直流電化
以下に、各国での採用例の一覧を挙げる。 ただし、路面電車、ライトレール、およびそれに準じる規格の鉄道は除いた。 英語版のen:List of current systems for electric rail tractionを参考にした。
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。
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。
電化線路は電気工作物であり電気設備に関する技術基準を定める省令の規制を受ける。同省令の解釈第203条の条文は以下のとおり。
使用電圧は、低圧又は高圧であること。
架空方式により施設する場合であって、使用電圧が高圧のものは、電気鉄道の専用敷地内に施設すること。
サードレール式により施設する場合は、地下鉄道、高架鉄道その他人が容易に立ち入らない専用敷地内に施設すること。
剛体複線式により施設する場合は、人が容易に立ち入らない専用敷地内に施設すること。ただし、次のいずれかによる場合は、この限りでない。 電車線の高さが地表上5 m(道路以外の場所に施設する場合であって、下面に防護板を設けるときは、3.5 m)以上である場合 電車線を水面上に、船舶の航行等に危険を及ぼさないように施設する場合
実際の運用として日本においては以下のようになっている。
直流高圧の架空方式の電車線路は 600 V、750 V、1500 Vが見られたが、現在は主に1500 Vが用いられている。過去には1200 Vを採用した路線も存在したが、昇圧により消滅している。
第三軌条方式の電車線路は架線よりも大電流の供給が可能なため、また、感電や短絡事故を避けるため低圧の750 Vまたは600 Vを採用している。
併用軌道など、専用敷地外では低圧を用いる。 京阪電気鉄道京津線びわ湖浜大津駅付近の併用軌道区間で1500 Vが採用されているなど、特例による例外もある。
なお索道および鋼索鉄道(ケーブルカー)の電車線路にあっては架空電車線に限られ、かつ、300 V以下とすることが電気設備技術基準・解釈 第217条にて定められている。
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れらのスイッチング素子と大容量コンデンサとの組を2つ直列接続して中間電圧を作成し、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。