交(直)交型電力機(jī)車屬于交流傳動(dòng)電力機(jī)車。由各種變流器供電，機(jī)車和動(dòng)車組采用同步或異步電動(dòng)機(jī)做牽引動(dòng)力。目前現(xiàn)有的交(直)交型機(jī)車和動(dòng)車組有電壓型、電流型兩種基本結(jié)構(gòu)。本節(jié)將簡(jiǎn)單介紹交直交變流器供電的異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和交交變流器供電的同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的工作原理和特點(diǎn)。
一、具有異步牽引電動(dòng)機(jī)電力機(jī)車的工作原理
僅以電壓型交直交變流器供電、三相異步電動(dòng)機(jī)作牽引電動(dòng)機(jī)的機(jī)車為例進(jìn)行分析，其原理如圖1-8所示。
機(jī)車在工作時(shí)，受電弓將網(wǎng)壓引入機(jī)車變壓器一次側(cè)繞組，經(jīng)變壓器二次側(cè)繞組降壓后送入①環(huán)節(jié)，將交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電，經(jīng)②環(huán)節(jié)平滑A處的脈動(dòng)，送入③環(huán)節(jié)，將直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電，經(jīng)④環(huán)節(jié)平波電抗器，供給⑤環(huán)節(jié)三相異步牽引電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)牽引運(yùn)行。在這個(gè)系統(tǒng)中，機(jī)車先將電網(wǎng)的交流能量轉(zhuǎn)換為直流能量，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓和頻率可調(diào)的交流能量。各環(huán)節(jié)的作用分述如下：
圖1-8 電壓型異步電動(dòng)機(jī)電力機(jī)車原理圖
?、侪h(huán)節(jié)——整流電路，基本作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。實(shí)現(xiàn)電路可以是不可控整流橋、相控整流橋、四象限脈沖變流器。
?、诃h(huán)節(jié)——直流環(huán)節(jié)濾波器，基本作用是平滑A處的紋波(脈動(dòng))，消除或減少諧波含量(5次諧波)，改善機(jī)車的功率因數(shù)。
?、郗h(huán)節(jié)——逆變器，用于將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，同時(shí)為了機(jī)車調(diào)速的需要，它應(yīng)具有較寬的調(diào)頻范圍和調(diào)壓范圍，一般采用正弦波脈寬調(diào)制(PWM)。隨著電力半導(dǎo)體器件(GTO)的開發(fā)，可以采用電壓相量控制技術(shù)(VVCPWM)，降低電機(jī)損耗，減少網(wǎng)壓波動(dòng)的影響。
④環(huán)節(jié)——平波電抗器，有三大作用，即降低電機(jī)、電纜中高頻成分，控制噪聲傳播，抑制電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的諧波分量，使頻繁斷開電機(jī)電路時(shí)不損壞變頻器，三者通過(guò)三相霍爾電流傳感器對(duì)變頻器輸出端采取完善的短路保護(hù)措施。
系統(tǒng)的工作特點(diǎn)為：
(1)由于異步電動(dòng)機(jī)無(wú)換向器，所以相同功率的電機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)重量較輕，體積小，使機(jī)車轉(zhuǎn)向架簧下部分重量相應(yīng)減少，在機(jī)車通過(guò)曲線時(shí)，輪軌之間側(cè)向壓力也相應(yīng)減少，這對(duì)高速行車尤為重要。同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)體積減小，便能選擇更為合適的懸掛方式，從而簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)。
(2)機(jī)車能發(fā)揮較高的輸出功率。異步牽引電動(dòng)機(jī)不存在換向問(wèn)題，所以高速行車時(shí)電機(jī)效率較高。同時(shí)，牽引電動(dòng)機(jī)因無(wú)換向器，空間利用好，使機(jī)車功率得以進(jìn)一步提高。再生制動(dòng)時(shí)亦能輸出較大的電功率。
(3)機(jī)車具有優(yōu)異的牽引性能和制動(dòng)特性。由于異步電動(dòng)機(jī)具有很穩(wěn)定的機(jī)械特性，因而有自然防空轉(zhuǎn)和防滑行的性能，粘著利用好，既減少了輪箍的損傷，同時(shí)又有利于提高列車的加速度，縮短機(jī)車起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)間。
(4)簡(jiǎn)化了主線路。異步電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)及牽引、制動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，通過(guò)機(jī)車控制電路就能實(shí)現(xiàn)，不需要改變主線路，所以機(jī)車主線路中的兩位置轉(zhuǎn)換開關(guān)可省去。
二、具有同步牽引電動(dòng)機(jī)電力機(jī)車的工作原理
同步電動(dòng)機(jī)電力機(jī)車是一種交交型電力機(jī)車，工作原理如圖1-9所示。
圖1-9 同步電機(jī)電力機(jī)車工作原理圖
機(jī)車工作時(shí)，單相交流電由接觸網(wǎng)經(jīng)受電弓送入牽引變壓器的高壓繞組，再經(jīng)軌道電路流回牽引變電所。接觸網(wǎng)電壓經(jīng)變壓器降壓后送入變頻變流裝置，變頻變流裝置將單相交流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，供給三相同步電動(dòng)機(jī)使用。同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組由變壓器的單獨(dú)繞組供電，經(jīng)整流裝置，提供可調(diào)的直流電壓。
變頻變流裝置利用兩組反并聯(lián)整流橋中可控制的觸發(fā)電路，按一定相序使同步電機(jī)三相繞組依次通電，從而使電機(jī)的定子獲得旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。改變變頻變流裝置的輸出電壓和頻率可以調(diào)節(jié)機(jī)車速度。同時(shí)調(diào)節(jié)同步電機(jī)的勵(lì)磁電流也可實(shí)現(xiàn)機(jī)車調(diào)速。
與異步電動(dòng)機(jī)電力機(jī)車相比，交流同步電機(jī)電力機(jī)車沒有中間環(huán)節(jié)，直接由變頻變流裝置將單相交流電變?yōu)槿嘟涣麟姡虼私Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并能獲得在工頻電流下較寬的調(diào)頻范圍。但是，由于同步電機(jī)仍有滑環(huán)和電刷裝置，在結(jié)構(gòu)、空間利用、維修等方面都不及異步電動(dòng)機(jī)。