电力机车的起动是机车运行中最先实现的工作状态。电力机车在其起动牵引力作用下，克服列车静止时所受的阻力并产生加速度，最终运行在机车的自然特性上，这一过程称为机车的起动过程。机车起动过程实质是调速的一种特殊方式。因此，前述调速的基本原理对起动都是适用的。
一、对起动的要求
对机车起动的基本要求是：起动快和起动平稳。机车起动快可以减少起动时间，提高平均运行速度，对铁路运输有很大的意义，特别对起动频繁的电动车组来说，意义更为重大。为了使机车起动得快，就要求机车有较大的起动电流，产生较大的起动牵引力。
机车起动平稳可以使机车内部设备免受电流冲击，机车和列车免受机械冲击，因此希望列车以匀速运动的形式运行。为此，要求起动时应尽量减少起动电流、起动牵引力的摆动。
起动电流过大时，会使电机安全整流受到破坏，启动牵引力过大时，会超出线路粘着条件，使轮对发生空转，结果反而丧失了牵引力。不同形式的电力机车，所受限制因素的主次也不同。对于直流电力机车和整流器电力机车，由于牵引电动机的不断发展和完善，已能保证在粘着条件许可范围内牵引电动机有良好的整流，其主要限制条件就是线路的粘着条件。采用交流牵引电动机的电力机车，由于电机不存在整流问题，仅受线路粘着条件的限制。对于单相整流子牵引电动机电力机车，由于这种电机整流困难，由电机安全整流决定的最大许可电流要比粘着条件决定的最大电流小，故主要受机车安全整流的限制。
此外，在机车起动过程中，不应有附加的能量损耗，若有也应尽量减小。
在机车起动操纵时，对于有级调压电力机车，要求司机逐级调压，禁用快速升级，防止牵引电机电流一次性摆动过大造成机车起动失败。
二、起动方式
机车在起动时处于静止状态，牵引电机在得到电压时，由于其反电势为零，因此，电机电枢电流仅由电压及电机回路的阻抗来决定，即：
(2-57)
显然，由于回路阻抗值很小，必然产生很大的电流，以致破坏牵引电机的安全换向，超越线路粘着条件限制，而且这么大的电流必然会产生很大的电流冲击和机械冲击，使机车和列车都受到损伤。因此，必须采用适当的起动方法来限制起动电流和起动牵引力。
1.变阻起动
电力机车起动时，在牵引电动机回路中串入起动电阻，以减小起动电流，随着起动过程的进行逐步切除起动电阻，待起动电阻全部切除后，起动过程结束。这种方法称为变阻起动。
变阻起动，一般是有级起动，在起动过程中起动电阻有一定的能耗。因此是不经济的。
2.降压起动
在电力机车起动时，降低加在牵引电动机上的电压，这种方法为降压起动。采用直流斩波器电力机车、整流器式电力机车、单相整流子式电力机车及异步牵引电动机电力机车均可采用此种方法。其起动原理与调速原理相同，起动过程与调速过程之间无严格的界限。
采用有级调压的整流器电力机车，起动过程是有级的。采用晶闸管移相调压的整流器电力机车和采用斩波器调压的直流电力机车，由于调速是平滑的，其起动过程也是平滑的，可以使起动电流沿着粘着限制条件平滑的变化或维持一定值，因此机车不仅起动平稳，而且起动牵引力也可以在满足粘着条件要求下维持较大数值。但是，起动时机车的功率因数大为降低，整流电流的脉动也将增加。
3.变频起动
异步牵引电动机电力机车利用改变电流频率的方法起动，称为变频起动。变频起动能充分利用电机的最大转矩，而且在各种速度下均不增加损耗，也不降低机车的功率因数。如果在起动过程中，频率随机车的运行速度成正比变化，起动牵引力将保持为恒定值，做到理想的平稳起动。
三、起动电流和起动牵引力的限制
机车起动时，轮对发生空转前所能发挥的最大牵引力称为起动牵引力。机车起动牵引力受线路粘着条件的限制。起动牵引力应满足下列条件：
(kN) (2-58)
式中Pj--机车粘着重量(整备重量)(t);
μj--机车牵引粘着系数;
9.8Pjμj--机车粘着牵引力(kN)。
机车粘着系数并不是一个恒定值，它随线路条件，轨面情况，机车起动方式等因素而变化，是一个范围值。因此粘着限制曲线也非一条，而是一条限制带。为使机车起动时有较大的起动牵引力，就应有效、充分地利用机车的粘着条件，即机车起动时，起动牵引力应尽可能靠近粘着限制线。
起动牵引力对应着的牵引电动机的电枢电流称为最大起动电流Istmax，显然，这一电流应小于电机本身的最大允许温升电流。对于整流器电力机车来说，随着牵引电动机设计，制造水平的不断提高，已经能够保证在粘着条件的许可范围内电机安全换向，故Istmax
四、机车特性曲线的应用
不同型式的电力机车有不同的特性曲线，我们仅以SS1型电力机车的特性曲线为例来说明特性曲线在实际中的应用。
SS1型电力机车为有级调速机车，共有33个调压级和3个磁场削弱级。对应于牵引变压器的每一级电压，都有一条速度曲线。图2-37为SS1机车试验测得的特性曲线。在特性曲线图上给出了33条额定网压、牵引电动机满磁场时各调压级的速度特性曲线，3条在33调压级上进行磁场削弱时的速度特性曲线，1条牵引电动机安全换向限制线，1条机车构造速度限制线(95km/h)，1条粘着限制线和1条最大电流限制线。同时图中还绘出了满磁场及三个磁削级时的牵引力曲线。
下面用图2-37来说明机车起动、运行的全过程中电压、电流、牵引力和速度等的变化关系。
电力机车采用降压起动方式起动，起动所需电流的大小与列车阻力W有关，单机或轻载时起动电流小，重载时的起动电流大。机车起动初始速度V=0，Ist取决于牵引电动机的端电压。在图中第一电压级的启动电流为65A，相应的起动牵引力为Fa=24.5kN，如果是单机就可能动车，如果是机车牵引列车则要升高几级电压后使起动电流足够大，即相应的起动牵引力足以克服起动阻力时机车才能起动，表2-3给出了额定网压25kV下1～5级位各级的电机电枢电流参考值，如果电压升到6级位仍未动车，那么再升高电压，电机电流可能超过电机的过载整定值780A，破坏机车的粘着条件，导致起动失败，故一般应等机车动车后，电流降到额定值500A以下时才能再进级。1～5级位就称为调车级。
表2-3
设机车牵引列车起动，起动时阻力为284.2kN，当电压升到第6级时，起动电流增到560A，相应的牵引力Fc=372.4kN大于启动阻力284.2kN，列车开始起动。电机一旦开始旋转，建立起反电势，使电枢电流逐渐减少，速度开始增加。从特性图上看，机车工作点就从零点开始，经a、b到c点后便沿着第6条速度曲线上升。如果到d点时(电流450A)司机操纵司机控制器使电压再升高一级，此时机车速度由于列车惯性大而不能突变，电流就由450A立即增至580A，工作点从d点突变到e点，牵引力相应地从284.2kN增加到382.2kN，列车继续加速，沿第七条特性曲线上升……。如此不断升压，机车工作点如图中箭头所示沿锯齿形细实线上升。每进一级，牵引电动机的端电压即平均整流电压升高△Ud=56.25V，起动电流来回摆动一次，起动牵引力也相应摆动一次。随着速度的提高和线路坡道的变化，列车阻力也在变化。当电压升到33级时，机车工作点从f点沿这条特性曲线上升，到k点时牵引电动机电流为300A，假设此时牵引力与运行阻力相平衡(为166.6kN)，则列车保持速度为Vk=55km/h恒速运行，起动过程进行完毕。
起动完毕后，机车工作点将根据运行阻力的变化自动地在速度特性上移动，即机车速度根据运行阻力的变化在一定范围内自动进行调节;阻力大时机车速度自动降低，阻力小时速度又自动提高。但是这种自动调节仅仅是利用了电动机的串励特性，因此调节范围是很有限的。如果不能满足实际运行的需要，司机可根据运行情况，或调节牵引电动机端电压，或改变牵引电动机的励磁，人为调节机车的运行速度。例如若需要进一步提高速度，采用Ⅰ～Ⅲ级磁场削弱，使工作点由k点上升到h点，这时电流为Ih=375A，牵引力Fh=181.3kN，速度Vh=65km/h。相反若需要减速，则把级位降低，例如从33级降到29级，工作点沿折线从k点降到g点，速度为50km/h。
实际上在机车的起动调速过程中，除了要注意起动电流不超过粘着条件外，牵引电动机的端电压也应受到一定的限制，即UDmax=1.1UN，这是为了保证电机安全工作，要求在整个运行过程中，牵引电机端电压UD均不能超过UDmax，电机电枢电流Ia不能长时间超过额定值IN。
五、分级起动的品质与恒流起动
(一)分级起动品质及其缺点
从以上有级调速机车起动调速过程的分析可以看出，有级调速机车在调速过程中，电机电流是在一定范围内摆动的，造成了牵引力在一定范围内摆动，而且特性曲线越平坦，相邻曲线间的距离越大，则摆动越大，平均牵引力就越小。另外，电流和牵引力的摆动使机车加速度经常变化，不能满足平稳起动的要求。因此，有级调速机车的粘着条件不能得到最大限度的利用。
在起动中每进一级都伴随有一电压增量△U和一电流增量△I，若要平稳起动就需要对这两个量加以限制。若限制电流的摆动，即每进(退)一级时△I为常数，这将使每一级的电压增量不同，给变压器制造带来困难，故一般采用限制电压增量的方法，即取△U为常值，SS1机车即是如此，这样每进(退)一级时，电流的摆动量就有所不同，低速时电流的摆动要大些，但也不应超出允许的范围。
机车起动时，牵引力、电流和加速度的摆动情况可分别用牵引力摆动系数KF、电流摆动系数KI和加速度的摆动系数Ka来表示，其表示式分别为
(2-59)
式中 Fmax--最大起动牵引力;
Fmin--最小起动牵引力。
(2-60)
式中 Imax--最大起动牵引力所对应的最大起动电流;
Imin--最小起动牵引力所对应的最小起动电流。
(2-61)
式中 amax--最大起动加速度;
amin--最小起动加速度。
这三个系数反映了机车的起动品质。摆动系数越小其平均值越大，摆动范围越小，说明机车的起动品质越好，即机车的起动即快又平稳。
为了获得良好的起动品质，需要减小电流与牵引力的摆动，为此就需要增加调压级数，级数越多，摆动越小，当级数足够多时，可以做到KI、KF、Ka为零，电流就趋近于一恒定值，这就是恒流起动。实际上有级调速机车的电流冲击是不可避免的。采用相控调速加无级磁削就从根本上解决了摆动的问题。相控调速机车电机端电压可以通过控制晶闸管触发角α的连续变化平滑调节，无级磁削是通过控制分路晶闸管导通角θ的连续变化均匀地削弱主极磁场，机车的性能可以大为改善。
(二)机车的控制方式与机车特性
前已述及，电力机车为了获得良好的起动性能，不仅希望KI、KF、Ka尽可能小，而且还希望能最大限度地利用机车的粘着条件。另外在机车运行过程中，不仅希望机车特性适合于牵引调速范围广，还希望机车具有良好的再粘着性能。因此就需要对机车的运行方式加以控制，以保证机车有良好的牵引性能，充分利用机车的粘着功率，提高机车运行的可靠性，提高运输效率。常规的机车控制方式有恒流控制、恒速控制、特性控制。它是通过机车电子(微机)控制系统对机车的基本特性加以控制。
1.恒流控制
恒流控制是指机车起动时维持起动电流为一恒定值，而且也可以使起动电流接近粘着限制线。这样就可以充分利用机车的粘着条件，达到最大起动牵引力，从而压缩起动时间。国产SS3型电力机车就是采用的恒流控制方式。
图2-38 整流装置外特性
恒流起动时，司机控制器的级位是牵引电机电枢电流的给定值Iag，恒流控制系统根据该指令自动调节晶闸管的触发相位，来调节牵引电动机的电流IA。维持使IA值对应于或接近于Iag指令的要求。整流装置输出电压U沿图2-38中IA为常值的纵垂线上升，直到机车整流桥全部开放，电机电压上升到最大限制电压点UA。相应的在牵引特性曲线2-39上以牵引力FA使机车起动加速到速度VA，此时列车沿自然特性I运行。若列车阻力为W1曲线，工作点沿曲线I下降，达到I与W1之交点A1时稳定运行，此时电流降至IA1，速度升至VA1，IA1
图2-39 恒流控制牵引特性
采用恒流控制方式的机车在起动或坡道上运行时，系统将始终维持给定的牵引电机电流或牵引力不变。一旦电机发生空转，电流将减小，系统为了维持电流不变，必将增加电压，造成空转电机的转速进一步上升，加剧空转。因此采用恒流控制方式的机车再粘着能力差。
具有串励电动机的电力机车从特性曲线上看牵引特性较软，低速时可以获得较大的牵引力，牵引力小时可获得高速度，调速范围较广，这正是串励电动机特别适合于牵引的原因。但是这种软特性不利的一面就是当轮对粘着破坏发生空转时，再粘着性能差。因为此时空转轮对的牵引力不能随着机车速度的提高而迅速下降，这样该空转轮对的牵引力就很难与降低了的粘着力相平衡，若机车没有防空转保护，则这种软特性会加剧该轮对的空转。如果机车的牵引特性较硬，则当轮对发生空转时，牵引力能迅速下降，有利于实现机车的再粘着而制止空转的进一步发展。采用恒速控制方式可以使机车具有所要求的硬牵引特性，以有利于机车实现再粘着。
2.恒速控制
恒速控制是指恒流起动，恒速运行方式。图2-40绘出了恒流起动、恒速调节系统的牵引特性。从牵引特性曲线上看，调节过程为：司机给出速度指令V1，机车沿AB段恒流起动，沿最高电压U1下的自然特性曲线运行，加速到与阻力W1相平衡点C，若此点的速度恰好是给定速度V1，则机车在此速度下稳定运行，若阻力减小，则沿CD恒速线变化，减小牵引力以保持速度为恒值。若阻力增加，则运行点从C点沿自然特性上升，此时列车实际速度将小于给定速度。可见恒速控制方式特性很硬，因而防空转性能好，有利于机车再粘着，但由于特性过陡，当阻力发生变化时，牵引力波动大，使车钩承受过大的冲击力。
图2-40 恒流起动恒速调节系统牵引特性
3.特性控制
特性控制是指机车按恒流方式起动，起动完毕按理想的牵引特性曲线运行。理想的牵引特性曲线是介于机车自然特性曲线与恒速特性曲线之间的斜线，见图2-41(也叫准恒速特性曲线)。这种控制方式综合了恒流控制与恒速控制两者的优点。SS6、SS4改，SS8型电力机车即采用特性控制。图1-6给出了SS3B型机车的特性控制曲线，这种特性曲线叫人工特性曲线。人工特性曲线与机车的自然特性曲线并不矛盾，而是一致的。所不同的是机车的自然特性是指在额定状态下由牵引电动机自身参数决定的机车基本特性，没有人工干预。而人工特性则是指通过外加调节装置人为改变牵引电机运行条件。例如保持机车起动过程中电机电枢电流不变的恒流控制等。从特性曲线的表达式也能看出这一点。
图2-41 恒速牵引特性、自然牵引特性、
特性控制牵引特性曲线的比较
有级调速机车速度特性(自然特性)：
相控调速机车速度特性(人工特性)：
SS3B牵引工况 (取最小值)
式中 n--手柄级位;
V--机车速度(km/h)。
例如SS3B型电力机车采用特性控制方式。机车起动时速度为零，因此三条曲线经电子控制装置取最小值后沿90n进行恒流起动，随着机车速度的增加，曲线45(10n-V)逐渐减小，到与曲线90n的交点后沿曲线45(10n-V)准恒速运行，速度的变化范围10km/h。700是电机最大电流限制。
在此要说明一点的是较先进的相控机车一般采用微机控制，采用汇编语言编程，以便满足晶闸管实时控制的需要。
