地铁轨道与列车的原理（地铁等轨道列车的动力来源是什么）

谈谈 CRH动车组是怎么跑起来的？

（以下图片部分来源于网络，侵删。）

首先CRH动车组并不是烧煤的——蒸汽机车，它不长这样。

蒸汽机车-pic fr. Internet

CRH动车组也并不是烧柴油的——内燃机车，它也不长这样。

内燃机车-pic fr. Internet

CRH动车组是用电的，相信大家都见过，它长这样。

CRH动车组-pic fr. Internet

我们现在已经知道CRH动车组的动力来源是电了，具体来说，其实是交流电。（至于为什么是交流电？下文会说）

小时候，老师说过，电这玩意要形成回路（一去一回），电流才会通过。

那么，CRH动车组的电回路（一去一回）是怎么形成的呢？

我们先看"去的那条线"。

相信你平时也注意到了，铁轨的上面有一些架着的供电线，这就是"去的那条线"，它叫「接触网」，长这样。

接触网-pic fr. Internet

你可别小看它，它可是高压线，有25kV，远远高于我们家用的220V。

知道了"去的那条线"，你一定很奇怪，"回的那条线"在哪呢？

平时可没看见地上有线呀。

其实，那是假象，"回的那条线"你也能看见，它就是铁轨。这玩意是1840年英国pincus搞的专利。

到这里，CRH动车组的整个供电大致就清楚了，示意如下。

供电示意-pic fr. Ref. 1

"去的那条线"是接触网，"回的那条线"是钢轨＋回流线。整个"送电"和"回电"过程靠牵引变电所控制的。

知道了动车组的两条供电线路，我们再来看看「车」是怎么与「接触网」以及「钢轨」相连接的呢？

先说"去的那条线"，动车组是靠什么实现受流的？

答案是靠「受电弓」与「接触网」相接触以实现受流的。

那，受电弓又是个啥？其实，你一定也见过，就是车顶上的那个"铁辫子"，它长这样。

受电弓-pic fr. Internet

它具体的结构长这样。

DSA250受电弓-pic fr. Ref. 2

受电弓是从接触网获得电能的部件，列车运行时压缩空气通过车的各阀进入受电弓升弓装置气囊，升起受电弓，使受电弓滑板与接触网接触；降弓时，排出升弓装置气囊内压缩空气，使受电弓落下。——Ref. 2

那，它是怎么动起来的呢？

其实它是机械设计上非常经典的四连杆机构，不过它是两套四连杆嵌套着玩。把受电弓的弓头"推"起来，让碳滑板与接触网接触，这样它就受流了。

四连杆机构-pic fr. Internet

再说"回的那条线"，动车组是靠什么实现回流的？

答案是靠「轮对」与「钢轨」相接触以实现回流的。

那，轮对又是个啥？轮对就是我们通常所说的"火车的车轮子 车轴"。

那么，你可能会想？

从「受电弓」获得的这么大的电流，它又是怎么通过「轮对」传到「钢轨」上的？这肯定得有条线吧？

对，其实这条线确实还挺讲究的。

目前主要有两种方式：

· 轴端接碳刷（动车组常用方式）

轴端接碳刷-pic fr. Ref. 1

· 轴身接碳刷（CRH2A采用的方式）

轴身接碳刷-pic fr. Ref. 1

通过上面的讲解，相信我们已经大致明白动车组的供电线路、受流以及回流装置了。

下面，我们再谈谈动车组的牵引传动方式以及具体的牵引传动设备。

先放一张总图。

牵引传递系统-pic fr. Me

这张图里有两个重要的信息：

· 动车组的牵引传动方式是"交-直-交"，也就是从"交流电"到"直流电"，再到"交流电"。

· 动车组的牵引传动设备主要有：「受电弓」→「变压器」→「牵引变流器」→「牵引电机」→「联轴节」→「齿轮箱」→「车抽」→车轮」。

先谈谈牵引传动方式。

我国CRH动车组的牵引传动方式是"交-直-交"。

那么你可能会问，为什么是"交-直-交"？，而不是"直-直"，"直-交"，"交-直"，亦或"交-交"呢？

下面简单回答下。

Q1：为什么输入端是交流？而不是直流？

在1956年，我国铁道电气化刚起步，采用"交流式"还是"直流式"受到人们极大的关注，因为它关系到我国电气化铁路的长远发展方向。

当时，西南交通大学的曹建猷院士通过论证分析，建议电气化铁路采用单相交流25kV的供电制式。随后，1957年经国家正式批准，单相交流25kV的供电制式被定为我国电气化铁道的标准。

通过查阅相关文献，谈谈为什么动车组要采取这一供电制式呢？（非供电专业，不严谨处请指正）

这一供电制式主要有两个特点：一是高压（25kV），二是交流供电（AC）。下面逐点进行分析。

1) 为什么是高压？

a. 因为选择高压输电，将能降低输电线的能耗。

CRH动车组的运营速度一般在200公里及以上，其牵引功率要比地铁等城市轨道交通装备大很多。如CRH2A的牵引功率是4800kW，CRH380A的牵引功率是9600kW，而成都1号线地铁列车的牵引功率是2160kW。

我们知道P=UI。若U都取1500V，CRH2A、CRH380A和成1要达到自己需求的功率，那么CRH2A的、CRH380A、成1的电流分别是3200A、6400A、1440A。

在中学课本里，我们知道P=I²×R，电路中如果电流较大，电能的损失是很大的。很明显，动车组的电能损耗高于地铁。

因此，鉴于CRH动车组的大功率特性，选择高压输电，将能降低输电线的能耗——功率一定，电压变高，则电流变小，则损失的电能变小。

b. 因为选择高压输电，将能减少设备的运营费用。

直流供电与交流供电的供电规律都符合电压越高，负荷矩越大，供电距离越远的趋势。——Ref. 3

因此，鉴于CRH动车组运营里程较长的特点，选择高压输电，将能减少牵引变电所的数量，从而降低设备的运营费用。

2) 为什么是交流供电？

由上我们可知，选择高压输电大有益处。

但，你可能会问：为什么一定得选择交流高压供电？直流高压供电不可以吗？

其实，从技术上来说，直流高压输电也是可行的（随着电力电子技术的新突破），其问题的关键主要在于以下两点：

a. 交流变压比直流变压方便，变压效率高[Ref. 4]。b. 交流电有电流波形的过零点， 因此灭弧比直流容易[Ref. 5]。

因此，综上，CRH动车组为了降低输电线的能耗，降低设备的运营费用，选择高压输电；为了保障变压效率和质量，选择交流电压。

两者复合[高压 交流]，就形成交流高压供电制式了，即单相交流25kV。

目前，国铁（运营普通列车与动车组）与城市轨道交通车辆（地铁等）的供电制式已形成国家标准[Ref. 6]。

· 国铁：单相交流AC 25kV，50Hz。

· 城市轨道交通车辆的供电制式为：DC 750/1500 V。

两者具体的技术特点可以参考下表[Ref. 6]。

Q2: 为什么输出端是交流？而不是直流呢？

答案是想用交流电机。这玩意是1888年特斯拉发明的，它与直流电机相比，具有功率大，体积小，质量轻，便于控制，维修等优点。在这里暂不展开。

Q3: 为什么中间端要增加直流？而不直接是"交-交"呢？

这主要是一个技术问题，当前工程技术无法满足"交流-交流"变频变压控制的即时性。（之前没有明确提出，据知友提醒补充，感谢）

怎么办呢？ 那就在"交流-交流"之间建立一个"缓冲带"，这就是"中间直流电路"。直流环节可以储存电能，缓冲电压的剧烈变化，而使得变频变压控制较好（"直流-交流"控制）。此外，"交流-交流"之间功率因数也较低，谐波太大，对电气设备有危害。

至此，"交-直-交"就说完了。这种牵引传动方式现已成为干线铁路的主流，被世界各国广泛采用了。

知道了CRH动车组的牵引传动方式，那我们就具体来看看，动车组是如何通过"交-直-交"让车跑起来的，这里面又有哪些设备呢？

1."降压"神器——「变压器」

从前面我们已经知道，接触网的网压高达25kV，这么高的电压让电机怎么玩呀。所以，我们需要降压。

那降压靠什么？牵引变压器。

牵引变压器用来把接触网上取得的25 kV高压电变换为供给牵引变流器及电动机、电器工作所适合的电压，其工作原理与普通电力变压器相同。——Ref. 7

具体关于变压器的知识就不展开了。你只要知道它的主要功能是交流降压就得了。

CRH2A的变压器型号是ATM9。长这样。

ATM9型变压器-pic fr. Ref. 2

技术参数如下：

· 输入（from受电弓）：交流 25kV; 50Hz; 122A

· 输出（to整流器）：交流1500V; 50Hz; 857×２A（牵引绕组）

· 外形尺寸（长×宽×高）：2.57m×2.3m×0.835m

· 重量：2910kg

从技术参数可知，这这玩意其实挺重、挺大的。将近6000斤，比快捷酒店的大床还大。

2."交变直，直变交"的神器——「牵引变流器」

从前面我们已经得知，动车组的牵引传动方式是"交-直-交"，那么它是靠什么实现呢？

那就是动车组的关键部件——牵引变流器。

牵引变流器主要由整流器，逆变器以及中间直流电路组成。它长这样。

牵引变流器-pic fr. Internet

下面主要说说整流器与逆变器这两个部件。

1) 交流变直流——整流器

整流器是牵引传动系统的电源侧变流器，列车牵引运行时，将牵引变压器的牵引绕组输出的单相交流变换成直流电。——Ref. 7

具体关于整流器的知识也不展开了。你只要知道它的主要部件是IGBT，在列车牵引运行时，通过开关的切换，以PWM斩波方式把交流电变成了直流电。

CRH2A车的整流器具体长这样。

整流器-pic fr. Ref. 2

技术参数如下：

· 输入（from牵引变压器）：交流1500V、50Hz

· 输出（to中间直流）：600V～3000V内（按速度范围变化可调） 432A

· 外形尺寸（长×宽×高）：0.55m×1.015m×0.61m

· 重量：190kg

2) 直流变交流——逆变器

逆变器是牵引传动系统的电动机驱动侧变流器，列车牵引运行时，将中间直流环节的直流电压变换成电压、电流、频率按照牵引特性要求控制的三相交流电，并保证三相电压对称、电流尽量接近正弦，减少谐波及电压不对称对牵引电机的影响。——Ref. 7

具体关于逆变器的知识也不展开了。你只要知道它的主要部件是IGBT， 在列车牵引运行时，通过开关的切换，以PWM斩波方式把直流电变成了交流电。

逆变器-pic fr. Ref. 2

技术参数如下：

· 输入（from中间直流电路）：直流3000V，432A

· 输出：三相交流2300V；424A；0～220Hz

· 尺寸（长×宽×高）：0.55m×0.66m×0.61m

· 重量：130kg

到这里，你是否发现，整流器与逆变器长得好像，就像双胞胎一样？

对，其实它俩身份是可以互换的。

在牵引时，整流器把"交流"→"直流"；逆变器把"直流"→"交流"。

在制动时（再生制动），整流器、逆变器身份互换。

为什么呢？这里牵涉到动车组的制动问题（电空复合制动）。

本题主要关注动车组牵引过程，也就是列车怎么跑起来的，所以就不对此展开了。

3."电能转化为机械能"的神器——「牵引电机」

牵引电机是实现电能和机械能转化的最核心部件，列车牵引时作电动机运行，将电能转化为机械能。——Ref. 7

CRH2A采用MT205型三相鼠笼异步电机。具体关于牵引电机的知识也不展开了。它长这样。

牵引电机-pic fr. Ref. 2

技术参数如下：

· 功率：300kW

· 电压：2000V

· 电流：106A

· 频率：140Hz

· 转速： 4140r/min

· 质量： 440Kg

牵引电机的动态示意图如下。

牵引电机动态图-pic fr. Internet

4."牵引力产生"的神器——「联轴节」「齿轮箱」「车轴」「车轮」

好，电机已经旋转起来了，那动车组是怎么跑起来的呢？

其实它与我们小时候玩的四驱车是类似的。（好像暴露年龄了）

四驱车底盘-pic fr. Internet

只不过动车组没有传动轴，每个动车转向架（类似于汽车的底盘和车轮）有两个电机，每个电机驱动两个轮子。转向架具体长这样。

转向架-pic fr. Me

好，下面我们来一步一步来分析。

看看从牵引电机输出的扭矩是如何使车轮"跑"起来的。

1) 牵引电机→联轴节

联轴节是将牵引电机输出轴与齿轮箱的输入轴（小齿轮轴）联结起来的装置，在传递扭矩的同时，允许两者间的相对运动。它长这样。

联轴节-pic fr. Ref. 2

联轴节一端连接牵引电机输出轴，一端连接齿轮箱的输入抽（小齿轮轴），然后将电机的扭矩传递给齿轮箱。

2) 牵引电机→联轴节→齿轮箱

齿轮箱是将牵引电机的扭转力矩有效地传递到车轴而使车轮"跑"起来的装置。它长这样。

齿轮箱-pic fr. Internet

齿轮箱的小齿轮与联轴节相连接，大齿轮与车轴相连接。大齿轮与小齿轮之比为传动比。

CRH2A齿轮箱的传动比为85/28=3.036。

齿轮箱的动态示意图如下。

齿轮箱动态图-pic fr. Internet

3) 牵引电机→联轴节→齿轮箱→轮对（车轮&车轴）

好，终于到最后一步了，通过齿轮箱的大齿与车轴配合，使得电机的扭矩传递到轮对上，最终轮对滚动使车辆前进运行。轮对（车轴&车轮）长这样。

轮对-pic fr. Internet

最后，车轮摩擦、摩擦，在铁轨上摩擦，前进！前进！前进进！

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