按照牵引电源性质，直流牵引系统可分为直-直流及交直-流两大类。直-直流牵引系统是最早应用于电力牵引的一种牵引装置，如图8-11所示，它使用的是直流电源（直流电网或直流发电机）和直流串励牵引电机，目前在城市轨道交通中仍较多采用此种系统。

图8-10　串励直流电动机的机械特性

图8-11　交-直流牵引原理图

交直流牵引系统使用的是交流电源 （交流电网），牵引电机仍采用直流电机。此牵引系统的关键部位是将交流变成可控直流的整流调压装置，如图8-11所示。运行时改变整流器的控制角，就可调节输出直流电压，使电动机调速。这种系统的交流电网电压很高，适用于大功率、长距离牵引。目前，大功率的干线电力机车已普遍采用交直流牵引系统。

（一）直流牵引电动机的基本调速方法

对于电力传动机车或地铁动车，在运行中经常需要根据线路和运行工况选择合适的运行速度，这就要求牵引电动机能在较宽的范围内均匀而经济地调速，且要求调速设备简单，操作方便。

由直流电动机的转速表达式可表示为

式中 n——转速，r/min；

U——电枢电压，V；

I d——电枢电流，A；

∑R——电枢回路总电阻，Ω；

Φ——励磁磁通，Wb；

CE——由电机结构决定的电动势常数。

在式（8-1）中，CE 为常数，Id 是由负载决定的，因此调节电动机的转速可以有三种方法：调解电枢供电电压U、减弱励磁磁通Φ和改变电枢回路电阻∑R。

（二）直流牵引电动机调速的基本形式

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好；采用弱磁调速方法可实现电机在急速以上的弱磁升速。在城市轨道车辆电力牵引中，通常是调压及弱磁两种方式的混合使用，以达到所要求的牵引特性。

1.调节端电压

直流牵引电机的调压调速主要有两种基本形式：变阻控制和斩波调压控制。

（1）变阻控制。早期直流牵引系统主要采用的是电阻调压。变阻控制是通过调节串入电机回路的电阻以改变直流牵引电动机端电压来达到调速目的。调节电阻的方法又可分为两类，即采用有触点组合式凸轮开关调阻和无触点斩波调阻。

图8-12　有触点式开关调阻原理图

由于电网只供给车辆一个恒定的直流电压，如果我们将静止状态的车辆电机直接与电网相连，将会产生一个相当大的冲击电流，势必将电机甚至将联接电机的电缆烧坏，另外还会对车辆产生强烈的机械冲击，并且也会发生轮子空转等一系列事故，因此必须在电机和电网之间接上电阻，用于限制电流，减少电机电压。图8-12为采用有触点组合式凸轮开关调阻的基本原理，图中，R 1、R 2、R 3、…、Rn 为起动电阻，1、2、3、…、n为起动开关，即接触器，用于逐个短路起动电阻。采用凸轮机构闭合或断开图中的开关时，串在电机主回路中的电阻值将会发生变化，从而改变电机端电压，实现调速。早期的北京地铁 （BJ—4型或DK16型）采用的就是这种调速方式。(www.daowen.com)

无触点斩波调阻实质上是固定电阻与斩波器CH并联，如图8 13所示，通过调节斩波的开关通断，即可调节两端电阻值。这种方法可实现牵引力的平滑无级变化，具有明显优点，目前国产直流地铁车辆主要采用这种调速方法，有触点开关调阻装置已逐渐被改造替代。

但是由于这些电阻的存在，电阻上的电能转换成了热能，把起动时的能量浪费了。如车辆静止时，起动电阻最大，电机上只有大约5%电压，则效率只有5%。这种调压方式在电阻中消耗了大量的电能（这种电能的损耗，在起动频繁的电动车辆中尤为可观）。

（2）斩波调压。随着半导体技术的飞跃发展，电力电子变流技术得到了不断的提高，现在的直流牵引已普遍采用斩波调压方式代替电阻调压，它不仅能取消起动电阻，并能对电动机的端电压进行连续、平滑的调节，实现平稳调速。

图8-13　斩波调阻原理图

如图8-14所示，画在圆圈内的可控硅表示一个斩波器，它代表一个理想开关，如果斩波器有规则地导通和关断，每次导通的时间为t on，关断的时间为t off，则T=t on+t off，T称为斩波周期，而α=t on/T，其中α称为导通比。不难看出，负载电压的平均值为

由上式可见，只要调节α，即可调节负载的平均电压，这就是直流斩波电路基本原理。

导通比的控制可以通过以下3种不同的方式来实现（见图8-15）：

图8-14　直流斩波电路原理

图8-15　直流斩波电压波形

（1）脉冲宽度控制（定频调宽）——改变导通时间t on，而斩波周期T不变。

（2）频率控制（定宽调频）——保持t on为常数，而改变斩波周期T。

（3）脉宽和频率的综合控制——通常是分段地改变斩波周期T，而连续地控制t on。

第一种方法由于斩波器的基本频率固定，所以易于设计滤波器消除高次谐波；第二种方法控制电路比较简单，但斩波器的频率是变化的，所以滤波较难，且对通信信号干扰较大，因而使用较少；第三种方法通常只用于要求在很大范围内调节的负载，如牵引系统。

早期的斩波器采用晶闸管作为斩波元件，晶闸管经门极触发脉冲导通后，要想再关断晶闸管，必须使流过它的电流下降到其维持电流之下一段规定的时间。若在此过程中晶闸管承受反向电压，则该段时间可以显著缩短。这在交流电路中可以自然实现，因为电源电压是交变的，在一个周期的某个时间点上，晶闸管的电流必然下降到零，且此后会承受负的电压，即所谓反电压。若承受反电压的时间大于晶闸管所要求的关断时间，它就会可靠地关断。但在直流电路中情况不同，没有可以使晶闸管关断的反电压，为此必须引入附加的装置，强制晶闸管电流减小而关断。这种引入附加装置使晶闸管关断的方法，通常称为强迫换流。由于晶闸管的这种不能自关断性，使斩波电路中的换流电路成为一个复杂的、核心的问题。

目前在电力牵引领域中，已广泛采用GTO元件，即可关断晶闸管。与传统的晶闸管相比，GTO的工作频率较高且具有自关断能力，省去了强迫换流电路，所以整机体积减小，重量减轻，效率提高，可靠性增加。但价格较贵，对使用技术的要求也高。

随着半导体技术的发展，目前又推出一种新型的元件IGBT，即绝缘门极晶体管。它是一个场控管MOSFET与晶体管GTR的复合管，是新一代的场控型电力电子器件，在城市轨道交通领域它将代替GTO元件。毫无疑问，斩波元件的发展推动了斩波器向电路简洁、控制简单、轻型化等方向发展。

2.调节主极磁通

主极磁通的调节往往采用减小电机主磁通的办法，提高机车或电动车组的速度，因此亦称为磁场削弱。

主极磁通的大小与励磁线圈的匝数及励磁电流的大小成正比。所以对于串励电动机，有两种方法进行磁场削弱，即如图8-16所示的短路匝数法和分路电流法。短路匝数法主要是通过减少励磁线圈的匝数来减小磁通；分路电流法主要是采用励磁绕组上并联分路电阻，使电流的一部分流经分路电阻，减少励磁电流，从而减少磁通。