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目前，在我国，地铁系统普遍采用DC750/1500V供电制式，而电气化铁路均为AC25kV供电制式。要弄清这种区别的产生，必须从列车的动力心脏——电动机说起。 我们知道，世界上第一台电气化铁道机车使用的正是直流电机。1821年英国科学家法拉第首先证明可以把电力转变为旋转运动的动力。1834年德国人雅可比发明了直流电机。然而，真正具有实用性的直流电机是1870年左右比利时工程师格拉姆发明的。 在这个时间上，又过了9年之后，德国的西门子公司制成了世界首台电力机车。 上图为1879年5月31日西门子在柏林工业博览会上展示世界首台电力机车（3马力，DC150V，铺设于两走行轨中间的供电轨供电） 上图为西门子用于实验的电力机车（肉包铁有没有） 而交流电机是1888年美籍南斯拉夫裔发明家特斯拉发明的。它是根据电磁感应原理制成，又称感应电动机，这种电动机结构简单，使用交流电，无需整流，无火花。 虽然交流电机与直流电机相比有很多优势，但作为牵引电机而言，彼时的交流电机还处于英雄无用武之地的阶段，因为交流调速太困难，要么变压、要么变频，在当时来讲无法实现。（BTW，一百多年前的爱迪生与特斯拉的直流-交流之争，从当时牵引电机的角度来看，可以给爱迪生加一分，尽管后来他输了。） 这就造成了之后的我们都知道情况，世界范围内，直流电机大行其道，无论是有轨电车还是地铁、铁路，使用的都是直流电机，接触网上传输的都是直流电（技术路径依赖）。 地铁方面，例如伦敦地铁的DC630V第三轨供电，纽约地铁采用DC625V，北京地铁的DC750V，莫斯科地铁DC825V，罗马地铁采用DC1500V,.后由IEC统一为DC600V、DC750V、DC1500V三个标准。 电气化铁路方面，荷兰、法国部分铁路的DC1500V，法国、意大利及前苏联的DC3000V等。1961年8月15日建成的我国第一条电气化铁路——宝成铁路宝（鸡）凤（州）段。这条电气化铁路的供电制式最初也是按DC3000V制式设计的。 然而，电气化铁道的直流输电方式包括使用直流牵引电机的弊端很快也显示出来了。 直流输电升压不易，而较低的电压直接带来的影响就是牵引功率需求量越大，电流越大，线损越大，压降越大；直流电机虽然启动电流小、调速方便，但是电刷和换向器却成了它的“阿喀琉斯之踵”，这一缺点，使得直流电机的维护成本较高，可靠性较低。 然而，在直流牵引供电系统大行其道之时，人们对于交流牵引系统的追求也从未停止。 交流驱动的电力机车起始于19世纪末的瑞士，1891年苏黎世的查尔斯.布朗尝试用三相交流电进行长距离电力传输，从一个水电厂向280公里以外的内卡河畔劳芬车站和缅因河畔法兰克福车站输电。 1896年他所在的公司苏黎世Oerlikon（ABB集团的前身）建造了世界上第一条交流供电铁路，规格为750 V 40 Hz。 随后1903年10月28日，西门子公司研制的三相交流电力机车在柏林附近的曼菲尔德—措森线上，创造了每小时210.2公里的世界高速纪录，开启了电气化高速铁路的时代。 上图为西门子1903年的交流电力机车试验（复杂的三相受电弓由三根导线供电）。 从图中可以看到，三相交流牵引供电系统结构十分复杂，显然不是一种好方法。（当然现在也有广州APM线采用三相AC600V，但是采用接触轨供电） 之后单相交流牵引供电系统开始兴起，德国、奥地利、瑞士、挪威和瑞典使用15千伏16.67赫兹(电网频率50Hz的三分之一)的交流电。美国使用11千伏或12.5千伏25赫兹的交流电。 采用交流电供电的机车的电机是通过可调变压器来控制。一些电气化机车使用变压器和整流器来提供低压脉动直流电给电动机使用，通过调节变压器来控制电动机速度（AC-DC）。另一些则使用可控硅或场效应管来产生突变交流或变频交流电来供应给机车的交流电机（AC-DC-AC）。 前者是最先开始与直流制式争夺市场的单相交流牵引供电制式，但车上的电机还是直流电机。比如韶山1型电力机车（车型代号SS1)。 作为中国铁路第一代（有级调压、交直传动）电力机车，由1958年试制成功的第一台引燃管6Y1型电力机车（仿制20世纪50年代苏联H60机车）逐步演变而来，其三大件（引燃管、调压开关、牵引电机）可靠性较差，而经历了三次重大技术改造。之后的韶山系列均为交直传动系统（韶4后有改用三相鼠笼电机，用劈相机产生三相交流电，但劈相机太笨重）。 可以看到，电源侧为交流电，与直流制式相比电压可以更高（车载变压器降压），电源的距离可以更远，输电线路上的损耗更小，适合较远距离的线路供电。 但是，这种进步仍不足以使工程师们停下脚步。人们对牵引供电系统的探究从未停止。 好了，终于进入正题了——“交-直-交”。 不得不说，“交-直-交”现代电力电子及电传动技术最杰出的成果。 前面说过，特斯拉发明交流电机之后，尽管很多方面都优于直流电机，例如结构简单、维修方便，但是作为牵引电机来说，调速控制才是最重要的。 直流电机可以拥有近乎完美的“平滑而经济的调速”，而这一点，让当时的交流电机望而却步，进而想尽各种办法来模拟直流电机的输出特性。 转机来自于大功率可控晶闸管的工业化生产。晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又被称作可控硅整流器，以前被简称为可控硅。 1957年美国通用电气公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化。1971年，采用可控硅实现的de-2500交流电传动内燃机车在德国莱茵河畔试验成功，开始了变频调速的现代交流传动的征程。随后由1台de-2500加挂一节控制车对四象限变流器和PWM逆变器构成的现代电传动基本形式进行试验，并于1983年生产出了5台世界上首批br120交流传动机车在德国投入运营。 形象的说就是简单廉价的交流电机穿上了VVVF（Variable Voltage and Variable Frequency的缩写， 意为：可变电压、可变频率，也就是变频调速系统）的马甲，一举拥有直流电机的可控性。 我国于1998年开始策划、研制和开发“蓝箭”（DJJ-1）号新型交流传动电动旅客列车，于2000年引进法国高速铁路核心技术部件——GTO VVVF牵引逆变器，其动力车于2000年9月3日在株洲电力机车厂下线。 该车主要服务于广深线，是我国第一列采用交—直—交传动新技术的电动车组。后续车型为“中华之星”电动车组（DJJ2型电力动车组），采用了交直交电力牵引，使用JD128型交流牵引电动机及TEP28WG01型GTO牵引逆变器。这两种均为动力集中式动车组。 而2001年研制的DJF2型“先锋号”电力动车组是中国铁路的动力分散式电力动车组车型之一，该电力动车组采用交流传动技术、三菱电机IPM牵引变流器（使用GTR）。之后就是我们现在的CRH及HXD系列了，使用的变频器均采用IGBT。 有点跑偏了，总结起来就是：目前的机车电传动技术主流，无论是国有电气化铁路还是地铁，都是采用交流电传动，牵引电机采用鼠笼式异步电动机，这一点是统一的。 供电系统的区别在于：国有电气化铁路线路长，所以要求供电臂要长以减少牵引所，如此，接触网网压就要很高，所以用AC25kV交流供电，车上背一台牵引变压器和变流机组，也就是“交-直-交”是在车上完成的。 地铁线路短，站间距短，对车体自重要求尽量要轻，所以把“交-直-交”的第一个“交-直”（即降压变压器和整流机组）放到差不多每个车站都有的牵引变电所中，接触网上还是DC750V/1500V（供电臂短，线损及压降可以承受）；第二个“直-交”则在车上完成，即由车载变流器组将直流电逆变为交流电传输给交流牵引电机。 随着我国轨道交通的大发展及城市化进程的深入，未来地铁用直流，大铁用交流的这种严格的区别可能会逐步改变，类似于日本常磐线、筑波快线上奔驰的E501系和TX-2000系交直双制式列车将会登上历史舞台，以解决市内陆铁与城际铁路的换乘问题。 据说：青岛四方新推出的双供电制式城际动车组CRH6S已经下线，既能在地铁DC1500V下运行也能在大铁AC25kV下运行。 这里特别要提到西南交大的曹建猷院士，1956年，曹建猷在《人民日报》上发表了《我国电气化铁道应采用何种电压制》的文章。 在铁道部一些学术论证会上，对当时国内外争论不下的“交流制”和“直流制”；提出了自己的论据和建议。
曹建猷院士的建议采用25千伏的单相工频交流电压制取得国内同行专家的支持和共识，后被铁道部采用。 1957年经国家正式批准，工频交流电制被定为我国电气化铁道的标准。这使我国电气化铁道从一起步就迈入了世界先进技术水平，并以此为基础进行发展了。 历史的车轮滚滚向前，人类对科学的探索和研究从未停止，类似“交直之争”的技术话题，也将随着科学的发展和技术的进步而此消彼长。在它们的不断进步和演变的过程中，我们永远是最大的使用者和受益者。 如今，我们之所以能够安全便捷地享用这些技术，要归功于探究这些技术的科学界前辈们，为此，他们甚至付出了毕生的心血！ 向全世界所有致力于电力牵引技术研究的科学家们致敬！ 地铁资讯 行业智库 |
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