高铁、地铁等轨道列车的动力来源是什么？
作者：翰心
链接：https://www.zhihu.com/question/68402608/answer/270834417
来源：知乎
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。
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。
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！
高铁、地铁等轨道列车的动力来源是什么？相关推荐
- 高铁、地铁这些轨道列车的动力来源是什么？
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 C ...
- 多卡聚合路由器在高铁地铁等轨道交通的应用
轨道交通的列车在行进过程中,车载设备会产生大量的运行数据和告警数据,以往是存储在车载设备内部,到检修站后由检修员导出.此模式会导致列车设备状态上报延时,运营中心无法实时获取列车重要故障告警,可能导致发 ...
- 中兴新支点多卡聚合路由器在高铁地铁等轨道交通的应用
轨道交通的列车在行进过程中,车载设备会产生大量的运行数据和告警数据,以往是存储在车载设备内部,到检修站后由检修员导出.此模式会导致列车设备状态上报延时,运营中心无法实时获取列车重要故障告警,可能导致发 ...
- 2023年乘坐火车高铁成人儿童旅客列车临时身份证明手机在线如何办理乘车临时身份证明？
2023乘坐火车高铁成人儿童旅客列车临时身份证明手机在线如何办理乘车临时身份证明? 1.关注[草柴]微信公众号,回复[临时身份证明]找到高铁火车成人/儿童旅客列车临时身份证明: 2.获得乘坐火车高铁成 ...
- 如何快速坐地铁高铁？舒工为您带来满满的都是干货~
为了比其他人多节省点时间留在做更有意义的事情上面,在人类还未发明普及瞬间控制身体移动的技术之前,以下内容是珍惜生命时间的您必读内容,请耐心阅读: 1.进出站尽量走人工楼梯,不要坐履带式电梯,如遇到升降 ...
- 动车和高铁的区别——最详细的技术贴
动车与高铁的概念解析 [ 转自铁血社区 http://bbs.tiexue.net/ ] 严格意义上,动车是列车车型,高铁是铁路线路类型 动车组指的是列车的类型.它是中国独有的叫法,区别于以前的普通列 ...
- 中国高铁站，为什么离市区这么远
导读:中国最远的高铁站,叫北站. 作者:苏晚水,数据:CZ风云 乐乐 设计:杨波浪 豆浆 敏穗 来源:网易数读(ID:datablog163) 熊孩子.短视频外放.味道极重的泡面--坐高铁时要是遇上这 ...
- 高铁在高速运行时的电力是如何提供的？
高铁在高速运行时的电力是如何提供的? 铁路机车是个庞大的家族,高铁只是这个大家庭的一个新成员,如果要连篇累牍赘述其他车辆,恐怕这个答案是写不下的,故本文针对高速铁路进行讨论. 一. 高铁列车的动力来源 ...
- 用C语言实现高铁客运订票系统
目录 一.设计目的 二.设计内容与要求 三.自己做的具体项目实现的功能: 四.设计思路 五.实现过程 六.代码: 七.实验报告和ppt: 八.结果展示: 九.我的文档数据: 一.设计目的 1.通过对高 ...
最新文章
- 不走寻常路 设计ASP.NET应用程序的七大绝招
- linux shell 报错 Syntax error: Bad for loop variable
- linux与python客户端,《使用python进行unix和linux管理》§5网络 §5.1 网络客户端
- vue(2)---computed,watch--2019.5.21学习笔记
- 基于python + tushare 的股票盯盘脚本
- iphone怎么分屏_问答 | Mac 应用商店中无法”获取“软件怎么办？
- java实验多线程机制_JAVA 多线程机制（一）
- Linux内创建新用户,linux下手工创建新用户
- C语言房地产销售管理系统,房地产销售管理系统的设计与实现
- 局域网屏幕共享_给安卓手机连一个大屏幕——多端协作（六）
- 三调业务摘要201709
- 3Dmax建模教程详细步骤3D建模速成入门到高级教程 小白必看
- 全球与中国心脏临床信息系统（CIS）市场深度研究分析报告
- “风味人间”与计算机程序设计艺术《禅与计算机程序设计艺术》 / 陈光剑
- 计算机量子化学计算实验报告物化实验,量子化学计算方试验.doc
- C语言中负数在计算机内部的二进制表示方式(以补码表示负数、整数的范围及所占字节数)
- 2020年新疆旅游市场遭遇滑铁卢，旅游消费跌至992.12亿元[图]
- （转）浅谈拉布拉多中值定理
- 反思|Android 事件分发机制的设计与实现
- CSR867x开发基础教学 - 新建CSR8675默认的sink工程