直流電化

整流方式

交流から直流に変換する方法としては、800V程度までの低い電圧には、かつては回転変流機などの回転機が用いられ、後に静止型として高圧にも使える水銀整流器が用いられたが、安定した大電力用シリコンダイオードの出現でこれに移行した。

回転変流機／電動発電機

「回転変流機」は交流側ー直流側で回転電機子と界磁を共用とする交流ー直流の変換を行う同期回転機であり、「電動発電機」よりも大出力を扱えて効率の良いため電鉄の直流変電所に主に用いられた。
電動発電機は電動機で直流発電機を回す組み合わせて交流と直流の変換を行う回転機であるが、小型化で回転変流機に劣りあまり用いられなかった。
回転変流機では、巻線が交直共通で電流が相殺され、負荷電流による電機子反作用が交直共通巻き線で相殺されて、同寸法の電動発電機方式よりも遥かに大きな電力を扱えた事により鉄道用直流発生装置に多用されたもの。
信越本線横川駅 - 軽井沢駅間の碓氷峠アプト式区間の電化は回転変流機を使って行われた。
整流子の絶縁の問題で800 Vを越える電圧の回転変流機は安定的に作れなかった。電動発電機も回転変流機も可逆的であり電源側への電力回生を許容する。

サイリスタ(SCR)整流器

制御電極（ゲート電極）の付いた半導体素子をサイリスタと呼ぶ。シリコン整流器の一部のダイオードをサイリスタに置き換えることにより水銀整流器同様に位相制御をして電圧調整をしたり、電力回生制動に用いたり、定格出力以上で電圧を下げる垂下特性を実現することができる。
サイリスタ位相制御の一部分を抜き出した回路に近く、位相制御と整流が別になったサイリスタ混合ブリッジ回路と、ダイオードブリッジをサイリスタに置き換えて位相制御と整流を同時に行うサイリスタ純ブリッジ回路の2種類が存在するのも同様である。
回生制動が可能になったが、他に力行車両がない場合は回生失効するので、大落差降坂などの回生電力を確実に消費させるためには回生電力吸収装置とトロリ線(陽極)とレール(負極)との間にGTOチョッパと抵抗器を直列に接続して、回生電力を抵抗器で消費させるサイリスタチョッパ抵抗や、直流変電所に回生電力を電源側に送り返すサイリスタインバータが必要になる。
パルス幅変調整流器と共に、VVVFインバータと併用した場合両者をまとめて、Converter・Inverterの頭文字からCI装置や主変換装置と称する。

パルス幅変調整流器

マイコンによりPWM（Pulse Width Modulation=パルス幅変調）で制御されるサイリスタやトランジスタのブリッジ回路で構成される。回生制動時は単相交流を出力するPWMインバータとして機能するのがこの方式の特徴である。とくにIGBT素子の性能向上とコンピュータによるきめ細かな制御により整流時は脈流の低減、また回生制動時は高調波の少ない交流を安定して出力できるため交流電化区間での回生制動も積極的に行われるようになり、現在の主力となる。PWMコンバータと称するのが一般的。
GTOサイリスタやIGBTにダイオードを1つずつ逆並列に接続して還流ダイオードとし、これを2個直列、それをさらに2組並列接続したものである。実際には電力回生時の高調波低減のためこの整流器を2つ直列接続し、マイコンによって各整流器間で90度の位相差制御をすることで0 %、50 %、100 %の3段階の電圧を生成する3レベル方式が主流である。

センタータップ式

整流回路は、水銀整流器に陰極共通の3相 - 6相用水銀整流器が使われ、その陰極付属設備は相互絶縁が必要なのでそれを一本化したいことから、トランスとの接続回路は逆極性の巻線の半波整流を合成して全波整流（両波整流）とする「センタータップ式全波整流」が基本とされた。さらに巻線の流通角が小さく非効率な欠点があり、次項の改良をして多用した。半波整流ではトランス鉄心に直流磁化を生じて変圧に支障を来すのに対し、センタータップだと磁化方向を相殺するので必須の接続である。

相間リアクトル付2重星形結線

センタータップ接続整流は流通角が小さくトランス巻線の利用率が悪く大型化させるので、巻線をセンタータップ部で分離し相間リアクトルを挿入してその中央から直流を得ることでトランス各巻線の流通角を大きくして実効容量低下を抑えている。この接続を特に「相間リアクトル付2重星形結線」と呼んで三相交流を水銀整流器で整流する際の標準的結線となった。三相交流では6相式（6パルス式）となる。

ダイオード・ブリッジ式

シリコン整流器に換わると、当初は水銀整流器を置き換えただけの「相間リアクトル付2重星形結線」で使ったが、水銀整流器のような複雑な陰極付属設備が要らないため整流器を「ブリッジ接続全波整流」としてトランス巻線の単純化を図った。三相交流では6相（6パルス）式となる。

12相式

リップル（脈動）分を小さくするため、特に大出力変電所では三相交流をそのまま全波整流して6相整流するのではなく、3相Y結線とΔ結線の巻線を組み合わせて位相差30度の交流を作ってそれぞれ整流して直列、或いは並列に重畳し合計12相（12パルス）整流とすることで脈動周波数を2倍に、脈動振幅を4半分以下にした。

鉄道車両への送電

直流変電所からは故障時の電流を遮断可能な高速度遮断器を通じ、饋電線へ直流電力を供給する。特徴的なのは電気機関車や超大編成の電車の場合、一編成で消費する電流がきわめて大きく（2000 Aにも達する）、故障時の電流と区別がつきにくいことから電流変化率により遮断するΔI形故障選択装置や故障箇所の直近両端の変電所からの送電を停止する連絡遮断装置を設ける。

日本

現在、日本国内の電化鉄道および軌道では、新幹線と北海道、東北、九州の各地方の大半のJR線を除いた電化路線の多くで、直流電化を採用している。なお、これらの鉄道事業者の大半は、自前の発電所や送電網を持つ東日本旅客鉄道（JR東日本）の首都圏など一部地域を除き、各電力会社から電力を購入している。ただし、第二次世界大戦以前は自前の発電所や給電施設を持ち、沿線の住宅などに電力を供給する事業を行っていた会社や、電力会社の子会社であったものが、戦時体制による強制再編で電力事業を奪われた事業者もある。

フランス

フランス国鉄 (SNCF) の電化路線では戦前、直流1500 V電化が主流であった。戦後は、商用周波数交流を用いた交流電化 (50 Hz / 25000 V) が実用化され、戦後に電化された路線は交流中心である。北部、東部、ブルターニュ地域圏、プロヴァンス＝アルプ＝コート・ダジュール地域圏のマルセイユから東側、ローヌ＝アルプ地域圏の一部の在来線とLGV（TGVが走る高速新線）全線は交流電化、その他の地域は直流電化である。パリ基準では、サン・ラザール駅・パリ北駅・パリ東駅が交流電化、リヨン駅・オステルリッツ駅・モンパルナス駅は直流電化となる。ちなみに、TGVは全車交直両用仕様になっており、交流のLGV区間から直流の在来線への直通は容易である。

イタリア

イタリア鉄道の電化路線では、3000 Vが多用されている。
高速新線であるTAV（ディレッティシマ）については、初期に建設されたフィレンツェ-ローマ高速線は在来線と同様に直流3000 Vで電化されたが、後に建設されたディレッティシマではフランスのTGVと同様に交流50Hz 25000 Vで電化されている。

ドイツ・オーストリア・スイス

戦前から低周波交流による交流電化が進んだこれらの国では、国有鉄道（スイス連邦鉄道、オーストリア連邦鉄道、ドイツ鉄道。ドイツ鉄道は民営化）の幹線路線では直流電化は見られないが、ベルリンやハンブルクの通勤電車では第三軌条集電式の直流電化が採用されている。

韓国

韓国では、原則的に地下鉄路線は1500 Vによる電化がなされている。韓国鉄道公社 (KORAIL) が運営する広域電鉄は一山線を除き交流電化 (60 Hz / 25000 V) が採用され、直通運転する地下鉄路線との境界にはデッドセクションが設けられている。