第1章绪论

1.1电力牵引传动的发展历程
1.1.1电力牵引传动控制系统的概念

在交通运输工具中采用电动机驱动的电气传动部分称为电力牵引传动控制系统，它以牵引电动机为控制对象，通过开环或闭环控制系统对电动机所产生的牵引力和速度进行调节，以满足车辆牵引和制动特性的要求，从而实现对各类交通运输工具的运行控制。电力牵引传动控制系统的应用范围很广，包括水上的运输船只，陆上的大型载重汽车以及电气传动的电动轿车和轨道交通车辆。本书第1章、第2章中的电力牵引传动控制系统主要是指应用于各种轨道交通车辆(注： 本书中的轨道交通车辆是指电传动内燃机车、电力机车、高速动车组、城市轨道交通车辆以及磁悬浮列车，其中城市轨道交通车辆包括速度较低的地铁列车、轻轨列车、有轨电车等，由于磁悬浮列车不存在轮轨接触问题，因此在与轮轨接触有关章节的内容中，轨道交通车辆不包括磁悬浮列车)的主传动控制系统。
1.1.2电力牵引传动的发展历程
电力牵引传动的发展可分为直流传动(直直、交直)控制阶段及交流传动控制阶段。
1. 直流传动控制阶段
1879年出现的第一台电力机车和1881年出现的第一台城市电车均采用了直流供电牵引方式，1891年德国西门子公司试验了三相交流直接供电、绕线式转子异步电动机牵引的机车，1917年德国试制了采用“劈相机”将单相交流供电进行旋转、变换为三相交流供电的试验车。这些技术终因系统庞大、能量转换效率低、电能转化为机械能的能量小等因素，未能成为牵引动力的适用技术。
1955年，水银整流器机车问世，标志着牵引动力电传动技术实用化的开始。1957年，晶闸管(又称可控硅)整流器的发明，标志着电力牵引进入了电力电子时代。1965年，晶闸管整流器机车问世，使牵引电传动系统发生了根本性的技术变革，全球掀起了单相工频交流电网电气化的高潮。交直流传动电力机车相继问世，日本、德国、法国、苏联等铁路发达国家均研制成功了交直流传动电力机车并投入运行。
1958年12月28日，我国第一台干线铁路电力机车试制成功，当时命名为6Y1型。其采用引燃管整流器，机车持续功率3410kW，最高速度100km/h。在此基础上，从引燃管整流器到硅整流器，不断改进和提高机车的性能，并正式命名为韶山型(SS1型)电力机车。SS1型电力机车在1976年第131号机车时已基本定型，截至1989年停止生产。SS1型电力机车共制造了926台，是中国电气化铁路干线的首批主型机车。
韶山型(SS型)电力机车是采用直流牵引系统的电力机车系列，共有9大型号——SS1~SS9，其中还有许多子型号，如SS4G、SS7E等。从SS1到SS9，我国直流牵引的电力机车走过了40多年的发展历程，在这个过程中，电力牵引系统的技术得到了很大的发展，从引燃管整流器到硅整流器再到可控整流器； 从有级调压控制到无级调压控制； 从继电器逻辑控制到电子控制再到微机控制； 从空转保护到黏着控制； 单台牵引电动机的功率从500多千瓦到900kW等，我国的直流牵引系统技术逐步走向成熟。SS型机车还有着令人骄傲的业绩，如第一台列车微机控制系统是在SS4型机车上研制成功的； 设计时速为160km/h的准高速四轴电力机车SS8曾创造了当时中国铁路机车的最高时速240km/h等。但随着国际上牵引技术从直流向交流的转换，我国也逐步停止了直流牵引技术的发展而转向交流牵引技术的研究和发展。
2020年7月29日，中车株洲电力机车有限公司与国家能源集团联合研制的全球最大功率神24电力机车在中车株洲电力机车有限公司下线。神24电力机车单机功率28800kW,单机牵引力2280kN,刷新了轨道交通装备的世界纪录，也是我国装备制造业自主创新的重大成果。神24电力机车6节编组、长106m,最大运行速度120km/h。





我国第一台自主制造的内燃机车是1958年大连机车车辆厂仿照苏联TЭ3型电传动内燃机车试制成功的。它就是“巨龙”号电传动内燃机车，后经过改进设计定型，命名为东风型并批量生产。同年，北京二七机车厂试制成功“建设”号电传动内燃机车，戚墅堰机车车辆厂试制成功“先行”号电传动内燃机车，但这两种机车都没有批量生产。四方机车车辆厂也于1958年开始设计内燃机车，1959年试制成功中国第一台液力传动内燃机车，当时命名为“卫星”号，代号NY1。后经过长期试验和多次改进，定型为“东方红”型，于1966年批量生产。我国设计制造的内燃机车形成了“北京”“东方红”和“东风”三个系列，质量达到世界先进水平。“北京”型和“东方红”型是液力传动内燃机车，而“东风”系列是电传动内燃机车，也是中国内燃机车的主力，其保有量占国产内燃机车总数的一半以上。
“东风”是个大家族，有东风(DF)、DF2、DF3、DF4、DF5、DF6、DF7、DF8、DF9、DF10、DF11和DF12等型号。下面对各种型号进行简单介绍。
DF型内燃机车是大连机车车辆厂1964年开始批量生产的干线货运机车，机车标称功率是1500kW，最大速度100km/h，车长16685mm，轴式C0—C0，传动方式为直直流电传动。
DF2型内燃机车是戚墅堰机车车辆厂1964—1974年间制造的调车内燃机车，机车标称功率是650kW，最大速度95km/h，车长15140mm，轴式C0—C0，传动方式为直直流电传动。
DF3型内燃机车与“东风”型构造基本相同，仅牵引齿轮传动比由4.41改为3.38，机车标称功率降为1050kW，也是大连机车车辆厂1969年开始批量生产的干线货运机车，车长16685mm，轴式C0—C0，传动方式为直直流电传动。
DF4型内燃机车是大连机车车辆厂1969年开始试制的大功率干线客货运内燃机车，1974年投入批量生产。在实际运行中不断改进设计，生产了DF4B型、DF4C型、DF4D型系列产品。DF4型的传动方式与第一代DF型内燃机车的最大不同是开始采用交直流电传动。DF4B型内燃机车是1984年由大连、资阳、大同机车厂生产的干线客货运内燃机车，机车标称功率增加到1985kW，最大速度分别为货运100km/h、客运120km/h，车长20500mm，轴式C0—C0，传动方式为直直流电传动。DF4C型内燃机车分客运、货运两种，除牵引齿轮传动比不同外，两者结构完全相同。DF4C型是在DF4B型内燃机车的基础上开发研制的升级产品，其提高了机车的经济性、可靠性，延长了使用寿命，使机车具有20世纪80年代世界先进水平。机车标称功率增加到2165kW，最大速度分别为货运100km/h、客运120km/h，车长20500mm，轴式C0—C0，传动方式为交直流电传动； DF4CK型内燃机车是资阳内燃机车厂开发的干线客运内燃机车，采用A1A轴式，牵引电机全悬挂、轮对空心轴驱动转向架。机车标称功率2165kW，最大速度160km/h，最大试验速度176km/h，车长20500mm，传动方式为交直流电传动。DF4D型内燃机车是一种以成熟设计、成熟技术和成熟零部件集合而成的干线客货运内燃机车的新产品。机车标称功率2425kW，最大速度分别为货运100km/h、客运145km/h，车长20500mm，轴式C0—C0，传动方式为交直流电传动。DF4E型内燃机车是四方机车车辆厂生产的干线客货运内燃机车。机车标称功率2×2430kW，最大速度100km/h，轴式2×(C0—C0)，传动方式为交直流电传动。
DF5型内燃机车，1974年开始设计试制，1985年由大连机车车辆厂批量生产，适用于编组站和区段站进行调车作业，也可作为小运转及厂矿作业的牵引动力。机车标称功率1210kW，最大速度60km/h，车长18000mm，轴式C0—C0，传动方式为交直流电传动。DF5B型内燃机车是大连机车车辆厂在原DF5型的基础上变形设计而成的，其动力装置改用12V240ZJF型柴油机，机车车体采用外廊式，适合于调车作业和厂矿使用。机车标称功率1500kW，最大速度100km/h，车长18000mm，轴式C0—C0，传动方式为交直流电传动。
DF6型内燃机车是大连机车车辆厂生产的新一代大功率、高性能的干线客货运内燃机车新产品，其机车动力装置采用的16V240ZJD型柴油机是与英国里卡多咨询工程公司合作改进的，传动装置是与美国GE公司合作改进的。机车采用了微机控制、电阻制动系统等多项先进技术。机车的牵引性能、经济性和耐久可靠性均进入世界先进行列。机车标称功率2425kW，最大速度118km/h，车长21100mm，轴式C0—C0，传动方式为交直流电传动。
DF7型内燃机车是北京二七机车厂1982年设计、1985年正式生产的，适用于大型枢纽、编组站场调车及工矿企业小运转作业。机车启动加速快，油耗低，噪声小，效率高，运行安全可靠，操纵和维修方便。机车标称功率1470kW，最大速度100km/h，车长17800mm，轴式C0—C0，传动方式为交直流电传动。DF7B型内燃机车是北京二七机车厂生产的DF7型电传动内燃机车系列产品的一种，柴油机装车功率1840kW，适用于干线货运、大型枢纽、编组站场、工矿企业的调车和小运转作业。该机车能多机重联，机车可双向操纵，最大速度100km/h，机车全长18800mm，轴式C0—C0，传动方式为交直流电传动。DF7C型内燃机车是北京二七机车厂生产的DF7型电传动内燃机车系列产品的一种，适应于调车作业。柴油机装车功率分1470kW和1840kW两种。其余技术参数与DF7B型相同。同系列的产品还有DF7D型，其适用于寒冷地区和山区线路。该型机车具有油耗低、维修方便等优点。
DF8型内燃机车是戚墅堰机车车辆厂于1984年11月20日试制成功的，其采用我国自主设计试制的16V280ZJ型中速柴油机，为国内首次采用球墨铸铁整体铸造机体，柴油机的运动件采用42CrMo合金钢全纤维挤压成形、全加工、氮化曲轴，并列式、全加工、抛物连杆，钢顶铝裙组合活塞，其气缸直径280mm，活塞行程285mm，标称功率3676kW，是目前国内外机车上缸径最大、功率最大的柴油机。DF8型内燃机车的特点突出表现为功率大、效率高、结构合理、性能优良，与同类型货运内燃机车相比，在相同的条件下，可提高运输能力28%左右。DF8B型内燃机车是戚墅堰机车车辆厂在DF8型内燃机车的基础上开发研制的升级换代产品，可满足繁忙干线货运重载高速的要求。机车具有可变换轴重，以供不同线路选择，微机控制和大屏幕彩色液晶显示屏，改善了乘务员工作条件，机车操纵更方便。机车标称功率3100kW，最大速度100km/h，机车全长22000mm，轴式C0—C0，传动方式为交直流电传动。
DF9型内燃机车是戚墅堰机车车辆厂研制的准高速客运内燃机车，采用了轮对空心轴式牵引电动机全悬挂转向架、6连杆万向轴两级弹性驱动、二系高柔圆弹簧串联瓦状橡胶垫车体悬挂、蛇型液压减振器等当代先进技术，可以满足高速运行要求。柴油机装车功率达到4500kW，最大速度160km/h，轴式C0—C0，传动方式为交直流电传动。
DF10D型内燃机车是DF10系列机车中的一个品种，是大连机车车辆厂生产的重型调车和小运转作业内燃机车。其柴油机装车功率2200kW，最大速度100km/h，车长18800mm，轴式C0—C0，传动方式为交直流电传动。DF10F型内燃机车是DF10系列机车中的一个品种，是大连机车车辆厂生产的适用于客流繁忙干线开行速度为140~160km/h旅客列车的牵引动力。机车由结构完全相同的两个单节机车联挂而成。柴油机装车功率2×2200kW，最大速度160km/h，车长2×18200mm，轴式为双C0—C0，传动方式为交直流电传动。
DF11型准高速客运内燃机车，1992年由戚墅堰机车车辆厂试制成功，机车采用16V280ZJA型柴油机，并运用微机控制，采用电空制动、机车速度控制系统、轴温检测、独立作用式单元制动器及双流道散热器等一系列新技术，使机车在任何情况下均可恒功率运行。其转向架采用锥形空心轴全悬挂、双节连杆万向节驱动装置、高柔圆弹簧旁承等新技术，具有较好的动力学性能。机车标称功率3040kW，最大运行速度170km/h，最大试验速度达到183km/h。其传动方式为交直流电传动。
DF12型电传动内燃机车是资阳内燃机车厂生产的国内功率最大的调车机车，适用于路内大型编组站和工矿企业5000t级货物列车的调车和小运转作业，也可以用于牵引干线货物列车，是目前国内多功能、通用性最好的调车机车。机车标称功率为1990kW，最大速度100km/h，车长19900mm，轴式C0—C0，传动方式为交直流电传动。
世界上第一条地铁诞生在英国伦敦。1863年，短途的“大都市铁道”建成开通，该地铁采用“挖—盖”工序(即挖掘一条深沟，然后封盖其上面)，全长6.5km，当年达到了950万人的客流量。不久，其他国家城市也纷纷仿效伦敦，布达佩斯、波士顿、巴黎、纽约在1896—1904年相继开通了地铁。
北京地铁是中国第一条地铁。1965年7月1日北京地铁第一期工程开工，经过4年的艰苦奋战，全长23.6km的地铁一期工程于1969年10月1日建成通车。从此，结束了中国没有地铁的历史。全长16.1km的二期工程于1971年3月开工，1984年9月建成，并于1987年实现了两线的联网运营。从此，我国城市轨道交通发展又经历了三个阶段： 
第一阶段为建设阶段，从20世纪80年代末至90 年代中期。以上海地铁一号线(21km)、北京地铁复八线(13.6km)、北京地铁一号线改造、广州地铁一号线(18.5km)建设为标志，我国真正以交通为目的的地铁项目开始建设。沈阳、天津、南京、重庆、武汉、深圳、成都、青岛等都开始建设轨道交通项目。
第二阶段为调整整顿阶段，从1995 年至1998 年。由于地铁建设发展迅猛，许多地方不考虑经济的承受能力和社会发展的需要，城市轨道交通建设带有很大的盲目性。针对工程造价高、轨道交通车辆全部引进、设备大量引进、城市地铁每公里造价1 亿美元左右等问题，1995年国务院办公厅60号文件通知，除上海地铁二号线项目外，所有地铁项目一律暂停审批，并要求做好发展规划和国产化工作。这期间近3年国家没有审批城市轨道交通项目。1997年底开始，国家计委研究城市轨道设备国产化实施方案，提出深圳地铁一号线(19.5km)、上海明珠线(24.5km)、广州地铁二号线(23km)作为国产化依托项目，于1998 年批复3个项目立项，城市轨道交通项目又重新开始启动。
第三阶段为快速发展阶段，从1999年至今。我国累计有40个城市开通城市轨道交通运营，共211条运营线路、运营里程达到6730.27km。
从不同的运营制式来看，截至2019年年底，我国城市轨道交通运营线路长度方面，地铁占比77.07%,占主导地位； 轻轨占比3.08%； 单轨占比1.46%； 市域快轨占比10.63%； 现代有轨电车占比6.03%； 磁浮交通占比0.86%； APM(自动旅客捷运系统)占比0.15%。
截至2019年年底，我国城市轨道交通运营里程超过400km的城市有4个，分别为上海、北京、广州和成都。其中上海的运营总里程达到801.34km,排名第一，北京总里程为775.6km,排名第二。
地铁列车和轻轨列车速度都较低，一般采用直直流电力传动。
2. 交流传动控制阶段
交流传动技术用于牵引传动是从20世纪70年代开始的。1971年联邦德国研制了第一批DE2500型交流传动内燃机车，经试运行后，证实了三相交流机车的一系列重大优点，如牵引力大、黏着利用好、制动性能优越以及维修量小等，从而掀起了研究三相交流机车的热潮。1983年，联邦德国联邦铁路公司将第1批BR120型交流传动干线电力机车投入运行，该机车在系统设计、总体布置、参数选择与优化规则、电路结构方面，以及在卧式主变压器、牵引变流器、牵引电动机、空心轴万向节传动装置、辅助变流器等主要部件的设计和制造方面，成功地进行了尝试，奠定了当代交流机车设计和运行的基本模式。自20世纪80年代末90年代初至今，已有多种型号的三相交流电力机车、交流电传动内燃机车和高速电动车组，分别在德国、法国、日本、中国等国家的铁路线上运行，其制造厂家有德国的西门子公司、法国的阿尔斯通公司、加拿大的庞巴迪公司、美国的GE公司、日本的日立公司和川崎重工、中国的南车集团和北车集团等。从20世纪90年代开始，发达国家已不再生产交直传动电力机车和直流传动内燃机车，而全部采用交流传动控制技术。
采用交流传动控制技术具有以下优点： 
(1) 可实现良好的牵引性能。交流传动控制技术可以合理地利用系统的调压、调频特性，实现宽范围的平滑调速，使机车和动车组的高速利用功率KP=1，恒功率调速比Kn=2~3。另外，调节调频特性还能使机车和动车组在启动时发出较大的启动转矩。
(2) 电网功率因数高、谐波干扰小。在交直交电力机车和动车组上，其电源侧变流器可以采用四象限脉冲整流器，它可以通过PWM控制方法，调节电网输入电流的相位，使所取电流接近正弦波形，并能在广泛的负载范围内使机车和动车组的功率因数接近于1，这在减小对通信信号的谐波干扰和充分利用电网的传输功率方面都有很大的意义。另外，四象限脉冲整流器能方便地实现牵引和再生之间的能量转换，有显著的节能效果。
(3) 牵引系统功率大、体积小、质量轻、运行可靠。由于异步牵引电动机转速可达4000r/min,利用了直流电动机换向器所占的空间，所以交流电动机功率大、质量轻，与带换向器的直流(脉流)电动机相比，其单位质量功率(kW/kg)是直流电动机的3倍。在列车车体提供的空间范围内，异步电动机的功率可以达到1400~2000kW。另外，交流电动机没有换向器和电刷装置，机车或动车组主电路系统又可以省去许多有触点的电器，因此，可以进一步提高运行可靠性。
(4) 动态性能和黏着利用好。由于交流异步电动机有较硬的自然特性，其防空转(机车黏着利用)性能较好。当机车和动车组轮对发生空转(黏着破坏)时，牵引力会急剧下降，使黏着牵引力很快恢复。经过10多年的研究，机车和动车组的牵引控制已用矢量控制或直接转矩控制取代了转差电流控制，这些控制技术，不但能使系统稳态精度高，而且能获得高的动态性能，可以使牵引力沿着轮轨之间蠕滑极限进行控制，非常适合当代动车组高速牵引、机车重载牵引的要求。
20世纪70年代，我国许多科研单位已开始进行电力半导体变流技术和三相交流传动技术的研究，容量从几千瓦逐渐扩大，到1989年交流传动系统的容量已达到300kW以上。与此同时，铁道科学研究院与株洲电力机车研究所等科研单位也在进行交流传动机车的研制，到1992年已经完成了单机功率为1000kW级的地面试验系统。根据地面试验系统研制取得的成果和经验，1996年研制成功单轴功率1000kW的AC4000型交流传动原型机车，这是我国牵引传动由交直传动转变为交流传动的一个重要里程碑。1999年9月8日，中国第一台交流传动内燃机车在青岛四方机车车辆厂研制成功。我国已研制成功DJ1、DJ2等型交流传动大功率电力机车、“中华之星”等交流传动高速动车组以及“捷力”号交流传动内燃机车，另外研究比较成功的还有DF8BJ型交流传动内燃机车，又名NJ2型，是资阳内燃机车厂和株洲电力机车研究所联合研制的国产化交流传动干线客、货运内燃机车。DF8BJ型交流传动内燃机车采用计算机控制等先进技术，柴油机采用电子喷射技术。在确保机车可靠性前提下，其主要部件均采用国产件，以降低机车制造和运用成本。机车按“重载5000t、最高速度120km/h”牵引要求进行设计，其总体技术水平达到20世纪90年代末世界先进水平。由于采用了微机控制等多项新技术，能在机车各种工况(牵引、电阻制动及自负荷)运行时，综合、分析、比较来自机车各系统的信号，并用来控制机车，使其按最佳状态运行。为了充分利用和发挥柴油机的最大运用功率，确保机车有一个较宽广的恒功率运行范围，这种机车采用了两套微机控制恒功率调节系统。其装车功率4000kW，最大速度120km/h，传动方式为交直交电力传动。
为加快实现我国铁路机车车辆现代化的步伐，遵照2004年4月国务院下发的《研究铁路机车车辆装备有关问题的会议纪要》精神，贯彻“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的总体要求和“先进、成熟、经济、适用、可靠”的基本方针，以关键技术的引进为“龙头”，以国内企业为主导，通过“市场换技术”，以国内公开招标的方式，先后引进了200km/h及以上的多种铁路客车动车组和大功率电力机车制造技术，并在此基础上研发出具有我国自主知识产权的高速动车组和大功率交流传动电力机车。
目前，我国的高速列车有CRH1、CRH2、CRH2300、CRH3以及CRH5型高速动车组。CRH1型动车组是由青岛四方、庞巴迪、鲍尔铁路运输设备有限公司(简称BSP)生产的动力分散型高速列车，动力配置为5M3T； CRH2和CRH2300型高速动车组是由南车四方机车车辆股份有限公司生产的动力分散型高速列车，动力配置分别为4M4T和6M2T； CRH3型动车组是由唐山轨道客车股份有限公司生产的动力分散型高速列车，动力配置为4M4T； CRH5型高速动车组是由长春轨道客车股份有限公司生产的动力分散型高速列车，动力配置为5M3T。
CRH380为一系列型号动车组列车。CRH380A型电力动车组，2010年由南车青岛四方机车车辆股份有限公司自主研发的CRH系列高速电力动车组，也是“中国高速铁路自主创新联合行动计划”的重点项目，是中国标准动车组问世以前世界上运营速度最快、科技含量最高、系统匹配最优的动车组，持续速度为350km/h,最大速度为380km/h。后期衍生车型有CRH380AL、CRH380B、CRH380C、CRH380D等系列。

我国目前的大功率交流传动机车有HXD1、HXD2、HXD3型电力机车，以及HXN3、HXN5型内燃机车。HXD1型电力机车是由株洲电力机车有限公司生产的8轴、9600kW、120km/h的货运高速电力机车； HXD2型电力机车是由大同电力机车有限公司生产的8轴、10MW、120km/h的货运高速电力机车； HXD3型电力机车是由大连机车车辆有限公司生产的6轴、500kW、120km/h的货运高速电力机车。HXN3型内燃机车由中国北车集团大连机车厂及美国EMD公司于2008年7月共同研制成功，每辆机车均装有一台6000马力的柴油机及6台交流牵引电动机，可单机牵引5000t货物以最高速度120km/h运行； HXN5型内燃机车由美国通用电气(GE)公司研制，通过技术转移的方式，由中国南车集团戚墅堰机车车辆厂制造。其装备大功率IGBT变流器，额定功率达到4660kW，使用6台交流牵引电动机，最大启动牵引力为620kN，最大运用速度和最大恒功率速度为120km/h。
这些高速动车组和大功率交流传动电力机车融合了世界各国最先进的交流传动技术，成为我国高速铁路和大功率机车的标志。
1.2电力牵引供电方式及供电系统
1.2.1电力牵引供电方式

当今世界各国电气化铁路牵引供电主要采用4种电流制式： 欧洲部分电气化铁路采用1500V、3000V直流供电方式； 德国、瑞士、奥地利部分电气化铁路采用15kV、16.67Hz的单相工频交流供电方式； 新电气化铁路均采用25kV、50/60Hz单相工频交流供电方式。这些电流制式的出现和延续与某一时期的经济、技术发展状况以及社会背景有关，是历史遗留下来的。对今天仍然在使用的这些供电制式进行全面改造，要付出很大的人力、物力和财力，这似乎也没有必要。解决问题的一种方法是设计合适的电力机车，以适应多种供电制式。
为了简化接触网的结构和降低成本，牵引供电方式发展为单相交流供电方式和直流供电方式两种。在干线铁路交通中，采用单相工频25kV交流电具有更好的技术经济效益。20世纪50年代我国电气化铁路开始建设就采用了25kV、50Hz单相牵引供电方式。直流供电方式主要用于城市地铁和轻轨，有采用第三轨供电的，也有采用高架接触网供电的。直流电压制式较多，我国地铁和轻轨主要采用直流750V(北京、天津和长春等北方地区，采用第三轨供电)和直流1500V(上海、广州和深圳等南方地区，采用高架接触网供电)两种制式，无轨电车采用直流600V供电制式。欧洲部分国家的干线铁路供电也采用直流供电制式。
目前世界上城市轨道交通中的直流牵引供电电压等级繁多，其发展趋向是IEC标准中的直流600V、直流750V和直流1500V。我国国家标准《地铁直流供电系统》规定为直流750V和直流1500V两种，其电压允许波动范围分别为500~900V和1000~1800V，这两种直流供电电压制式(750V和1500V)都能满足城市轨道交通的要求。但是，从减少城市轨道交通牵引供电系统的电能损失和电压降，加大供电距离以降低牵引变电站数目及投资，降低受流接触网的悬挂质量，降低结构复杂性及投资，以及提高列车再生制动的回收率而言，采用直流1500V的牵引供电电压制式比采用直流750V的牵引供电电压制式要经济得多。高耐压电力电子器件的不断发展，为城市轨道交通牵引系统直流1500V供电提供了可靠的技术保障。
1950年以来，干线铁路牵引的供电，各国开始广泛采用单相工频25kV交流制和15kV、16.67Hz的供电方式。后者主要是欧洲一些国家还在采用。城市地铁和轻轨牵引供电依然是直流供电，但各国都有提高供电电压的趋势。我国开始倾向采用1500V的直流制式。由于历史的延续，欧洲一些国家铁路供电采用多种电流制式。为了满足国际联运和越区运营的需要，许多机车采用双流制或多流制供电方式，即同一机车在不同区域可分别采用不同频率和不同电压的交流供电或直流供电。
现代直流供电方式主要是在变电站中把三相交流电通过Y、y0和Y、d11联结变压器变为6相，经二极管整流，得到12波的近似直流电压。然后通过车上的各种变换器供给牵引电机、辅助传动和照明等系统。
现代交流供电方式主要是通过安装在机车上的单相牵引变压器把电压变为机车所需的各种电压等级，然后通过车上的各种变换器供给牵引电机、辅助传动、照明等系统。由于牵引变压器很重，为此，人们提出了用变流器直接取代变压器的想法。通过多电平串接四象限变流器，多重化双向DC/DC变换器来取代工频变压器和整流器，可使包括变压器、整流器和滤波器在内的直流侧之前的设备质量减轻50%，效率也大大提高，这种新概念装置已经得到了应用。
1.2.2电力牵引供电系统
电力牵引供电系统是指从电力系统或一次供电系统接受电能，通过变压、变相或换流(将工频交流变换为低频交流或直流电压)后，向电力机车负载提供所需电流制式的电能，并完成牵引电能传输、配电等全部功能的完整系统。牵引供电系统的性能直接影响列车牵引功率的发挥和牵引传动控制系统的性能。
工频交流单相电力牵引供电系统主要由牵引变电所、牵引网、分区所、开闭所等部分组成，其系统组成结构与电力系统(一次供电)的联系如图11所示。


图11工频交流单相电力牵引供电系统构成


交流电力牵引供电系统，因牵引网对抑制通信干扰采取的技术措施不同，可区分为直接供电方式、带回流导线的供电方式、带吸流变压器(BT)的供电方式以及2×25kV自耦变压器(AT)供电方式，不同供电方式的系统和装置的结构也不同。
1. 牵引变电所
交流牵引变电所是工频交流单相电力牵引供电系统的重要环节，它完成变压、变相和向牵引网供电等功能，并实现三相交流一次供电系统和单相电力牵引系统的接口与系统变换。牵引变电所停电后，可由相邻变电所实现越区供电，但牵引网电压水平将下降。
根据交流牵引网的不同供电方式和牵引变电所为抑制单相牵引负载造成电力系统的不对称影响，可采用不同接线方式与结构的主变压器，将牵引变电所区分为三相牵引变电所(一般为/△型接线方式主变压器)、单相牵引变电所(含/型接线方式主变压器)和三相/两相牵引变电所(采用特种接线方式，用于变相的平衡变压器)。相对于牵引网不同的供电方式而言，牵引变电所可区分为一般供电方式(直供、BT方式)牵引变电所和自耦变压器(AT)供电方式牵引变电所。不同供电方式的牵引变电所，其主电气设备和结构也不相同。
2. 分区所
交流电气化铁路上为了增加供电的灵活性，提高运行的可靠性，在两个牵引变电所的供电区中间常加设分区所，分区所的作用可简述如下。
(1) 可以使两相邻的供电区段实现并联工作或单独工作。当实现并联工作时，分区所的断路器闭合，否则打开。
(2) 当相邻牵引变电所发生故障而不能继续供电时，可以闭合分区所的断路器，由非故障牵引变电所实行越区供电。
(3) 双边供电的供电区内发生牵引网短路事故时，可由分区所的断路器切除事故点所在处的一半供电区，非事故段仍可照常工作。
3. 开闭所
交流电力牵引系统开闭所，实际上是起配电作用的开关站，一般在下面两种情况或系统中设置。
一种情况是在离牵引变电所较远的铁路枢纽地区，由于站线多，接触网相应复杂，客货运交会、编组和机车整备作业繁忙，致使该地区故障概率增加，为保证枢纽地区供电的可靠性，缩小事故范围，一般将接触网横向分组及分区供电，由开闭所的多路馈线向接触网各分组和分区供电。
另一种情况是在AT供电方式的复线牵引网供电臂中间设置开闭所，由于AT供电方式供电电压增高(2×25kV)，供电臂距离增长，可达40~50km,为提高供电灵活性(如接触网停电检修等)，缩小事故停电范围，故需在牵引变电所与分区所之间设置开闭所。
4. 自耦变压器站
工频单相交流电气化铁路如采用自耦变压器(AT)供电方式时，在沿线需每隔10~15km设置一台自耦变压器。应尽量把自耦变压器设于沿铁路的各站场上，大致和铁路区间的距离一样。同时，应与分区所、开闭所合并，以便于运行管理。
5. 接触网
接触网是一种特殊形式的供电线路，为了保证供电的可靠性和灵活性，缩小停电事故发生的范围，要对接触网进行分段。被分段的接触网在电气方面是独立的，并用隔离开关连接。当某区段发生事故或停电进行检修时，可以打开相应区段的隔离开关使该区段无电，而不影响其他区段接触网的运行。
接触网分段有横向分段和纵向分段两种形式。
在单相交流牵引供电系统中，电力机车是由单相供电的，为了平衡电力系统的A、B、C各相负荷，一般实行A、B相轮流供电。所以A、B相之间要分开，这称为电分相。电分相通常由分相绝缘器实现。
根据上述要求，在变电所出口处及两牵引变电所之间(供电臂末端)，必须设置电分相装置。
两个牵引变电所之间的接触网，可以实现单边供电，也可以实现双边供电，如图12所示。在单边供电的情况下，在牵引变电所之间的适当位置设置分相装置，把接触网分成两段，每段由一个牵引变电所供电。在双边供电情况下，由两个牵引变电所同时向此区段供电。在实现双边供电时，两牵引变电所的负荷能均匀分配，接触网的网压可以得到相应改善。


图12牵引网供电方式示意图


电分相装置分为4种类型，即常规电分相装置、地面自动转换电分相装置、柱上断载自动转换电分相装置及车载断电自动转换电分相装置。
1.3电力牵引控制系统的类型
电力牵引控制系统包括多种电能变换的电气设备，是一个综合的电气系统。这个系统的组成受到列车种类、供电电源的性质、变流方式、牵引电动机种类等多方面的影响。而所有这些方面又可以用不同的方式进行组合，这就使得电力牵引控制系统的形式是多种多样的。