：是風壓的通道，為機車受電弓上升，機車制動，機車散熱提供風源

電力機車按使用場合可分為：工礦電力機車和幹線電力機車兩類。工礦電力機車多採用直流制，功率和速度一般比幹線電力機車小，習慣上按機車的粘著重量分級，如150噸，100噸，85噸，70噸，60噸，50噸和更輕的等級。較大噸位機車用於標準軌距線路，較輕型的機車多用於各種窄軌距線路。幹線電力機車按用途可分為客運電力機車，貨運電力機車，客貨兩用電力機車和調車電力機車四種。按照電氣化鐵路採用的電流制來分類，幹線電力機車可分為兩類。按照動力分配類型可分為傳統電力機車和電力動車組。

裝有直流串勵牽引電動機的機車，接觸網電壓為1500伏或3000伏直流電壓。直流電力機車的起動和速度調節以往是藉助於調節起動電阻和牽引電動機的串聯-並聯轉換來完成的。但這種起動和調速方式不能作到連續平滑地調節速度，而且電能耗損大，線路轉換複雜。隨著直流斬波技術的發展，逐漸為新的脈衝調壓方式所代替。在直流電力機車上通常採用牽引電動機磁場削弱的辦法來提高機車速度，增加機車功率。磁場削弱的級數一般為二至三級。

接觸網電壓20千伏或25千伏，單相工頻為50或60赫。在歐洲少數國家如聯邦德國、瑞典、瑞士等國亦有採用單相低頻交流制的，此時接觸網電壓為11～16千伏，單相工頻為25赫。交流電力機車根據變流裝置和牽引電動機類型，主要有以下三種類型。

①整流器電力機車：又稱單相-直流電力機車，是當前應用最廣的一種交流電力機車。在整流器電力機車上，接觸網上的單相高壓交流電首先通過牽引變壓器降壓，然後通過由硅整流元件或晶閘管組成的整流裝置將單相交流電變換為直流電，供給牽引電動機。一般採用脈流串勵電動機作為牽引電動機。這種電力機車有變壓器和整流裝置，因此採用改變變壓器副邊電壓或對整流裝置實行相位控制的辦法均可改變整流電壓，從而達到調節機車速度的目的。改變變壓器副邊輸出電壓的方式有兩種，即低壓側調壓和高壓側調壓。中國的“韶山”1型電力機車即屬於低壓側調壓型。為了防止動輪空轉，改善機車的粘著性能，便於牽引和制動兩種工況間的相互轉換，整流器電力機車也可採用他勵牽引電動機，如中國試製的“韶山2”型電力機車和瑞典製造的“Rc”型電力機車即是採用他勵牽引電動機。

②單相整流子電動機電力機車：又稱直接式交流電力機車，採用單相整流子牽引電動機。接觸網上的高壓交流電經過變壓器降低電壓后，就直接供電給牽引電動機。這種機車電氣設備簡單，但單相整流子電動機的換相條件隨交流電頻率的增高而惡化，因此多用於單相低頻交流制的電氣化鐵路上。

③交-直-交流電力機車：有時又稱為單相-三相電力機車。在這種機車上，接觸網上的高壓交流電首先通過牽引變壓器降壓、整流，使中間直流環節保持穩定的直流電壓或穩定的直流電流。然後再由逆變電路將中間直流電變換為三相交流電供給三相非同步牽引電動機或三相同步牽引電動機。改變逆變裝置輸出的三相交流電的頻率和電壓即可調節機車的功率和速度。聯邦德國研製成的“E120”型電力機車即為此種機車。

電力機車本身不帶原動機，靠接受接觸網送來的電流作為能源，由牽引電動機驅動機車的車輪。電力機車具有功率大、熱效率高、速度快、過載能力強和運行可靠等主要優點，而且不污染環境，特別適用於運輸繁忙的鐵路幹線和隧道多，坡度大的山區鐵路。

電力機車是從接觸網上獲取電能的，接觸網供給電力機車的電流有直流和交流兩種。由於電流制不同，所用的電力機車也不一樣，分為直-直流電力機車、交-直流電力機車、交-直-交流電力機車三類。

直－直流電力機車採用直流制供電，牽引變電所內設有整流裝置，它將三相交流電變成直流電后，再送到接觸網上。因此，電力機車可直接從接觸網上取得直流電供給直流串勵牽引電動機使用，簡化了機車上的設備。直流制的缺點是接觸網的電壓低，一般為1500V或3000V，接觸導線要求很粗，要消耗大量的有色金屬，加大了建設投資。

交—直流電力機車

在交流制中，世界上大多數國家都採用工頻（50Hz）交流制，或25Hz低頻交流制。在這種供電制下，牽引變電所將三相交流電改變成25kV工業頻率單相交流串勵電動機，把交流電變成直流電的任務因機車上完成。由於接觸網電壓比直流制時提高了很多，接觸導線的直徑可以相對減小，減少了有色金屬的消耗和建設投資。因此，工頻交流製得到了廣泛採用，世界上絕大多數電力機車也是交—直流電力機車。

交—直—交電力機車

採用直流串勵電動機的最大優點是調速簡單，只要改變電動機的端電壓，就能很方便地在較大範圍內實現對機車的調速。但是這種電機由於帶有整流子，使製造和維修很複雜，體積也較大。而交流無0整流子牽引電動機（即三相非同步電動機）在製造、性能、功能、體積、重量、成本、及可靠性等方面遠比整流子電機優越得多。它之所以遲遲不能在電力機車上應用，主要原因是調速比較困難。改變端電壓不能使這種電機在較大範圍內改變速度，而只有改變電流的頻率才能達到目的。因此，只有當電子技術和大功率晶閘管變流裝置得到迅速發展的今天，才能生產出採用三相交流電機的先進電力機車。交—直—交電力機車從接觸網上引入的仍然是單相交流電，它首先把單相交流電整流成直流電，然後再把直流電逆變成可以使頻率變化的三相交流電供三相非同步電動機使用。這種機車具有優良的牽引能力，很有發展前途。德國製造的“E120”型電力機車就是這種機車。1866年，德國工程師西門子與技師哈盧施卡聯營創立電機公司，發明強力發電機，製成世界上第一列電力機車。第二年在巴黎博覽會上展出，震驚了許多人。1879年，在柏林的工商業博覽會上，這輛世界最早的電力火車公開試運行。列車用電動機牽引，由帶電鐵軌輸送電流，功率為3馬力，一次可運旅客18人，時速7公里。兩年之後1881年，柏林郊外鋪設了規模雖小，但為世界最初營業用的電車路線。同時德國又試驗成功駕空接觸導線供電系統，使電力機車的供電線路由地面轉向空中，機車的電壓和功率都大大提高。

1895年，在美國的巴爾的摩一俄亥鐵路線上首次出現了長途電力機車。機車重96噸，1080馬力，採用550V直流供電。

1901年，西門子、哈盧施卡電機公司製造的電力機車在柏林附近創造了時速160公里的記錄。

1880年，美國愛迪生也進行了電車的實驗。

1958年中國第一台電力機車誕生於湖南株洲，命名為“韶山”，為中國鐵路步入電氣化立下了汗馬功勞。

電力機車由於速度快、爬坡能力強、牽引力大、不污染空氣，因此發展很快，地下鐵路也隨著電車的出現而得以問世。

韶山：SS3/BSS4/B/C/GSS6SS6BSS7/B/C/D/ESS8SS9(G)

和諧：(HXD)1/2/3/3BDJ1/26K8K8G6Y

國產韶山系列電力機車簡表

和諧號

CRH1（A/B/E）

CRH2（A/B/C/E/G）

CRH3（A/C）

CRH380（A/B/C/D）

CRH5（A/E/G/J）

CRH6（A/F/S）

復興號

CR400（AF/BF）