在电力机车中为什么采用交-直-交而不是交-交？
在电力机车牵引传动系统中，从最初的直流电机时代，到后来普遍应用的交流电机时代，再到现在的主流技术——交直交（VVVF）变频调速系统，技术演进的背后是对效率、性能、可靠性和成本等诸多因素的权衡和优化。之所以在现代电力机车中，交直交系统取代了交交（传统的交流交流变频）系统，原因非常充分且各有侧重。
我们先简单回顾一下这两种系统的基本原理，以便理解它们之间的差异。
1. 交交系统 (ACAC Conversion)
早期的交流牵引系统，特别是用于交流电机控制的，通常指的是直接变频（Cycloconverter）或者间接变频（Indirect Frequency Changer）。
直接变频（Cycloconverter）： 这种系统直接将工频交流电（比如50Hz或60Hz）转换为较低频率的交流电（用于驱动交流电机）。它通过一系列的晶闸管（Thyristor）或门极导通的晶闸管（GTO）的开关动作，将工频交流电的若干个半周组合成一个低频交流电波形。
优点： 结构相对简单，功率器件数量较少，成本相对较低。
缺点：
输出频率受限： 为了保证输出波形的质量，输出频率不能太高，通常只能做到工频的1/3到1/5。这限制了电机的最高转速，进而影响了机车的功率密度和高速性能。
功率因数低： 尤其是输出频率较低时，功率因数会很差，需要额外的无功补偿装置。
谐波成分大： 输出波形含有大量的谐波，对电机和电网都会造成干扰，需要滤波器。
控制复杂性： 即使是控制，为了输出平滑的波形，需要复杂的控制算法和大量的功率器件。
制动性能受限： 回馈制动时，效率较低，也难以实现性能良好的再生制动。
间接变频（Indirect Frequency Changer）： 这种方式是先将交流电整流成直流电，然后再通过逆变器将直流电重新转换为不同频率的交流电。这其实就是我们现在所说的交直交系统的核心，但这里我们讨论的“交交”特指直接变频。不过，为了更清晰地对比，我们也可以理解为早期的一些间接变频系统，它们也存在一些问题。
2. 交直交系统 (ACDCAC Conversion)
交直交系统，也就是我们常说的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency，电压频率可变）控制系统，其基本结构是：交流电网 → 整流器 → 直流中间环节（带滤波） → 逆变器 → 交流电机。
工作原理：
1. 整流： 从电网（如25kV、50Hz的工频交流电）引入的电力，首先经过一个桥式整流器（早期多用晶闸管，现在多用IGBT或MOSFET组成的PWM整流器）。这一步将输入的交流电转换为脉动的直流电。
2. 滤波： 脉动的直流电通过直流滤波器（主要是电感和电容）进行平滑处理，形成一个相对稳定的直流电压。这个环节也称为直流母线。
3. 逆变： 稳定的直流电压通过PWM（脉冲宽度调制）逆变器（核心是IGBT等功率半导体器件）重新转换为不同电压和频率的交流电，用来驱动交流电机（通常是异步电机或同步电机）。通过精确控制PWM信号的宽度和频率，可以实现对电机电压和频率的灵活控制，从而调节电机的转速和转矩。
那么，为什么交直交系统能够取代交交系统，成为现代电力机车的主流呢？主要原因如下：
a. 更优异的电机控制性能和更宽的调速范围：
精确的电压频率控制： 交直交系统通过PWM逆变器，可以非常精确地控制输出电压和频率的比例（V/f恒定比），这是控制异步电机最佳运行状态的关键。这种控制方式使得电机能够以高效率、高功率因数运行，并提供平滑的起动和加速过程。
更宽的调速范围： 通过PWM逆变器，可以输出非常低的频率（甚至接近零频率）和非常高的频率，从而实现对电机转速的宽范围精确控制。这使得机车能够适应各种运行工况，从低速爬行到高速巡航，都能保持良好的性能。
优良的瞬态响应： 相比于直接变频，交直交系统能够提供更快的转速和转矩响应，这对于需要频繁加减速的铁路运输来说至关重要，可以提高运输效率和乘坐舒适性。
b. 更高的系统效率和功率因数：
提高效率： 由于PWM逆变器可以通过精确的电压频率控制，使得电机运行在最优化的工作点，从而最大限度地提高电机的效率。同时，功率器件（如IGBT）本身也比早期的晶闸管效率更高。
改善功率因数： 交直交系统中的直流母线本身就提供了一个相对稳定的能量缓冲。通过采用先进的PWM控制策略，可以使得整流器侧的功率因数得到显著提升（甚至接近于1），尤其是在PWM整流器的应用后。这意味着从电网吸取的能量更有效率，减少了对电网的无功功率需求，也降低了线路损耗。而直接变频在低频运行时功率因数非常差。
c. 更强大的制动能力，尤其是再生制动：
高效再生制动： 这是交直交系统相比交交系统的一个巨大优势。在制动时，电机可以作为发电机运行，将动能转化为电能。通过交直交系统的逆变器，可以将电机产生的直流电平滑地传递回直流母线，然后经过PWM整流器（或专门的再生逆变器），将能量反馈给电网（再生制动）。这种能量回收不仅提高了整体的能源利用效率，还减少了对刹车片等机械制动部件的磨损，降低了维护成本。
控制更灵活的制动： 即使不进行再生制动，交直交系统也能实现非常平稳可靠的电阻制动，通过控制功率器件的开关，可以灵活地调节制动强度。
d. 更好的电磁兼容性（EMC）和低谐波污染：
降低谐波： PWM技术通过高频开关，将低频的基波成分与高频的载波信号进行调制。通过适当的滤波设计，可以有效地抑制低频谐波，减少对电机和电网的干扰。而直接变频输出的低频谐波成分较高，对电网和通信设备影响更大。
更好的EMC性能： 现代的PWM整流器和逆变器在设计时会充分考虑EMC问题，通过屏蔽、滤波等技术手段，降低电磁辐射和传导干扰。
e. 更高的可靠性和更低的维护成本：
功率器件的进步： 随着IGBT等大功率半导体器件技术的发展，它们的开关速度更快、功率密度更高、可靠性也得到了极大提升。
无触点运行： 整个变频调速过程中，没有机械接触的开关，减少了磨损和故障点。
集成化和模块化： 现代的电力电子变流器设计趋于集成化和模块化，这不仅减小了体积和重量，也提高了可靠性和维护的便利性。
f. 经济性考量：
综合成本的降低： 尽管交直交系统在初期可能需要更多的功率器件，但考虑到其带来的高效率、低能耗、高功率因数以及强大的再生制动能力，从整个生命周期来看，其运行成本（包括电费、维护费用）是更低的。
技术成熟度： 随着电力电子技术的普及和发展，交直交系统的核心器件（如IGBT）已经实现了大规模生产，价格也相对合理。
总结一下，为什么交直交系统能取代交交系统，可以归纳为以下几点：
1. 性能提升： 实现对交流电机更精确、更宽范围的调速控制，带来更好的牵引和制动性能。
2. 效率优化： 显著提高系统效率，降低能耗，改善功率因数。
3. 再生制动： 提供高效的再生制动能力，实现能量回馈，降低运营成本。
4. 电磁兼容： 降低谐波污染，提高电磁兼容性。
5. 可靠性与维护： 整体可靠性更高，维护更简便。
所以，在现代电力机车的設計中，交直交系统凭借其在性能、效率、制动、环保以及综合经济性等方面的全面优势，已成为不可替代的主流技术。它代表了电力电子技术在轨道交通领域应用的最高水平。
我们先简单回顾一下这两种系统的基本原理，以便理解它们之间的差异。
1. 交交系统 (ACAC Conversion)
早期的交流牵引系统，特别是用于交流电机控制的，通常指的是直接变频（Cycloconverter）或者间接变频（Indirect Frequency Changer）。
直接变频（Cycloconverter）： 这种系统直接将工频交流电（比如50Hz或60Hz）转换为较低频率的交流电（用于驱动交流电机）。它通过一系列的晶闸管（Thyristor）或门极导通的晶闸管（GTO）的开关动作，将工频交流电的若干个半周组合成一个低频交流电波形。
优点： 结构相对简单，功率器件数量较少，成本相对较低。
缺点：
输出频率受限： 为了保证输出波形的质量，输出频率不能太高，通常只能做到工频的1/3到1/5。这限制了电机的最高转速，进而影响了机车的功率密度和高速性能。
功率因数低： 尤其是输出频率较低时，功率因数会很差，需要额外的无功补偿装置。
谐波成分大： 输出波形含有大量的谐波，对电机和电网都会造成干扰，需要滤波器。
控制复杂性： 即使是控制，为了输出平滑的波形，需要复杂的控制算法和大量的功率器件。
制动性能受限： 回馈制动时，效率较低，也难以实现性能良好的再生制动。
间接变频（Indirect Frequency Changer）： 这种方式是先将交流电整流成直流电，然后再通过逆变器将直流电重新转换为不同频率的交流电。这其实就是我们现在所说的交直交系统的核心，但这里我们讨论的“交交”特指直接变频。不过，为了更清晰地对比，我们也可以理解为早期的一些间接变频系统，它们也存在一些问题。
2. 交直交系统 (ACDCAC Conversion)
交直交系统，也就是我们常说的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency，电压频率可变）控制系统，其基本结构是：交流电网 → 整流器 → 直流中间环节（带滤波） → 逆变器 → 交流电机。
工作原理：
1. 整流： 从电网（如25kV、50Hz的工频交流电）引入的电力，首先经过一个桥式整流器（早期多用晶闸管，现在多用IGBT或MOSFET组成的PWM整流器）。这一步将输入的交流电转换为脉动的直流电。
2. 滤波： 脉动的直流电通过直流滤波器（主要是电感和电容）进行平滑处理，形成一个相对稳定的直流电压。这个环节也称为直流母线。
3. 逆变： 稳定的直流电压通过PWM（脉冲宽度调制）逆变器（核心是IGBT等功率半导体器件）重新转换为不同电压和频率的交流电，用来驱动交流电机（通常是异步电机或同步电机）。通过精确控制PWM信号的宽度和频率，可以实现对电机电压和频率的灵活控制，从而调节电机的转速和转矩。
那么，为什么交直交系统能够取代交交系统，成为现代电力机车的主流呢？主要原因如下：
a. 更优异的电机控制性能和更宽的调速范围：
精确的电压频率控制： 交直交系统通过PWM逆变器，可以非常精确地控制输出电压和频率的比例（V/f恒定比），这是控制异步电机最佳运行状态的关键。这种控制方式使得电机能够以高效率、高功率因数运行，并提供平滑的起动和加速过程。
更宽的调速范围： 通过PWM逆变器，可以输出非常低的频率（甚至接近零频率）和非常高的频率，从而实现对电机转速的宽范围精确控制。这使得机车能够适应各种运行工况，从低速爬行到高速巡航，都能保持良好的性能。
优良的瞬态响应： 相比于直接变频，交直交系统能够提供更快的转速和转矩响应，这对于需要频繁加减速的铁路运输来说至关重要，可以提高运输效率和乘坐舒适性。
b. 更高的系统效率和功率因数：
提高效率： 由于PWM逆变器可以通过精确的电压频率控制，使得电机运行在最优化的工作点，从而最大限度地提高电机的效率。同时，功率器件（如IGBT）本身也比早期的晶闸管效率更高。
改善功率因数： 交直交系统中的直流母线本身就提供了一个相对稳定的能量缓冲。通过采用先进的PWM控制策略，可以使得整流器侧的功率因数得到显著提升（甚至接近于1），尤其是在PWM整流器的应用后。这意味着从电网吸取的能量更有效率，减少了对电网的无功功率需求，也降低了线路损耗。而直接变频在低频运行时功率因数非常差。
c. 更强大的制动能力，尤其是再生制动：
高效再生制动： 这是交直交系统相比交交系统的一个巨大优势。在制动时，电机可以作为发电机运行，将动能转化为电能。通过交直交系统的逆变器，可以将电机产生的直流电平滑地传递回直流母线，然后经过PWM整流器（或专门的再生逆变器），将能量反馈给电网（再生制动）。这种能量回收不仅提高了整体的能源利用效率，还减少了对刹车片等机械制动部件的磨损，降低了维护成本。
控制更灵活的制动： 即使不进行再生制动，交直交系统也能实现非常平稳可靠的电阻制动，通过控制功率器件的开关，可以灵活地调节制动强度。
d. 更好的电磁兼容性（EMC）和低谐波污染：
降低谐波： PWM技术通过高频开关，将低频的基波成分与高频的载波信号进行调制。通过适当的滤波设计，可以有效地抑制低频谐波，减少对电机和电网的干扰。而直接变频输出的低频谐波成分较高，对电网和通信设备影响更大。
更好的EMC性能： 现代的PWM整流器和逆变器在设计时会充分考虑EMC问题，通过屏蔽、滤波等技术手段，降低电磁辐射和传导干扰。
e. 更高的可靠性和更低的维护成本：
功率器件的进步： 随着IGBT等大功率半导体器件技术的发展，它们的开关速度更快、功率密度更高、可靠性也得到了极大提升。
无触点运行： 整个变频调速过程中，没有机械接触的开关，减少了磨损和故障点。
集成化和模块化： 现代的电力电子变流器设计趋于集成化和模块化，这不仅减小了体积和重量，也提高了可靠性和维护的便利性。
f. 经济性考量：
综合成本的降低： 尽管交直交系统在初期可能需要更多的功率器件，但考虑到其带来的高效率、低能耗、高功率因数以及强大的再生制动能力，从整个生命周期来看，其运行成本（包括电费、维护费用）是更低的。
技术成熟度： 随着电力电子技术的普及和发展，交直交系统的核心器件（如IGBT）已经实现了大规模生产，价格也相对合理。
总结一下，为什么交直交系统能取代交交系统，可以归纳为以下几点：
1. 性能提升： 实现对交流电机更精确、更宽范围的调速控制，带来更好的牵引和制动性能。
2. 效率优化： 显著提高系统效率，降低能耗，改善功率因数。
3. 再生制动： 提供高效的再生制动能力，实现能量回馈，降低运营成本。
4. 电磁兼容： 降低谐波污染，提高电磁兼容性。
5. 可靠性与维护： 整体可靠性更高，维护更简便。
所以，在现代电力机车的設計中，交直交系统凭借其在性能、效率、制动、环保以及综合经济性等方面的全面优势，已成为不可替代的主流技术。它代表了电力电子技术在轨道交通领域应用的最高水平。
网友意见
其实对于现代电力机车来说，单向电怎么变三相电呢？
交-交是可以做到的，燃鹅，电压控制太麻烦、电流控制太麻烦、频率控制更麻烦，再加上在调压和调频过程当中会产生杂波，这对于接触网的运行会产生非常大的负面影响，其结果就是受电端和用电端都会受到杂波的影响，再生制动是没办法用了。
交-直-交中间这个直流就把两端的交流电完全隔断了，互不影响，中间直流的电压恒定，只有电流可调，通过VVVF直接进行调压调频，杂波都不会反馈到接触网上，非常棒的有木有。
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