交流電力機車

採用交流牽引電動機的交流傳動電力機車，按其牽引電動機的性質還可分為單相整流子電動機電力機車、籠式電動機電力機車、同步電動機電力機車等。中國的交流電力機車，當今為直流傳動電力機車，接觸網電壓為單相工頻25kV，功率為3200～4800kW，用於幹線電力牽引。80年代研製的“韶山”4型交流電力機車，功率為6400kW，最大牽引力628kN，最高時速達100km/h，機車總效率大於82%，功率因數高於0.85。

交流電力機車是隨著鼠籠式感應電動機的發明而產生的，略晚於直流電力機車，始於19世紀末期。由於三相交流接觸網供電系統過於複雜，交流電力機車最初無法與直流電力機車競爭。直到20世紀40年代，隨著水銀整流器、引燃管等整流器件的應用，基本上解決了交流變直流的整流問題，交流電力機車中的直流傳動機車才得以發展。60年代，隨著電力半導體的應用，這種機車獲得了更大的發展。70年代後期，由於電力半導體已能提供大功率變頻裝置，使得性能優越的鼠籠電動機電力機車和電動車輛在一些歐洲國家率先獲得應用。80年代，大功率可關斷電力半導體的出現，以及微機技術的應用，交流電力機車的性能變得更完善、更優越。

交流電力機車由電氣系統和機械結構兩大部分組成。電氣系統包括受電弓、主斷路器、一台大容量的牽引變壓器、4～6台牽引電動機，兩套司機控制設備、一套由晶閘管或可關斷晶閘管構成的變流器，以及功率不等的輔助電動機和大量電器、電子器件等。此外，還有通訊設備、儀錶，有些電力機車還裝有電腦控制裝置。牽引電動機裝在輪軸和轉向架上，通過齒輪傳動驅動力，受電弓裝在車頂，其餘電工設備均在車體內。機械結構主要由車體、車架和轉向架構成。車體通過車架安裝在轉向架上，轉向架再通過彈性支承裝置和軸箱，將機車重量均勻地分配到各個輪對上。中國電力機車的每軸載重量為23t。

交流電力機車所用電能從接觸網獲得，再由裝在車頂的受電弓導入車體，然後經過主斷路器進入牽引變壓器的原邊，降壓后輸入特殊形式的整流器(變流器)和電抗器，使之成為電壓可以平滑調節的直流電流，供給牽引電動機。通過調節整流器的直流輸出電壓，即電動機的端電壓以及電動機的勵磁電流，實現機車的起動和調速。

常用的電壓調節方法有，3種：①用牽引變壓器高壓側調壓后再整流；②用牽引變壓器低壓側調壓后再整流；③用數個可控整流橋靈活組合，實現平滑調壓和整流。第三種方法變壓器的抽頭數少，還省去了調壓開關和相應的維修工作，調壓平滑，是電力機車調壓的較好方法。中國“韶山”4型機車即採用這種調壓方式，其簡化的主電路原理見圖。“韶山”4型。電力機車共有8台牽引電動機，由4組相同的可控整流裝置分別供電。這種電路稱四段經濟橋。橋Ⅰ作電壓的微調，先逐步導通電壓最低的一組半控橋(D1、D2、T1、T2)中的晶閘管T1和T2，到全開放后，再逐步導通整組半控橋(D1、D2、T3、T4)中的晶閘管T3和T4。當T3和T4全開放，電壓升至額定輸出電壓的一半時，整流橋Ⅱ(D3、D4、T5、T6)全導通，整流橋Ⅰ封鎖，這時輸出電壓不變。然後，整流橋Ⅰ的開放次序重複這一過程，從封鎖到全導通，從而使牽引電動機的端電壓從1/2升到額定電壓。這種多段整流橋的逐段開放，避免了相控整流器在電壓低的階段功率因數嚴重惡化的缺點。因此，這種調壓原理獲得普遍應用。

新型採用鼠籠式牽引電動機的交流機車，其電氣原理是：機車內的牽引變壓器將接觸網輸入的高壓電降壓后，先經過整流器（變流器）整流，再由大電容或電感濾波，使之成為直流電，然後由大功率電力半導體構成的逆變器逆變為三相變頻電流，供給三相鼠籠牽引電動機。整個過程構成了單相交流-直流-三相交流變頻系統。大功率脈寬調製 (PWM)逆變器和高功率因數低諧波分量電源側四象限變流器的研製成功，使得這種新型交流電力機車得到很大的發展。

交流電力機車由於接觸網供給的是交流電，因此在牽引變電所中不需要整流裝置，比直流電力機車供電設備簡單、經濟。交流接觸網的電壓高、電流小、所需的牽引變電所因距離加大而數量減少，故比直流供電系統更為經濟，同時機車的功率也大為提高。因接觸網電壓高、電流小，接觸點的用銅量和損耗都相對減小。牽引電動機的端電壓由車內的變壓器供給，不受接觸網電壓的限制，可以選擇對電機最有利的電壓定額，從而提高了牽引電動機的可靠性和經濟性。此外，交流牽引變電所還可以與其他供電網連接起來，統一供電，促進鐵路沿線地區的電氣化。因此用工頻交流電的交流電力機車，在要求功率強大，運行地區寬廣的鐵路幹線電力牽引中，得到了世界範圍的發展。由於交流電力機車採用單相交流接觸網，僅有一條架空導線（另一導線由鐵路鋼軌實現），對其沿線的導體產生不對稱的電磁影響，故對沿線通信線路的干擾較大，通信電纜需要屏蔽，或者改用微波通信及光纖通信，因此增加了投資費用。此外，交流電力機車上的電器設備絕大多數為變流裝置，這些裝置（如常用的相控整流器）難免給電網帶來較多的諧波分量污染和供電質量問題；因機車中整流器的相位控制，使電網電流滯後於網壓，這種相位后移和諧波分量，又降低了電網的功率因數。

以單相整流子電動機為牽引動力的交流機車不需要整流器，機車設備簡單，諧波分量很少，但由於採用了整流子電動機，在工頻下，或者在大功率下，整流困難，故僅在歐洲一些接觸網頻率為16Hz或25Hz的國家使用，其功率相對較小。

用鼠籠牽引電動機驅動的交流電力機車，因鼠籠電動機簡單、可靠、造價低、重量輕、體積小、易於維護檢修、防潮和抗有害氣體性能好、牽引特性硬等優點，可以防止機車輪對和鋼軌間的打滑（空轉），運行部分的牽引特性又可調節成恆功率性能。最大程度地利用了機車上機電設備的功率。因此，這種電力機車具有重載、高速、可靠等特點，是電力機車的發展方向。