AC4000型電力機車
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AC4000型電力機車是中國鐵路的電力機車車型之一，也是中國第一台交—直—交流電傳動的國產電力機車，由株洲電力機車廠和株洲電力機車研究所於1996年研製成功。AC4000型電力機車屬於實驗性車型，僅試製一台未投入批量生產，但其研製及試驗過程為中國探索交流傳動電力機車設計特點及性能指標作出重要貢獻。
| AC4000 | |
|---|---|
AC4000型電力機車封存在株洲電力機車廠內 | |
| 概覽 | |
| 類型 | 電力機車 |
| 原產國 |  中國 |
| 生產商 | 株洲電力機車廠 |
| 生產年份 | 1996年 |
| 產量 | 1台 |
| 主要用戶 | 無 |
| 技術數據 | |
| 華氏輪式 | 0-4-4-0 |
| UIC軸式 | Bo'Bo' |
| 軌距 | 1,435毫米 |
| 軸重 | 24.5噸 |
| 軸距 | 2,900毫米（固定軸距） |
| 機車長度 | 19,160毫米（車鈎中心距） |
| 機車寬度 | 3,100毫米 |
| 機車高度 | 4,760毫米（落弓狀態） |
| 整備重量 | 98噸 |
| 受流電壓 | 單相交流 25 kV/50 Hz |
| 傳動方式 | 交—直—交流電 |
| 牽引電動機 | JD103 × 4 / YD103S × 4 |
| 最高速度 | 120公里/小時 |
| 持續速度 | 60公里/小時 |
| 牽引功率 | 4,000千瓦 |
| 牽引力 | 325 kN（起動） 242 kN（持續） |
| 設計加速度 | 0.595km/h/s |
| 制動方式 | 踏面制動、再生制動 |
| 列車制動 | 空氣制動 |
隨着電力電子技術的發展，德國於1971年成功研製世界上第一台採用交流傳動技術的鐵路機車——DE2500型柴油機車，其優越的牽引性能很快獲得了鐵路運輸部門認可；此後在DE2500型機車基礎上，進而研製了採用晶閘管牽引逆變器的120型電力機車，顯示出單軸功率大、粘着利用好、維護方便等特點，奠定了當代交流傳動電力機車的技術基礎。
中國於1980年開始進行交流傳動牽引系統的研究，由株洲電力機車研究所主導，先期分階段進行小功率系統試驗，至1984年完成了20千瓦交—直—交變流器和異步交流電機系統的研究試驗；從1985年起，開展大功率交流傳動系統的研究。1989年9月，中國國內首台300千瓦交—直—交流電傳動系統地面實驗裝置在株洲電力機車研究所研製成功，並通過鐵道部技術鑑定[1]。同年，株洲電力機車研究所成立了中國第一個交流傳動研究室，並在中國鐵道部的支持下，主持了「電力機車三相交流傳動800—1000kW機組地面試驗」重大課題的研究[2]，該研究項目成功研製了包括臥式模擬變壓器、脈衝整流器（四象限變流器）、PWM逆變器及電子控制裝置在內的1000千瓦交流傳動系統，並完成了1025千瓦的牽引特性試驗及800千瓦的再生制動試驗；該項目於1992年通過鐵道部鑑定，1993年獲鐵道部科技成果二等獎。株洲電力機車研究所又承擔了「4000kW交—直—交電力機車1000kW變流裝置」的研製，該項目於1997年獲鐵道部科技成果一等獎[3]。
1991年，中國鐵道部正式立項研製4000千瓦交流傳動電力機車，該型機車被定型為「AC4000」，其中「AC」代表交流電傳動，「4000」代表功率為4000千瓦；AC4000型電力機車由株洲電力機車廠和株洲電力機車研究所共同研製，並被列入第八個五年計劃國家重點科技攻關項目之一。1992年12月，AC4000型機車設計方案通過技術設計審查[4]。1994年，株洲電力機車研究所建造了一個2000千瓦交流傳動試驗台，模擬半台機車的實際運行情況，為AC4000型電力機車的研製提供了大量數據和經驗。
1996年6月19日，AC4000型電力機車在株洲電力機車廠出廠，時任鐵道部部長韓杼濱、副部長傅志寰、湖南省委常委副省長周伯華，株洲市委書記程興漢等領導參加了竣工剪彩儀式[5]。AC4000型電力機車採用交—直—交流電傳動，使用四象限脈衝變流器、PWM逆變器供電、三相異步牽引電動機，裝有微機控制系統，具有工況監控和故障診斷檢測功能，電制動採用再生制動。機車最大速度為120公里/小時，軸式Bo-Bo。AC4000型機車是中國鐵路機車電傳動發展史上的新一個里程碑，於1996年獲國家「八五」科技攻關重大科技成果獎。
AC4000型電力機車經過調整試驗後，於1997年初在北京環形鐵道試運行，期間最高試驗速度達到121公里/小時；1998年上半年，機車在西南交通大學牽引動力國家重點實驗室內的定置試驗台上進行了考核試驗。在試驗過程中機車暴露出一些技術問題，例如機車啟動時發生牽引力振盪、電網諧波較多、牽引電機濾波電抗器產生的牽引電機定子電流衝擊；機車雖然可以隨負載變化穩定運行，但其牽引特性曲線上並沒有恆力矩或恆功區，直接影響其高頻（高速）區的性能發揮。此外，由於AC4000型電力機車採用轉差控制方式對牽引電機實現變頻控制，難以達到較高的動態性能，也削弱了電機的可控性[6]。
AC4000型電力機車是四軸貨運電力機車，適用於供電制式為25千伏工頻單相交流電的電氣化鐵路，機車軸式Bo-Bo，持續功率4,000千瓦，最高速度120公里/小時。機車採用了焊接式整體承載結構車體，設兩端司機室。車體從前到後依次為Ｉ端司機室、Ｉ端輔助室、變流器室（I／II）、ＩＩ端輔助室、ＩＩ端司機室。輔助室內設有低壓電器櫃、電抗器櫃、輔助變流器櫃、空氣壓縮機組、牽引電機通風機等設備；變流器室內設有主變流器櫃、高壓電器櫃及冷卻系統；臥式主變壓器安裝於車體底下[7]。
機車採用了特殊的中間走廊和雙邊走廊混合布置模式，其中輔助室採用傳統雙側走廊，而變流器室採用貫通式中間走廊，設備成套化、斜對稱布置。通風系統採用車體通風和獨立風道通風混合模式，其中輔助室採用車體側牆上的百頁窗進風，而變流器、變壓器的冷卻系統採用由車頂通往車底的獨立風道通風。
AC4000型電力機車是交—直—交流電傳動的單相工頻交流電力機車。接觸網導線上的25千伏單相工頻交流電電流，經受電弓進入機車後經過主斷路器再進入主變壓器，交流電經過主變壓器的四個牽引繞組後分別向四組變流器供電，進入四象限脈衝整流器並整流為直流電，然後經過中間直流迴路，再由PWM逆變器轉換成三相交流電輸出，經電機電抗器分別向每個轉向架上的兩台異步牽引電機並聯供電，使牽引電動機產生轉矩，將電能轉變為機械能，經過齒輪的傳遞驅動輪對。機車採用JD103型鼠籠式三相異步牽引電動機，是在YQD-300、JD101S兩種試驗型異步牽引電機基礎上研製而成，額定功率為1025千瓦，採用逆變器轉差控制[7]。
AC4000型電力機車採用電子控制系統，設有兩個電子櫃分別控制兩台轉向架的主變流器和輔助變流器，具有機車牽引控制、逆變器實時控制、四象限變流器控制、異步牽引電機閉環控制及系統保護等功能。機車採用轉向架獨立供電和控制方式，當其中一個轉向架的電機找出現故障時，可以切除該轉向架的負載，使機車以半功率故障運行[8]。
機車走行部為兩台二軸轉向架，沿用了韶山4型機車轉向架的成熟技術，採用由低合金箱型焊接而成的「日」字型構架，一系懸掛採用軸箱螺旋彈簧與彈性連杆的獨立懸掛結構，二系懸掛為橡膠堆；牽引力或制動力通過推挽式平牽引杆機構傳遞。牽引電動機採用滾動軸承抱軸式半懸掛、單邊剛性直齒傳動[7]。
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