什么是交流电力机车?

[拼音]：jiaoliu dianli jiche

[外文]：A.C.locomotive

以单相交流电能作为动力的电力机车。按牵引电动机的性质又可分为直流传动电力机车和交流传动电力机车两大类。前者采用直流牵引电动机，后者采用交流牵引电动机。采用直流串励牵引电动机的工频单相交流电力机车是目前世界各国所用电力机车的基本型式。中国的“韶山”型电力机车属于这种类型。采用交流牵引电动机的交流传动电力机车，按其牵引电动机的性质还可分为单相整流子电动机电力机车、笼式电动机电力机车、同步电动机电力机车等。中国的交流电力机车目前为直流传动电力机车，接触网电压为单相工频25kV，功率为3200～4800kW，用于干线电力牵引。80年代研制的“韶山”4型交流电力机车，功率为6400kW，最大牵引力628kN，最高时速达100km/h，机车总效率大于82％，功率因数高于0.85。

交流电力机车是随着鼠笼式感应电动机的发明而产生的，略晚于直流电力机车，始于19世纪末期。由于三相交流接触网供电系统过于复杂，交流电力机车最初无法与直流电力机车竞争。直到20世纪40年代，随着水银整流器、引燃管等整流器件的应用，基本上解决了交流变直流的整流问题，交流电力机车中的直流传动机车才得以发展。60年代，随着电力半导体的应用，这种机车获得了更大的发展。70年代后期，由于电力半导体已能提供大功率变频装置，使得性能优越的鼠笼电动机电力机车和电动车辆在一些欧洲国家率先获得应用。80年代，大功率可关断电力半导体的出现，以及微机技术的应用，交流电力机车的性能变得更完善、更优越。

交流电力机车由电气系统和机械结构两大部分组成。电气系统包括受电弓、主断路器、一台大容量的牵引变压器、4～6台牵引电动机，两套司机控制设备、一套由晶闸管或可关断晶闸管构成的变流器，以及功率不等的辅助电动机和大量电器、电子器件等。此外，还有通讯设备、仪表，有些电力机车还装有电脑控制装置。牵引电动机装在轮轴和转向架上，通过齿轮传动驱动力。受电弓装在车顶，其余电工设备均在车体内。机械结构主要由车体、车架和转向架构成。车体通过车架安装在转向架上，转向架再通过d性支承装置和轴箱，将机车重量均匀地分配到各个轮对上。中国电力机车的每轴载重量为23t。

交流电力机车所用电能从接触网获得， 再由装在车顶的受电弓导入车体，然后经过主断路器进入牵引变压器的原边，降压后输入特殊形式的整流器(变流器)和电抗器，使之成为电压可以平滑调节的直流电流，供给牵引电动机。通过调节整流器的直流输出电压，即电动机的端电压以及电动机的励磁电流，实现机车的起动和调速。

常用的电压调节方法有 3种：

（1）用牵引变压器高压侧调压后再整流；

（2）用牵引变压器低压侧调压后再整流；

（3）用数个可控整流桥灵活组合，实现平滑调压和整流。第三种方法变压器的抽头数少，还省去了调压开关和相应的维修工作，调压平滑，是电力机车调压的较好方法。中国“韶山”4型机车即采用这种调压方式，其简化的主电路原理见图。

“韶山”4型。电力机车共有8台牵引电动机，由4组相同的可控整流装置分别供电。这种电路称四段经济桥。桥Ⅰ作电压的微调，先逐步导通电压最低的一组半控桥(D1、D2、T1、T2)中的晶闸管T1和T2，到全开放后，再逐步导通整组半控桥(D1、D2、T3、T4)中的晶闸管T3和T4。当T3和T4全开放，电压升至额定输出电压的一半时，整流桥Ⅱ(D3、D4、T5、T6)全导通，整流桥Ⅰ封锁，这时输出电压不变。然后，整流桥Ⅰ的开放次序重复这一过程，从封锁到全导通，从而使牵引电动机的端电压从1/2升到额定电压。这种多段整流桥的逐段开放，避免了相控整流器在电压低的阶段功率因数严重恶化的缺点。因此，这种调压原理获得普遍应用。

新型采用鼠笼式牵引电动机的交流机车，其电气原理是：机车内的牵引变压器将接触网输入的高压电降压后，先经过整流器（变流器）整流，再由大电容或电感滤波，使之成为直流电，然后由大功率电力半导体构成的逆变器逆变为三相变频电流，供给三相鼠笼牵引电动机。整个过程构成了单相交流-直流-三相交流变频系统。大功率脉宽调制 (PWM)逆变器和高功率因数低谐波分量电源侧四象限变流器的研制成功，使得这种新型交流电力机车得到很大的发展。

交流电力机车由于接触网供给的是交流电， 因此在牵引变电所中不需要整流装置，比直流电力机车供电设备简单、经济。交流接触网的电压高、电流小、所需的牵引变电所因距离加大而数量减少，故比直流供电系统更为经济，同时机车的功率也大为提高。因接触网电压高、电流小，接触点的用铜量和损耗都相对减小。牵引电动机的端电压由车内的变压器供给，不受接触网电压的限制，可以选择对电机最有利的电压定额，从而提高了牵引电动机的可靠性和经济性。此外，交流牵引变电所还可以与其他供电网连接起来，统一供电，促进铁路沿线地区的电气化。因此用工频交流电的交流电力机车，在要求功率强大，运行地区宽广的铁路干线电力牵引中，得到了世界范围的发展。由于交流电力机车采用单相交流接触网，仅有一条架空导线（另一导线由铁路钢轨实现），对其沿线的导体产生不对称的电磁影响，故对沿线通信线路的干扰较大，通信电缆需要屏蔽，或者改用微波通信及光纤通信，因此增加了投资费用。此外，交流电力机车上的电器设备绝大多数为变流装置，这些装置（如常用的相控整流器）难免给电网带来较多的谐波分量污染和供电质量问题；因机车中整流器的相位控制，使电网电流滞后于网压，这种相位后移和谐波分量，又降低了电网的功率因数。

以单相整流子电动机为牵引动力的交流机车不需要整流器，机车设备简单，谐波分量很少，但由于采用了整流子电动机，在工频下，或者在大功率下，整流困难，故仅在欧洲一些接触网频率为16卭Hz或25Hz的国家使用，其功率相对较小。

用鼠笼牵引电动机驱动的交流电力机车，因鼠笼电动机简单、可靠、造价低、重量轻、体积小、易于维护检修、防潮和抗有害气体性能好、牵引特性硬等优点，可以防止机车轮对和钢轨间的打滑（空转），运行部分的牵引特性又可调节成恒功率性能。最大程度地利用了机车上机电设备的功率。因此，这种电力机车具有重载、高速、可靠等特点，是电力机车的发展方向。