帶“小辮子”的電力機(jī)車

燃料的內(nèi)燃化使得內(nèi)燃機(jī)車熱效率較蒸汽機(jī)車大幅度提高，達(dá)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(jī)車上也是適用的。在技術(shù)層面上，受鐵路限界及機(jī)車內(nèi)部空間所限，內(nèi)燃機(jī)車功率不可能很大，而且它的能量要經(jīng)歷―熱能→機(jī)械能→電能→機(jī)械能‖的系列轉(zhuǎn)換，所以進(jìn)一步效率提高受到限制；在運(yùn)用層面上，有柴油燃燒所帶來的廢氣污染問題，也有柴油機(jī)工作時(shí)轟鳴的噪聲與振動(dòng)問題等。

解決內(nèi)燃機(jī)車上述問題的措施就是電力牽引。實(shí)際上，自從1821年英國(guó)物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)電磁現(xiàn)象以來，在社會(huì)生產(chǎn)中對(duì)這種特性的應(yīng)用就已經(jīng)開始了，只是因受限與電工電子技術(shù)的發(fā)展，工程化的進(jìn)展比較慢。1825年英國(guó)發(fā)明家喬治。史蒂芬森發(fā)明了蒸汽機(jī)車，開創(chuàng)了鐵路運(yùn)輸事業(yè)。之后，許許多多的科學(xué)家對(duì)用電能作為鐵路運(yùn)輸?shù)臓恳齽?dòng)力進(jìn)行了大量的研究。1934年美國(guó)的托瑪斯·達(dá)文波特利用電磁鐵制作了往復(fù)式電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輛在軌道上運(yùn)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(xué)家羅伯特。戴維斯（Robert Davidson）試制了以電池供電、電機(jī)牽引的小型二軸車輛，這是世界上第一輛電力機(jī)車。1841年，在蘇格蘭皇家藝術(shù)學(xué)會(huì)舉辦的展覽上，戴維斯向人們展示了的新一代電力機(jī)車。在展示環(huán)節(jié)，這輛重7噸的機(jī)車，在兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，牽引6噸的貨物以6公里的時(shí)速行駛了大約2公里。1842年9月，這輛機(jī)車在愛丁堡至格拉斯哥的鐵路線上進(jìn)行測(cè)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(guó)發(fā)明家馮·西門子（Werner von Siemens）駕駛著自己設(shè)計(jì)的小型電力機(jī)車，牽引能坐18人的三輛車廂在柏林世界貿(mào)易展覽會(huì)上進(jìn)行表演，這也是電力機(jī)車的首次成功實(shí)驗(yàn)。機(jī)車裝有功率2.2kw的串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，并通過兩軌道中間的第三軌提供150V的驅(qū)動(dòng)電源。在4個(gè)月的展會(huì)期間，列車在300米長(zhǎng)的橢圓軌道上共運(yùn)輸參觀者9萬人。

（1879年柏林世貿(mào)會(huì)上的電力機(jī)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(xué)院之間修建了一條2.45km長(zhǎng)的電車線路，這是世界上第一條商業(yè)運(yùn)行的電氣化鐵路。同年，在法國(guó)巴黎國(guó)際電工展覽會(huì)上展出了第一條長(zhǎng)500m，由2條架空導(dǎo)線供電的電車線路，這為提高電壓，采用大功率牽引電機(jī)創(chuàng)造了條件。1983年，世界上第一條由架空導(dǎo)線供電的電車線路在澳大利亞投入日常運(yùn)營(yíng)。這種由電力機(jī)車牽引形式的電氣化鐵路的出現(xiàn)，引起了西歐、美國(guó)、日本極大的興趣，于是紛紛開始修建電氣化鐵路。

電力機(jī)車早期的發(fā)展得益于各國(guó)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(jī)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(guó)倫敦首先用電力機(jī)車在5.6公里長(zhǎng)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(chǔ)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(shí)采用了電力機(jī)車牽引。機(jī)車采用675伏直流電，自重97噸，功率1070千瓦，為世界第一臺(tái)干線鐵路電力機(jī)車。

1897年，美國(guó)人法蘭克·史伯格(Frank J. Sprague)發(fā)明了同時(shí)控制多個(gè)牽引電機(jī)的操控系統(tǒng)，解決了多車連掛時(shí)由于電機(jī)不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的各種問題，也為電力機(jī)車的大規(guī)模應(yīng)用提供了技術(shù)保證。19世紀(jì)末，德國(guó)對(duì)交流電力機(jī)車進(jìn)行了試驗(yàn)，1903年德國(guó)三相交流電力機(jī)車創(chuàng)造了每小時(shí)210.2公里的高速紀(jì)錄。

（1895年行駛在美國(guó)巴爾摩鐵路的電力機(jī)車）

電力機(jī)車的發(fā)展取決于電力牽引技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也受制于電氣化鐵路的發(fā)展。建設(shè)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(jī)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(jī)車牽引，另外也有一部分三相交流和單相低頻電力機(jī)車。受當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平的制約，直流電力機(jī)車供電電壓不高，三相交流接觸網(wǎng)設(shè)備過于復(fù)雜，單相低頻制電力機(jī)車又需要單獨(dú)的供電電網(wǎng)，因此電力機(jī)車初期發(fā)展較慢。20世紀(jì)20年代中期，當(dāng)時(shí)世界各國(guó)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(diǎn)，瑞士于 1904年實(shí)驗(yàn)了單相工頻交流電力機(jī)車，并取得成功。1932

年匈牙利在布達(dá)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(diǎn)是能直接從具有巨大容量的電力系統(tǒng)取得電能，大大簡(jiǎn)化了牽引變電所的供電設(shè)備，降低了建設(shè)投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)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(guó)廣泛采用。1950年，法國(guó)試制了引燃管整流器式電力機(jī)車；1960年，西德制成半導(dǎo)體整流器式電力機(jī)車；1958年，美國(guó)發(fā)明晶閘管后，晶閘管相控機(jī)車開始問世，使制造大功率機(jī)車用逆變器成為現(xiàn)實(shí)，工頻單相交流制推動(dòng)了電氣化鐵路的發(fā)展。

與蒸汽機(jī)車和內(nèi)燃機(jī)車相比，電力機(jī)車具有功率大、速度快、過載能力強(qiáng)、自身負(fù)重低、牽引力和加速度大、整備作業(yè)時(shí)間短、維修量少、能源利用率高、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低、便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)牽引、能采用再生制動(dòng)以及清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。因此，第一次石油危機(jī)爆發(fā)后，世界各國(guó)對(duì)鐵路電力和內(nèi)燃牽引重新進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，電力牽引更加受到青睞。英國(guó)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(guó)，鐵路電氣化的呼聲也很高。

這時(shí)候，半導(dǎo)體技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的突破和發(fā)展推動(dòng)了新型電力機(jī)車的問世。1979年，第一臺(tái)采用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的交-直-交大功率電力機(jī)車在德國(guó)誕生，開創(chuàng)了電力機(jī)車發(fā)展的新紀(jì)元，并逐漸確立了電力機(jī)車在鐵路牽引動(dòng)力方面第三代霸主的地位。隨著既有電力機(jī)車的更新?lián)Q代和高速鐵路的蓬勃發(fā)展，干線電力機(jī)車的研制已從直流傳動(dòng)轉(zhuǎn)向交流傳動(dòng)。20世紀(jì)90年代，歐洲、日本等主要機(jī)車制造廠商幾乎已停止了直流傳動(dòng)電力機(jī)車的生產(chǎn)，交流傳動(dòng)電力機(jī)車已成為世界電力機(jī)車發(fā)展的主流，目前世界先進(jìn)國(guó)家新造的大功率電力機(jī)車幾乎都采用了三相交流傳動(dòng)技術(shù)，單軸功率達(dá)到 (1000～1600)KW的大功率客、貨通用型 GTO變頻調(diào)速電力機(jī)車已經(jīng)廣泛投入運(yùn)用，在(250～300) km/h 及其以上的高速領(lǐng)域，交流傳動(dòng)的電動(dòng)車組獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。

（我國(guó)新一代 9600kw 大功率電力機(jī)車）

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