第5章-电力电子技术在交通领域的应用1

电力电子与现代生活Power

Electronics

TechnologyandModernLife1电力电子与现代生活第5章电力电子技术在交通领域的应用第5章电力电子技术在交通领域的应用

5.1电力电子技术在火车中的应用

5.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用

5.3电力电子技术在汽车中的应用

5.4电力电子技术在电动自行车中的应用

35.1电力电子技术在火车中的应用

5.1电力电子技术在火车中的应用

在各种运输工具中，动力装置是核心。随着现代科技的发展，动力装置逐渐由机械化向机电一体化、电气化、自动化方向发展，其中电力电子技术起着越来越重要的作用。主要运输工具：火车、汽车、飞机、轮船等。火车上采用的牵引动力机车有三种基本形式，即蒸汽机车、内燃机车和电力机车。45.1电力电子技术在火车中的应用

5.1.1蒸汽机车

1、蒸汽机车的发展蒸汽机的发展过程大致可分为三个时期。

1）形成时期（1804~1830年）

瓦特发明蒸汽机(1769年)后，1804年英国R•特里维西克创造了一辆铁路蒸汽机车。这就是世界上最早的蒸汽火车。55.1电力电子技术在火车中的应用

1814年7月英国G•斯蒂芬森造出“布鲁克”号蒸汽机车，这通常被认为第一台成功的机车。1829年斯蒂芬森造出“火箭”号蒸汽机车，并在比赛中获奖。它行驶速度达47公里/小时，创造了当时地面行驶车辆最高速度。图“火箭”号蒸汽机车65.1电力电子技术在火车中的应用

2）发展时期（1831~1920年）1831年以后，美国等国家先后开始制造蒸汽机车。1884年瑞士A•马利特发明关节式机车，这种车牵引力大,四年以后即制成投产运用。1875~1900年广泛地应用蒸汽两次膨胀原理，提高了机车热效率。1900~1920年由于采用蒸汽过热和给水加热等装置，机车的热效率、牵引力和功率又有进一步提高。

75.1电力电子技术在火车中的应用

3）探求新设计时期（1920年以后）

这一时期，蒸汽机车的性能进一步得到改善。20世纪20~50年代，进一步提高了机车的锅炉压力、过热蒸汽温度，车速、效率不断提高。经过不断改进，到50年代，蒸汽机车基本定型。85.1电力电子技术在火车中的应用

蒸汽机车缺点：热效率只有6％左右，保养维修量大、污染严重、日运行里程短。比如它运送的煤的1/4被它自己“吃掉”了，每行驶80千米~100千米就要加水，行驶200千米~300千米就要加煤，行驶5000千米~7000千米还要洗炉。95.1电力电子技术在火车中的应用

行驶中要排放黑烟，污染环境，尤其是在过山洞时，浓烟难以散出去，影响旅客和车上工作人员的健康……正是由于这些原因，曾经辉煌一时的蒸汽机车开始退出历史舞台，逐渐被新一代的电力机车和内燃机车所取代。美国于1960年、英国于1968年、法国于1972年、日本于1975年、德国和前苏联均于1977年相继停止使用蒸汽机车。中国于1988年12月21日，大同机车厂停止生产蒸汽机车，标志着中国蒸汽机车制造史的结束。中国于1992年停止使用蒸汽机车。105.1电力电子技术在火车中的应用

2、蒸汽机车的工作原理蒸汽机车是通过蒸汽机，把燃料的热能转换成机械能，用来牵引列车的一种机车。蒸汽机车主要由锅炉、汽机、走行部、车架、煤水车、车钩缓冲装置以及制动装置等部分组成。汽机是将蒸汽的热能转变为机械能的设备。它由汽室、汽缸、传动机构和配汽机构所组成。

115.1电力电子技术在火车中的应用

蒸汽机车的工作原理125.1电力电子技术在火车中的应用

5.1.2内燃机车1、内燃机车的发展历史135.1电力电子技术在火车中的应用

20世纪初，国外开始探索试制内燃机车。1924年，苏联制成一台电力传动内燃机车，并交付铁路使用。同年，德国将蒸汽机车改装成为机械传动内燃机车。1925年，美国将一台220kW电传动内燃机车投入调车作业。20世纪30年代，内燃机车进入试用阶段，并开始在内燃机车上采用直流电力传动装置和液力传动装置，但内燃机车仍以调车机车为主。内燃机直流发电机

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M直流电动机图直流电力传动装置145.1电力电子技术在火车中的应用

第二次世界大战以后，内燃机车多数配装了废气涡轮增压系统，功率比战前提高约50%，配置直流电力传动装置和液力传动装置的内燃机车的发展加快，到了20世纪50年代，内燃机车数量急骤增长。20世纪60年代期，大功率硅整流器研制成功，并应用于机车制进，出现了交—直流电力传动的2940kW的内燃机车。155.1电力电子技术在火车中的应用

在20世纪70年代，随着电子技术的发展，联邦德国在1971年试制出1840kW的交-直-交电力传动内燃机车（晶闸管），从而为内燃机车和电力机车的技术发展提供了新的途径。中国从1958年开始制造内燃机车，先后有东风型等3种型号机车最早投入批量生产。1969年后相继批量生产了东风4等15种新机型。现在，内燃机车仍然是铁路运输的主力机型。变频器165.1电力电子技术在火车中的应用

2、内燃机车的结构与原理

内燃机车由内燃机、传动装置、辅助装置、车体走行部（包括车架、车体、转向架等）、制动装置和控制设备等组成。内燃机是机车动力装置，按照使用的燃料的不同可分为柴油机和燃气轮机。其主要结构包括汽缸数、汽缸排列形式、汽缸直径、活塞冲程、增压与否等。内燃机的外形175.1电力电子技术在火车中的应用

功率不同，需要汽缸的容积和缸数也不同。例如1.6L的汽车，一般为4缸。功率较大的内燃机车一般为12、16、18缸。缸的排列：有直列、V型、对分型等。六缸直列柴油机的结构1866年，德国人奥托首先制成了一种燃烧煤气的新型发动机——燃气轮机。柴油机是德国人鲁道夫·狄塞尔于1892年发明的。柴油机有四冲程和二冲程两种工作方式。

185.1电力电子技术在火车中的应用

四冲程内燃发动机的工作原理：四冲程发动机：是指发动机曲轴每旋转两转，即活塞上下往复运动四个行程，完成一个工作循环的发动机。工作循环：是指发动机由进气、压缩、燃烧膨胀（做功）、排气行程所组成的工作进程。发动机完成一次进气、压缩、做功、排气的进程称为一个工作循环，也称一个周期。195.1电力电子技术在火车中的应用

四冲程发动机的一个工作循环：

a)进气行程

b)压缩行程

c)燃烧膨胀作功行程

d)排气行程

图四冲程发动机的工作原理205.1电力电子技术在火车中的应用

四冲程发动机的一个工作循环：第一行程-------进气行程：图a)，活塞自上而下运动，进气门开启，可燃混合气被吸入气缸。第二行程-------压缩行程：图b)，活塞自下向上运动，进气门和排气门都处于关闭状态，可燃混合气被压缩。第三行程-------燃烧膨胀作功行程：图c)，在压缩行程结束时，火花塞电极间发出火花，将可燃混合气点燃。气缸内温度和压力急剧升高，活塞由上向下运动，通过连杆驱使曲轴旋转而作有用功。第四行程-------排气行程：图d)，在燃烧膨胀行程结束后，排气阀开启，活塞由下向上运动，废气通过排气门排出。215.1电力电子技术在火车中的应用

5.1.3电力机车

电力机车：本身不带原动机，靠接受沿线接触网送来的电流作为能源，由牵引电动机驱动的机车。1、电力机车的发展简史1842年，苏格兰R·戴维森，最早造出第一台标准轨距电力机车。由40组蓄电池供电，但没有实用价值。1879年5月，德国W·西门子设计制造了一台能拉三辆“客车”的电力机车，由自己发明的直流发电机（150V）通过第三轨外部供电，这是电力机车首次成功试验。1881年，法国在巴黎展出了第一条由架空导线供电的电车线路，这就为提高电压，采用大功率牵引电动机创造条件。225.1电力电子技术在火车中的应用

1895年，美国在巴尔的摩—俄亥俄间5.6km长的遂道区段修建了直流电气化铁路。1903年，德国的三相交流电力机车创造了每小时210km的高速记录。1904年，瑞士架设了单相交流电压1.5万伏的高压线，为500马力的BB型电力机车供电，从此，电气化铁路迅速发展起来。战后，内燃机车的发展超过了电力机车。20世纪70年代初，欧洲大陆以及亚洲的日本基本上实现了主要铁路干线电气化。1973-1974年爆发石油危机，电力牵引受到世界各国青睐。到20世纪80年代初期，全世界已有50多个国家和地区修建了电气化铁道。235.1电力电子技术在火车中的应用

我国电力机车的发展：1958年，中国第一台电力机车诞生于湖南株洲，命名为“6Y1”型，为中国铁路步入电气化立下了汗马功劳。1968年，在“6Y1”型的基础上经研究改进研制成韶山1型（SS1型），成为中国电气铁路干线的首批主型机车。1969年SS2型机车制成。个别技术不能配套，未能批量生产，仅生产一台。1978年研制成功的SS3型机车，成为中国第二种主型电力机车。1985年又研制成功了SS4型8轴大功率货运电力机车，已成为中国重载货运的主型机车。90~94年，陆续研制了SS5、SS6、SS7、SS8型电力机车。24韶山（SS7E）型客运电力机车5.1电力电子技术在火车中的应用

中国第一台电力机车—6Y1型255.1电力电子技术在火车中的应用

1999年5月26日，中国株洲电力机车厂生产出第一台时速超过200km的DDJ1-001号“子弹头”电力机车，标志着中国铁路电力牵引已跻身于国际高速列车的行列。

DDJ1-001号“子弹头”电力机车265.1电力电子技术在火车中的应用

1999年~2003年在生产交-直传动机车的同时，研制成功多种型号的交流传动机车（大熊猫、蓝剑、澳星、中原之星、中华之星等），并出口到乌兹别克斯坦、哈萨克斯坦等。从2005年起，引进技术合作生产CRH1、CRH2、CRH3、CRH5等多种型号的高速动车组。“中华之星”高速电动车组（鸭嘴兽）275.1电力电子技术在火车中的应用

2、我国电力机车传动技术的发展电力机车的供电系统：285.1电力电子技术在火车中的应用

2.1交-直传动技术交-直流传动方式：交流电源供电、直流牵引驱动。交-直流传动方式是我国长期使用的一种传动方式，国产韶山(SS)系列和进口的6K、8K电力机车等均采用。这些机车的主要差别在于整流方式和控制方式的不同。降压整流295.1电力电子技术在火车中的应用

2.1.1第1代电力机车传动——大功率二极管整流技术我国第1代有级调压、交-直传动电力机车——SS1型电力机车于1968年试制成功，1969年开始批量生产，到1988年止，共生产826台。变压器抽头调压。

SS1型电力机车整流器主电路原理图305.1电力电子技术在火车中的应用

2.1.2第2代电力机车传动——晶闸管相控(有级)调压技术晶闸管的出现，使机车电传动技术跨上了一个新台阶。SS3为典型代表，1978年底，由株洲电力机车厂和株洲电力机车研究所共同研制成功。

SS3B型电力机车变流器主电路原理图315.1电力电子技术在火车中的应用

2.1.3第3代电力机车传动——相控无级调压技术随着大功率晶闸管性能的提高，相控技术成熟应用到机车电传动领域，其代表车型为SS4型。SS4型机车是1985年开发的相控无级调压、交-直传动8轴重载货运电力机车，是我国相控机车“代表作”，与后续开发的SS5、SS6、SS7、SS8及SS9型电力机车一起，构成我国晶闸管相控调压、交-直传动的系列产品，是我国干线货运主型机车。

SS7型电力机车变流器主电路原理图滤波励磁325.1电力电子技术在火车中的应用

2.2交-直-交传动技术交-直-交传动方式：使用交流电源供电，经降压整流变成直流，再将直流逆变成频率和电压可调的交流电，驱动交流牵引电动机的传动方式。其结构如图所示。~~--335.1电力电子技术在火车中的应用

交-直-交传动：属于第4代电力机车传动技术——变频调速技术80年代以前，在机车牵引领域，电力电子器件主要用于直流传动系统中的整流器和斩波器以及辅助传动系统，电力电子器件主要是大功率二极管和晶闸管。进入80年代，随着电力电子器件的发展，交流传动技术日趋成熟，其在牵引领域的应用主要包括：整流器、斩波器、电力制动、逆变器以及辅助传动系统。主要采用晶闸管和GTO。90年代以后，交流传动在电力机车、内燃机车及动车上得以大量地推广应用，使电力电子器件在机车牵引领域中有了更广阔的应用前景。这一时期在牵引领域中主要采用的是GTO和IGBT。345.1电力电子技术在火车中的应用

变频调速技术实例——“中华之星”高速电动车组：2001.08，开始试制。设计时速270km；2002.11.27试验，创造了321.5km/h的当时“中国铁路第一速”。

“中华之星”动力车主电路原理图整流逆变中间直流回路交流电动机变压器35“中华之星”的故事2001年4月，铁道部下达“270km/h高速列车设计任务书”，“中华之星”高速列车正式展开研发。“中华之星”属于动力集中式设计包括2节动力车及9节无动力拖车组成，并由头尾两辆动力车作推拉式牵引。“中华之星”项目集中了中国国内铁路机车车辆制造和研发的核心力量联合进行。使用JD128型交流牵引电动机及株州电力机车研究所研发的TEP28WG01型GTO牵引逆变器。2002年9月，“中华之星”开始编组调试。2002年11月27日，以两辆机车及三辆客车的短编组“中华之星”在新建的秦沈客运专线进行高速试验，其最高速度创造了当时的“中国铁路第一速”——321.5km/h，成为轰动一时的时事；该记录直到CRH2C型动车组在2008年4月24日才被打破。2002年11月28日，时任铁道部部长傅志寰视察并计划试乘“中华之星”列车空车试载，驶回基地前出现A级重大故障：因一根有问题的法国进口部件（车辆轴承）温度高达109摄氏触动了车载轴温报警系统。于是铁道部领导决定停止试验。36“中华之星”的故事国内自主研发的“中华之星”高速轮轨计划虽已取得重大成果，但“中华之星”在试验中也曾多次出现重大安全故障，而且朱镕基离休后铁道部领导（刘志军）改为采用购买国外高速轮轨技术的意见重占上风，因此“中华之星”像飞机“运十”般夭折，成为辉煌刹那的“流星”。2004年铁道部展开为用于中国铁路第六次大提速、时速200公里级别的第一轮高速动车组技术引进招标，“中华之星”率先出局。此车款使用动力集中式设计，乃出局原因之一。2003年1月至2005年初期间，“中华之星”持续在秦沈客运专线上进行运行考核，每天不载客来回往返沈阳及秦皇岛一次，总运行里程达到53.6万公里。随后“中华之星”正式配属沈阳铁路局，于2005年8月1日起正式投入载客运营，运行秦沈客运专线，担当来往沈阳及山海关的临时准高速列车，车次为L517/8次，其最高运营速度限制为160km/h。“中华之星”自2006年8月2日停运，存放在沈阳车辆段，直到2009年底或2010年初。2010年初到2011年初转移到通化。375.1电力电子技术在火车中的应用

5.1.4高速铁路与高速火车1.中国的高速铁路

铁道部规定：高速铁路是指营运速度大于200km/h的铁路。中国高铁的建设，始于1999年所兴建的秦沈客运专线。经过10多年的高速铁路建设和对既有铁路的高速化改造，中国目前已经拥有世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网。正在建设四纵、四横铁路网。截止2010年10月底，国内运营时速200公里以上的高速铁路运营里程已经达到7431公里。到2012年，中国高速铁路总里程将超过1.3万公里。385.1电力电子技术在火车中的应用

395.1电力电子技术在火车中的应用

A、“四纵”客运专线：(1)北京～上海客运专线，全长1318公里，纵贯京津沪和冀鲁皖苏四省，连接环渤海和长江三角洲两大经济区。2011年6月30日京沪客运专线正式运营。(2)北京～武汉～广州～深圳客运专线，全长约2260公里，连接华北和华南地区。武汉至广州段全长995公里，2005年6月开工。2009年12月26日，武广客运专线（CRH3）正式运营。(3)北京～沈阳～哈尔滨(大连)客运专线，全长约1700公里，连接东北和关内地区。秦皇岛至沈阳段400公里已于2003年建成。(4)杭州～宁波～福州～深圳客运专线，全长约1600公里，连接长江、珠江三角洲和东南沿海地区。

405.1电力电子技术在火车中的应用

B、“四横”客运专线：(1)徐州～郑州～兰州客运专线，全长约1400公里，连接西北和华东地区。郑州至西安段455公里最先开工，于2010年2月6日郑西高速客运专线正式投入商业运营。(2)杭州～南昌～长沙客运专线，全长约880公里，连接华中和华东地区。(3)青岛～石家庄～太原客运专线，全长约770公里，连接华北和华东地区。已开工建设建设石家庄至太原段205公里(4)南京～武汉～重庆～成都客运专线，全长约1600公里，连接西南和华东地区。已开工建设南京至合肥段、武汉至合肥段、宜万段、成遂渝段。415.1电力电子技术在火车中的应用

C、三个城际客运系统(1)长江三角洲地区：以上海、南京、杭州为中心，形成“Z”字型主骨架，形成连接沪宁杭周边重要城镇的城际客运铁路网络。(2)珠江三角洲地区：以广深、广珠两条客运专线为主轴，形成“A”字型线网，辐射广州、深圳、珠海等9个大中城市，构建包括港澳在内的城市1小时经济圈。现已开工建设的广深客运专线约105km线路，从新广州站到深圳约30分钟时程。(3)环渤海地区：以北京、天津为中心，北京－天津为主轴进行建设，形成对外辐射通路。已建设完工的京津城际轨道交通，全长约115km。425.1电力电子技术在火车中的应用

2、中国的CRH系列“和谐号”动车组动车组技术，是一种动力分散技术。把动力装置分散安装在车厢上，既有牵引力，又可载客，这样的客车车辆叫做动车。动车组：几节自带动力的动车，加几节不带动力的拖车编成一组。运行的时候，不光是车头带动，车厢也会“自己跑”，这样把动力分散，更能达到高速的效果。普通列车：依靠机车牵引，车厢不具有动力，是动力集中技术。中国铁路第六次大提速上线运行的动车组名称为“和谐号”，英文名CRH系列(—ChinaRailwayHigh-speed)，铁道部将所有引进国外技术、联合设计生产的高速车辆均命名为“和谐号”。目前CRH系列有CRH1～CRH5几种型号。这些型号分别从加拿大、日本、德国、法国等国引进先进技术，并消化吸收及国产化，成为“具有我国自主知识产权”的动车组产品系列。435.1电力电子技术在火车中的应用

CRH系列动车组CRH1：四方-加拿大庞巴迪-鲍尔铁路运输设备有限公司CRH2：四方机车车辆股份有限公司+日本川崎（原型车：新干线E2-1000)CRH3：唐山轨道有限责任公司+德国西门子（原型车：德国VELARO-E)CRH5：长春轨道客车股份有限公司+法国阿尔斯通（原型车：法国SM3)445.1电力电子技术在火车中的应用

455.1电力电子技术在火车中的应用

A、CRH1型电动车组CRH1型电动车组，是2004年铁道部向加拿大庞巴迪运输公司和青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司（BSP）订购的CRH系列高速电力动车组车款之一。CRH1共有三个派生车型，它们分别是CRH1A、CRH1B和CRH1E。CRH1A：CRH1A采用交流传动及动力分布式，最高运营速度为200km/h。编组方式是全列8节，包括5节动车及3节拖车（5M3T）。列车全部由中外合资企业BSP在青岛厂房生产。第一组列车于2006年8月30日在青岛出厂，并在同年9月至12月试验。465.1电力电子技术在火车中的应用

2007年2月1日，CRH1A动车组正式开始在广深线投入载客试运行，首发车次为T971次，由广州东站出发前往深圳。475.1电力电子技术在火车中的应用

485.1电力电子技术在火车中的应用

CRH1B：

CRH1B是在CRH1A基础上扩编至16节车厢的大编组座车动车组，共20列。包括10节动车配6节拖车（10M6T）。最高运营速度为200—250km/h，车体外观不变。2009年3月5日，第一列CRH1B型动车组完成了BSP公司内部的环形线测试。

2009年4月配属上海铁路局，运行上海—南京、上海南—杭州的城际列车。CRH1E：

CRH1E以庞巴迪新研发的ZEFIRO系列为原型，共20列，为16节车厢大编组卧铺动车组，包括10节动车配6节拖车(10M6T)，最高运营速度为250km/h，世界上第一种高速卧铺动车组。495.1电力电子技术在火车中的应用

CRH1动车组的牵引传动系统:CRH1动车组的编组和牵引传动系统的主电路原理图：高速受电弓将牵引接触网25kV单相工频交流电导入车载工频变压器，经牵引变压器降为1860V后送给牵引变流器，通过牵引变流器，变成电压（0~1400V）和频率（0~152Hz）均可调节的三相交流电，驱动三相交流异步牵引电机工作。CRH1动车组采用8辆编组，5动3拖，包括2动1拖和1动1拖两种基本动力单元。全列牵引传动系统共计2个受电弓、3个牵引变压器、5个牵引变流器、20台牵引电动机，列车正常运行时一个受电弓工作，另一个受电弓备用。505.1电力电子技术在火车中的应用

CRH1编组和牵引系统主电路图Mc1Tp1M1M3TbM2Tp2Mc2Mc1Tp1M1M3TbM2Tp2Mc2

CRH1编组和牵引系统主电路图51电力牵引机车的转向架525.1电力电子技术在火车中的应用

CRH1一组牵引变流器的电路结构：牵引变流器采用3300V/1200A等级的IGBT，冷却介质采用去离子水。

CRH1一组牵引变流器的电路结构

CRH1牵引变流器主电路53CRH1动车组辅助供电系统：545.1电力电子技术在火车中的应用

B、CRH2型电动车组CRH2型电力动车组，是铁道部为进行中国铁路第六次大提速，向日本川崎重工及中国南车集团四方机车车辆股份有限公司订购的CRH系列高速动车组车款之一。（日车、日立）中国以引进国外先进技术并吸收的方式，由南车集团四方机车公司在国内生产，并实现自主创新。CRH2系列为动力分布式、交流传动的电力动车组。CRH2A以川崎重工E2-1000型动车组为基础，编组方式是4节动车配4节拖车（4M4T），首尾设司机室，可双向驾驶，营运速度200km/h，最高速度250km/h。CRH2B为16节大编组，在CRH2A基础上扩编至16节。CRH2E为16节大编组卧铺动车组。CRH2C作为京津城际用车，在2008年8月投入使用，标称时速300公里，最高营运时速为350公里。555.1电力电子技术在火车中的应用

CRH2型电动车组565.1电力电子技术在火车中的应用

CRH2型电动车组575.1电力电子技术在火车中的应用

CRH2动车组编组结构图：CRH2A型：编组形式为8辆编组，动力配置为4动4拖，相邻两动车为1个基本动力单元，全车共2个基本动力单元。58CRH2A型动车组一个动力单元主电路简图5.1电力电子技术在火车中的应用

每个动力单元具有独立的牵引传动系统，包括1台牵引变压器、2台牵引变流器、8台牵引电机及其相关设备。每台牵引变流器给1辆动车的4台牵引电机供电。一个动力单元主电路：595.1电力电子技术在火车中的应用

CRH2A型动车组主变流器由单相3电平式脉冲整流器、中间直流环节、3电平式逆变器、真空交流接触器等主电路设备以及牵引控制装置、控制电源等控制设备组成。主变流器的电气原理图：CRH2一辆动车的牵引变流器主电路605.1电力电子技术在火车中的应用

C、CRH3型电动车组CRH3型电动车组，是铁道部为城际铁路及客运专线，向德国西门子公司和中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司订购的CRH系列高速动车组车款之一。CRH3的原型为德国铁路的ICE-3列车，中国以引进西门子公司先进技术并吸收的方式，由北车唐山轨道客车在国内生产。2004年8月，铁道部展开第一轮高速动车组技术引进招标，西门子因提出高昂的转让技术、车辆造价费用（原型车每列3.5亿元人民币，技术转让费3.9亿欧元），而无法获得任何订单。至2005年11月，铁道部与西门子在“以市场换技术”的原则下签订协议，西门子因而获得60列时速300公里的高速列车订单，总值6.69亿欧元（原型车每列2.5亿元人民币，技术转让费8000万欧元），最终被定型为CRH3C。(3列西门子、57列北车唐山

)615.1电力电子技术在火车中的应用

CRH3型电动车组625.1电力电子技术在火车中的应用

CRH3型电动车组635.1电力电子技术在火车中的应用

CRH3C型电力动车组采用动力分布式，每列8节编组，共4节动车和4节拖车（4M4T），最高运营速度达350km/h。随着京津城际铁路于2008年8月1日正式通车运营，CRH3C型动车组也于当日起投入运营，商用运营时速达350km/h，是当今世界日常运营时速最快的轮轨高速铁路。CRH3D

是以CRH3C为基础的16节车厢的大编组动车组，2009年3月，西门子及北车集团获得铁道部100列的订单。已用于2011年建成的京沪高铁。645.1电力电子技术在火车中的应用

CRH3动车组编组结构图：CRH3C型动车组：编组形式为8辆编组，动力配置为4动4拖，采用电力牵引交流传动方式。头车中间车头车变压器车变压器车中间车酒吧车一等车655.1电力电子技术在火车中的应用

1~4车厢电气结构图：（

5~8车厢与此相同）665.1电力电子技术在火车中的应用

CRH3C动车组中，装有2台牵引变压器，4个完全相同且互相独立的动力单元。每个动力单元，有一个牵引变流器，4个并联的牵引电动机以及1个制动电阻器单元。

CRH3C型动车组一个动力单元主电路简图×4675.1电力电子技术在火车中的应用

D、CRH5型电动车组CRH5型电动车组，是铁道部为实行中国铁路第六次大提速，向法国阿尔斯通和中国北车集团长春轨道客车股份有限公司订购的CRH系列高速动车组车款之一。

2004.10.10，铁道部和阿尔斯通正式签订总值6.2亿欧元的合同。根据合同，阿尔斯通将7项关键技术转移给中国，并有3组列车由阿尔斯通生产，并完整付运中国；另有6组以散件形式付运，由中方负责组装；其余51组透过法国的技术转移，由长春轨道客车在国内生产。这批高速列车定型为CRH5A，是目前CRH5系列的唯一车型。CRH5A采用动力分布式，每列8节编组，共5节动车和3节拖车（5M3T），设计营运速度为250km/h。列车可透过两组联挂方式增至16节。685.1电力电子技术在火车中的应用

CRH5型电动车组695.1电力电子技术在火车中的应用

CRH5型电动车组705.1电力电子技术在火车中的应用

CRH5型电动车组715.1电力电子技术在火车中的应用

2007年1月28日，首组阿尔斯通生产的CRH5A（CRH5—001A）列车，抵达大连港口。2007年4月，第一组由中国生产的CRH5A（CRH5—010A）在北车集团长春轨道客车厂出厂。2007年4月18日起，随着中国铁路第六次大提速的实施，CRH5A动车组正式运行于京哈线上。运行时速200～250公里，在秦沈段以250km/h的速度持续运行。在耐寒性方面，CRH5比CRH1及CRH2型动车组优胜，其承受温度范围可达±40℃，因此大多数被安排于中国东北地区运用。725.1电力电子技术在火车中的应用

CRH5A动车组编组结构图：CRH5A：5动3拖，8辆编组，包括2个基本动力单元，3动1拖和2动2拖。与其它动车不同的是：每个转向架只有一台驱动电机。转向架735.1电力电子技术在火车中的应用

牵引传动系统:主要由网侧高压电气设备、牵引变压器、牵引变流器、三相交流异步牵引电动机等组成。全列共计2个受电弓，动车组正常时升单弓运行，另一个受电弓备用。745.1电力电子技术在火车中的应用

全列共有2台牵引变压器，1台牵引变压器带2个或3个牵引变流器，全列共计5个牵引变流器。图为CRH5A型动车组一个牵引变流器的主电路简图:四象限整流器四象限整流器辅助变流器牵引逆变器牵引逆变器制动斩波器制动电阻牵引电机牵引电机

CRH5A型动车组一个牵引变流器的主电路简图755.1电力电子技术在火车中的应用

CRH5A主电路结构：765.1电力电子技术在火车中的应用

775.1电力电子技术在火车中的应用

E、CRH380A型电动车组CRH380A型电力动车组，或称CRH2-380型，是铁道部为营运新建的高速城际铁路及客运专线，由南车青岛四方机车车辆股份有限公司在CRH2C（CRH2-300）型电力动车组基础上自主研发的CRH系列高速动车组，也是“中国高速列车自主创新联合行动计划”的重点项目，最高营运速度380公里/小时。其中8辆编组的动车组被命名为为CRH380A，而16辆编组的动车组被命名为为CRH380AL.

CRH380A系列为动力分散式、交流传动的电力动车组，采用了铝合金空心型材车体。785.1电力电子技术在火车中的应用

CRH380A型电力动车组795.1电力电子技术在火车中的应用

CRH380A型电力动车组805.1电力电子技术在火车中的应用

CRH380A型电力动车组815.1电力电子技术在火车中的应用

2010年9月，CRH380A-6001～CRH380A-6010相继开始配属上海铁路局，及进入沪宁城际高速铁路和沪杭客运专线进行高速试验。2010年9月28日，CRH380A在沪杭客运专线进行高速试验，并先后两次刷新“中国铁路第一速”，并刷新了世界上“正常营运编组列车最高试验速度”。2010年9月28日，当日上午10时40分，由上海虹桥开往杭州方向的CRH380A-6001列车（车次G55001）的试运行时速达到413.7公里/小时。不到一小时后的11时37分，由杭州折返到上海虹桥试运行（车次G55002）途中，最高时速达到416.6公里/小时825.1电力电子技术在火车中的应用

CRH380A车辆配属概况:配属数量动车组编号运用线路CRH380A上海铁路局19CRH380A-6001～CRH380A-6009、CRH380A-6012、CRH380A-6015～CRH380A-6021、

CRH380A-6026、CRH380A-6033、CRH380A-6035沪宁城际铁路、

沪杭高铁、京沪高铁北京铁路局10CRH380A-6022～CRH380A-6025、CRH380A-6027～CRH380A-6032、CRH380A-6034京沪高铁济南铁路局5CRH380A-6013、CRH380A-6014、CRH380A-6036、CRH380A-6037、CRH380A-6039胶济客运专线、京沪高铁广州铁路集团2CRH380A-6040、CRH380A-6041海南东环铁路铁道部1CRH380A-6038公务车1CIT400A检测列车CRH380AL上海铁路局8CRH380A-6042L、CRH380A-6043L、CRH380A-6049L～CRH380A-6051L、

CRH380A-6055L、CRH380A-6056L、CRH380A-6059L沪杭高速铁路、京沪高铁北京铁路局8CRH380A-6044L～CRH380A-6048L、CRH380A-6052L～CRH380A-6054L京沪高铁济南铁路局2CRH380A-6057L、CRH380A-6058L胶济客运专线、京沪高铁835.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用5.2.1什么是磁悬浮铁路磁悬浮铁路是一种新型的交通运输系统，它与传统铁路有着截然不同的特点。传统铁路列车，靠机车作为牵引动力，以钢轨和轮缘作为运行导向设备，由铁路线路承受压力，借助车轮与钢轨之间的摩擦力滚动前进的。转向架845.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用磁悬浮列车，是利用电磁系统产生的吸引力或排斥力将车辆托起，使整个列车悬浮在导轨上，并利用电磁力进行导向、利用直线电机将电能直接转换成推进力来推动列车前进的。855.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用与传统铁路相比，磁悬浮列车优点：无接触摩擦阻力，适于高速运行，时速可达500公里以上；无机械振动和噪音，无废气排出和污染，有利于环保；列车运行平稳，能提高旅客的舒适度；由于磁悬浮系统采用导轨结构，不会发生脱轨和颠覆事故，提高了列车运行的安全性和可靠性。磁悬浮列车可以实现全盘自动化控制。865.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用5.2.2磁悬浮铁路发展简史世界上对磁悬浮列车进行过研究的国家，主要是德国、日本、英国、加拿大、美国、前苏联和中国。德国是磁悬浮铁路研究起步最早的国家。1934年德国人海曼·肯波(HermannKemper)就获得了磁浮列车的发明专利。

1.德国的磁悬浮列车德国从1968年开始研究磁悬浮列车,1979年，首次展出磁浮列车并做了运行表演。1983年，修建了一条全长32km的试验线，使用TR06型试验车，最高时速达412km。1987年，又研制了时速可达500km的TR07型磁浮列车。875.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用1997年4月，德国决定在柏林和汉堡之间建一条全长292公里的磁浮线，原计划1998年下半年动工，2005年投入商业运行。为此开发了拟用于柏林至汉堡线的TR08型磁浮列车。该车于1999年10月开始试验。后来由于新的预测表明建设新线将面临亏损的危险，遂于2000年2月取消建设计划。

德国的磁悬浮列车885.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用

2.日本的磁悬浮列车日本从1962年开始研究磁悬浮列车。1972年12月在宫崎磁悬浮铁路试验线上，时速达到了204km/h。1979年12月又进一步提高到517km/h

。1982年11月，磁悬浮列车的载人试验获得成功。1997年12月在山梨县试验线上创造出时速为550km/h

的世界最高记录。最高时速与试验线的长度有关，德国的试验线两端是环形的，直线部分只有约7km，日本的试验线是直线且很长，故能达到较高的时速。895.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用日本的磁悬浮列车图日本的磁悬浮列车905.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用3.英国的磁悬浮列车与日本和德国相比,英国对磁悬浮铁路的研究起步较晚，1973年才开始。但是，英国则是最早将磁悬浮铁路投入商业运营的国家之一。1984年4月,伯明翰机场至英特纳雄纳尔车站之间1条600m长的磁悬浮铁路正式通车营业。旅客乘坐磁悬浮列车从伯明翰机场到英特纳雄纳尔火车站仅需90s。但在1995年,这趟一度是世界上惟一从事商业运营的磁悬浮列车在运行了11年之后被宣布停止营业,其运送旅客的任务由机场班车所取代。915.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用4.中国的磁悬浮列车我国从70年代开始进行磁悬浮列车的研制，首台小型磁悬浮原理样车在1989年春出现。1995年5月，我国第一台载人磁悬浮列车在轨道上空平稳地运行起来。这台磁悬浮列车长3.36米，宽3米，轨距2米，可乘坐20人，设计时速500公里。90年代，由中国西南交大、国防科大牵头，我国对磁悬浮技术开展了系统研究，并建成了磁悬浮列车模型和样车。1996年7月，国防科技大学紧跟世界磁悬浮列车技术的最新进展，成功地进行了各电磁铁运动解耦的独立转向架模块的试验。925.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用国防科大磁浮车935.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用青城山磁浮车945.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用2004年9月，“中华01号”磁悬浮技术验证车，在大连亮相。采用国内自主研发的永磁补偿式悬浮技术。其原理是利用车载磁体与轨道磁体间产生的排斥力和吸引力共同作用从而产生向上悬浮力，使列车脱离轨道运行。磁体所用的永磁材料由稀土合成。2005年1月研制出“中华06号”。955.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用上海磁悬浮列车：目前的上海磁浮示范运营线是世界上唯一一条商业运营的磁悬浮专线，由中德两国合作开发。专线西起上海地铁2号线的龙阳路站，东至浦东国际机场，专线全长30公里。2000年6月，进行可行性研究。同年12月，决定建设。2001年3月正式开工建设。2002年12月31日全线试运行，2003年1月4日正式开始商业运营。设计时速430公里/小时，实际时速约380公里/小时，双线折返运行，单线运行时间约8分钟。该线路具有交通、展示、旅游观光等多重功能。965.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用上海磁悬浮列车：975.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用上海磁悬浮列车：985.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用上海磁悬浮列车：995.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用上海磁悬浮列车：1005.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用5.2.3磁悬浮铁路的基本制式和工作原理根据磁悬浮列车上电磁铁的使用方式，磁悬浮铁路的基本制式可分为两大类，即：常导磁吸式，简称EMS型，德国采用。超导磁斥式，简称EDS型，日本采用。两种制式的基本结构和工作原理虽各有不同，然而基本原理是一样的。下面就悬浮、导向和推进三个主要部分，分别加以叙述和比较。1015.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用一、悬浮原理磁悬浮列车的两种悬浮形式：

(a)(b)图磁悬浮原理比较图(a)德国的磁吸式磁悬浮车(b)日本的磁斥式磁悬浮车1025.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用1．德国的常导磁吸式（EMS型）悬浮原理

常导磁吸式，也称为电磁悬浮系统，是一种吸力悬浮系统。它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理，由车上常导电流产生电磁引力，吸引轨道下的导磁体，使列车浮起。常导磁吸型技术较简单，产生的电磁吸力相对较小，悬浮的气隙较小，一般为8mm～10mm。常导型高速磁悬浮列车的速度可达400km/h～500km/h,适合于城市间的长距离快速运输。通常采用测量间隙用的气隙传感器来进行系统的反馈控制。1035.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用常导磁吸式1045.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用常导磁吸式（EMS型）列车悬浮控制：常导磁悬浮列车悬浮电磁铁位于导轨下部，安装在车辆上。电磁铁通入直流电流后，产生电磁吸力，车厢向上运动。如果不对电磁吸力控制和调节，车辆将与轨道吸死。车辆上安装可以测量气隙的传感器，在悬浮气隙偏离设定值时，传感器将气隙变化量送至悬浮控制器，经过控制算法的运算，输出控制信号，通过直流斩波器来调节悬浮电磁铁中的电流，调节电磁吸力，使工作气隙保持不变，这样就可以实现稳定地悬浮，其工作原理见图。气隙控制器直流斩波器电磁铁线圈气隙+-气隙设定1055.2电力电子技术在磁悬浮列车中的应用实例-----长沙试验线，悬浮