交(直)交型電力機車屬于交流傳動電力機車。由各種變流器供電，機車和動車組采用同步或異步電動機做牽引動力。目前現(xiàn)有的交(直)交型機車和動車組有電壓型、電流型兩種基本結(jié)構(gòu)。本節(jié)將簡單介紹交直交變流器供電的異步電動機系統(tǒng)和交交變流器供電的同步電動機系統(tǒng)的工作原理和特點。
一、具有異步牽引電動機電力機車的工作原理
僅以電壓型交直交變流器供電、三相異步電動機作牽引電動機的機車為例進行分析，其原理如圖1-8所示。
機車在工作時，受電弓將網(wǎng)壓引入機車變壓器一次側(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)換為脈動直流電，經(jīng)②環(huán)節(jié)平滑A處的脈動，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)三相異步牽引電動機，實現(xiàn)牽引運行。在這個系統(tǒng)中，機車先將電網(wǎng)的交流能量轉(zhuǎn)換為直流能量，然后進一步轉(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 電壓型異步電動機電力機車原理圖
?、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)，消除或減少諧波含量(5次諧波)，改善機車的功率因數(shù)。
③環(huán)節(jié)——逆變器，用于將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，同時為了機車調(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)，降低電機損耗，減少網(wǎng)壓波動的影響。
?、墉h(huán)節(jié)——平波電抗器，有三大作用，即降低電機、電纜中高頻成分，控制噪聲傳播，抑制電機起動過程中的諧波分量，使頻繁斷開電機電路時不損壞變頻器，三者通過三相霍爾電流傳感器對變頻器輸出端采取完善的短路保護措施。
系統(tǒng)的工作特點為：
(1)由于異步電動機無換向器，所以相同功率的電機，異步電動機重量較輕，體積小，使機車轉(zhuǎn)向架簧下部分重量相應(yīng)減少，在機車通過曲線時，輪軌之間側(cè)向壓力也相應(yīng)減少，這對高速行車尤為重要。同時，由于電動機體積減小，便能選擇更為合適的懸掛方式，從而簡化了轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)。
(2)機車能發(fā)揮較高的輸出功率。異步牽引電動機不存在換向問題，所以高速行車時電機效率較高。同時，牽引電動機因無換向器，空間利用好，使機車功率得以進一步提高。再生制動時亦能輸出較大的電功率。
(3)機車具有優(yōu)異的牽引性能和制動特性。由于異步電動機具有很穩(wěn)定的機械特性，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，同時又有利于提高列車的加速度，縮短機車起動和制動時間。
(4)簡化了主線路。異步電動機的正、反轉(zhuǎn)及牽引、制動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，通過機車控制電路就能實現(xiàn)，不需要改變主線路，所以機車主線路中的兩位置轉(zhuǎn)換開關(guān)可省去。
二、具有同步牽引電動機電力機車的工作原理
同步電動機電力機車是一種交交型電力機車，工作原理如圖1-9所示。
圖1-9 同步電機電力機車工作原理圖
機車工作時，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，供給三相同步電動機使用。同步電機的勵磁繞組由變壓器的單獨繞組供電，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三相繞組依次通電，從而使電機的定子獲得旋轉(zhuǎn)磁場。改變變頻變流裝置的輸出電壓和頻率可以調(diào)節(jié)機車速度。同時調(diào)節(jié)同步電機的勵磁電流也可實現(xiàn)機車調(diào)速。
與異步電動機電力機車相比，交流同步電機電力機車沒有中間環(huán)節(jié)，直接由變頻變流裝置將單相交流電變?yōu)槿嘟涣麟?，因此結(jié)構(gòu)簡單，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機。