轨道列车
我补充一点 CRH 动车组方面的。（主要以 CRH2A 动车组为例进行说明）
以下图片部分来源于网络，侵删。
以下回答不严谨的地方请见谅、指正。
好，开始。谈谈CRH 动车组是怎么跑起来的？
首先 CRH 动车组并不是烧煤的——蒸汽机车，它不长这样。
CRH 动车组也并不是烧柴油的——内燃机车，它也不长这样。
CRH 动车组是用电的，它很美，是我国的“外交名片”，相信大家都见过，都说它好，它长这样。
好，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。
你可别小看它，它可是高压线，有 25kV 呢，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。这玩意还是 1840 年英国 pincus 搞的专利呢。
到这里，CRH 动车组的整个供电大致就清楚了，示意如下。
“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。
好，我们知道了动车组的两条供电线路，那我们再来看看「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。
它具体的结构长这样。
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。
好，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）
好。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。
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？
这主要是技术上的一个问题，因为“交流 - 交流”之间功率因数太低，谐波太大，对电气设备有危害。怎么办呢？ 那就在“交流 - 交流”之间建立一个“缓冲带”洛，这就是“中间直流电路”。
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。
好，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。
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呢。
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。
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。
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。
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。
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。
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）
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。
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。
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。
最后，车轮摩擦、摩擦，在铁轨上摩擦，前进！前进！前进进！
[1] 陈振虹. CRH 高速动车组技术原理与趣谈[M]. 中国铁道出版社, 2013.
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[3] 赵锦华, 范广良. 直流供电系统供电能力分析[J]. 现代制造, 2017(24):11-12.
[4] 薛聪. 直流变压器设计[C]// 首届直流输电与电力电子专委会学术年会. 2012.
[5] 陈士军. 直流输电的优势与前景[J]. 水电站设计, 2003, 19(3):78-79.
[6] 曾志长. 市域铁路两种牵引供电制式工程投资对比分析[J]. 铁路工程造价管理, 2013, 28(5):9-13.
[7] 宋雷鸣. 动车组传动与控制[M]. 中国铁道出版社, 2009.
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