帶“小辮子”的電力機車

燃料的內(nèi)燃化使得內(nèi)燃機車熱效率較蒸汽機車大幅度提高，達到了20%～30%。我們經(jīng)常說―人無完人‖，―車無完車‖反映到內(nèi)燃機車上也是適用的。在技術層面上，受鐵路限界及機車內(nèi)部空間所限，內(nèi)燃機車功率不可能很大，而且它的能量要經(jīng)歷―熱能→機械能→電能→機械能‖的系列轉換，所以進一步效率提高受到限制；在運用層面上，有柴油燃燒所帶來的廢氣污染問題，也有柴油機工作時轟鳴的噪聲與振動問題等。

解決內(nèi)燃機車上述問題的措施就是電力牽引。實際上，自從1821年英國物理學家法拉第發(fā)現(xiàn)電磁現(xiàn)象以來，在社會生產(chǎn)中對這種特性的應用就已經(jīng)開始了，只是因受限與電工電子技術的發(fā)展，工程化的進展比較慢。1825年英國發(fā)明家喬治。史蒂芬森發(fā)明了蒸汽機車，開創(chuàng)了鐵路運輸事業(yè)。之后，許許多多的科學家對用電能作為鐵路運輸?shù)臓恳齽恿M行了大量的研究。1934年美國的托瑪斯·達文波特利用電磁鐵制作了往復式電動機，驅(qū)動車輛在軌道上運行，供游人參觀。1835年，荷蘭的斯特拉廷和貝克爾兩人就試著制以電池供電的二軸小型鐵路車輛。1837年，荷蘭化學家羅伯特。戴維斯（Robert Davidson）試制了以電池供電、電機牽引的小型二軸車輛，這是世界上第一輛電力機車。1841年，在蘇格蘭皇家藝術學會舉辦的展覽上，戴維斯向人們展示了的新一代電力機車。在展示環(huán)節(jié)，這輛重7噸的機車，在兩個電機的驅(qū)動下，牽引6噸的貨物以6公里的時速行駛了大約2公里。1842年9月，這輛機車在愛丁堡至格拉斯哥的鐵路線上進行測試，由于功率所限它既不能拉客，也不能拉貨，所以沒有得到推廣。

1879年，德國發(fā)明家馮·西門子（Werner von Siemens）駕駛著自己設計的小型電力機車，牽引能坐18人的三輛車廂在柏林世界貿(mào)易展覽會上進行表演，這也是電力機車的首次成功實驗。機車裝有功率2.2kw的串勵直流電動機，并通過兩軌道中間的第三軌提供150V的驅(qū)動電源。在4個月的展會期間，列車在300米長的橢圓軌道上共運輸參觀者9萬人。

（1879年柏林世貿(mào)會上的電力機車）

1881年，西門子和哈爾斯克公司在柏林近郊的利希特菲爾德車站至軍事學院之間修建了一條2.45km長的電車線路，這是世界上第一條商業(yè)運行的電氣化鐵路。同年，在法國巴黎國際電工展覽會上展出了第一條長500m，由2條架空導線供電的電車線路，這為提高電壓，采用大功率牽引電機創(chuàng)造了條件。1983年，世界上第一條由架空導線供電的電車線路在澳大利亞投入日常運營。這種由電力機車牽引形式的電氣化鐵路的出現(xiàn)，引起了西歐、美國、日本極大的興趣，于是紛紛開始修建電氣化鐵路。

電力機車早期的發(fā)展得益于各國城市軌道交通的蓬勃發(fā)展。隨著地鐵和隧道數(shù)量的不斷增加，蒸汽機車排放出的煙塵讓人憂心忡忡，越來越多的城市都傾向于采用電氣化牽引。1890年，英國倫敦首先用電力機車在5.6公里長的一段地下鐵道上牽引車輛。為了與新修到紐約的鐵路連接在一起，在巴爾的摩至俄亥俄線路基礎上，又修建了4英里連接線。該連接線經(jīng)過市區(qū)，且有好幾座隧道，因此在1895年開通時采用了電力機車牽引。機車采用675伏直流電，自重97噸，功率1070千瓦，為世界第一臺干線鐵路電力機車。

1897年，美國人法蘭克·史伯格(Frank J. Sprague)發(fā)明了同時控制多個牽引電機的操控系統(tǒng)，解決了多車連掛時由于電機不協(xié)調(diào)導致的各種問題，也為電力機車的大規(guī)模應用提供了技術保證。19世紀末，德國對交流電力機車進行了試驗，1903年德國三相交流電力機車創(chuàng)造了每小時210.2公里的高速紀錄。

（1895年行駛在美國巴爾摩鐵路的電力機車）

電力機車的發(fā)展取決于電力牽引技術的發(fā)展，同時也受制于電氣化鐵路的發(fā)展。建設具有真正意義的電氣化鐵路首先要解決如何提供高壓電，改變供電制式的問題。

接觸網(wǎng)供給機車的電流有直流和交流兩種（交流制中又分單相交流、三相交流），稱為供電制式。在電氣化鐵路發(fā)展初期，主要是采用直流電力機車牽引，另外也有一部分三相交流和單相低頻電力機車。受當時科學技術水平的制約，直流電力機車供電電壓不高，三相交流接觸網(wǎng)設備過于復雜，單相低頻制電力機車又需要單獨的供電電網(wǎng)，因此電力機車初期發(fā)展較慢。20世紀20年代中期，當時世界各國電氣化鐵路主要采用直流供電，接觸網(wǎng) 電壓為 1500伏～3000伏。為了克服直流電力牽引網(wǎng)電壓低的缺點，瑞士于 1904年實驗了單相工頻交流電力機車，并取得成功。1932

年匈牙利在布達佩斯一黑基也什霍洛姆鐵路上第一次采用了l6kv 的單相工頻交流制電力牽引。這種電流制式的優(yōu)點是能直接從具有巨大容量的電力系統(tǒng)取得電能，大大簡化了牽引變電所的供電設備，降低了建設投資和運營費用。單相工頻交流制，雖然出現(xiàn)的比較晚，但發(fā)展得很快，并迅速被世界各國廣泛采用。1950年，法國試制了引燃管整流器式電力機車；1960年，西德制成半導體整流器式電力機車；1958年，美國發(fā)明晶閘管后，晶閘管相控機車開始問世，使制造大功率機車用逆變器成為現(xiàn)實，工頻單相交流制推動了電氣化鐵路的發(fā)展。

與蒸汽機車和內(nèi)燃機車相比，電力機車具有功率大、速度快、過載能力強、自身負重低、牽引力和加速度大、整備作業(yè)時間短、維修量少、能源利用率高、運營費用低、便于實現(xiàn)多機牽引、能采用再生制動以及清潔環(huán)保等優(yōu)點。因此，第一次石油危機爆發(fā)后，世界各國對鐵路電力和內(nèi)燃牽引重新進行了經(jīng)濟評價，電力牽引更加受到青睞。英國原先主要是發(fā)展內(nèi)燃牽引，也開始重視發(fā)展電力牽引；就連已經(jīng)完全內(nèi)燃化的美國，鐵路電氣化的呼聲也很高。

這時候，半導體技術和微機控制技術的突破和發(fā)展推動了新型電力機車的問世。1979年，第一臺采用異步電動機驅(qū)動的交-直-交大功率電力機車在德國誕生，開創(chuàng)了電力機車發(fā)展的新紀元，并逐漸確立了電力機車在鐵路牽引動力方面第三代霸主的地位。隨著既有電力機車的更新?lián)Q代和高速鐵路的蓬勃發(fā)展，干線電力機車的研制已從直流傳動轉向交流傳動。20世紀90年代，歐洲、日本等主要機車制造廠商幾乎已停止了直流傳動電力機車的生產(chǎn)，交流傳動電力機車已成為世界電力機車發(fā)展的主流，目前世界先進國家新造的大功率電力機車幾乎都采用了三相交流傳動技術，單軸功率達到 (1000～1600)KW的大功率客、貨通用型 GTO變頻調(diào)速電力機車已經(jīng)廣泛投入運用，在(250～300) km/h 及其以上的高速領域，交流傳動的電動車組獨領風騷。

（我國新一代 9600kw 大功率電力機車）

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