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1、1,电力电子与现代生活 Power Electronics Technology and Modern Life,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,3,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 5.5 电力电子技术在电梯中的应用,4,5.1 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
2、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。 火车由机械部分、动力部分、通信、轨道等组成。在此主要从牵引动力的发展演化过程讨论。 火车上采用的牵引动力机车，按照发展历程，有三种基本形式，即蒸汽机车、内燃机车和电力机车。,6,5.1 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，这通常被认为是第一台成功的机车。 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,7,5.1 电力电子技术在火车中的应用,2）发展时期（18311920年）
3、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。,18751900年广泛地应用蒸汽两次膨胀原理，提高了机车热效率。 19001920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。,8,5.1 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。,9,5.1 电力电子技术在火车中的应用,蒸汽机车缺
4、点：热效率只有59%，保养维修量大、污染严重、日运行里程短。 对比：火力发电效率35%42%.,比如，火车运送的煤，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。,10,5.1 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
5、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。,11,5.1 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。,12,5.1 电力电子技术在火车中的应用,蒸汽机车的工作原理,13,5.1 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及传动方式
6、,14,5.1 电力电子技术在火车中的应用,内燃机燃料：大多用柴油，少量用天然气。 内燃机车的原动机是柴油机。从柴油机到机车轮对之间需要一套速比可变、满足牵引特性的中间环节传动装置。 内燃机车有三种传动方式： 机械传动：只在小功率的地方铁路和矿山应用。 液力传动：是指由液力变矩器或液力偶合器构成。 电力传动：应用最多。可分为三类： 1、直流电力传动（直-直传动） 2、交直流电力传动 3、交流电力传动（交-直-交传动，交-交传动）,5.1 电力电子技术在火车中的应用,液力变矩器的结构与原理：,15,发动机启动后，曲轴带动泵轮旋转，因旋转产生的离心力使泵轮叶片间的工作液沿叶片从内缘向外缘甩出，这部
7、分工作液既具有随泵轮一起转动的圆周方向的分速度，又有冲向涡轮的轴向分速度，其功能是将发动机的动能转变为工作液动能；工作液冲击涡轮叶片，推动涡轮与泵轮同方向转动，将动力传至机械式变速器的输入轴，完成工作液动能向机械能的转变；导轮带有单向离合器，对工作液流动起导向作用，同时对涡轮具有增扭作用。,16,5.1 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220 kW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
8、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。,17,5.1 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2940 kW的内燃机车。,内燃机车的交-直流电力传动装置,18,5.1 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1840 kW的交-直-交电力传动内燃机车（晶闸管），
9、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。,内燃机车的交-直-交流电力传动装置,19,5.1 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,20,5.1
10、电力电子技术在火车中的应用,结构：主要由气缸、活塞、连杆、曲轴和飞轮组成，还包括供油系统、点火系统、配气机构、润滑系统、冷却系统、起动装置等。 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。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。,21,5.1 电力电子技术在火车中的应用,活塞式内燃发动机的工作原理： 工作原理：将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能，
11、在气缸内产生高温高压的气体。气体膨胀推动活塞作功，再通过曲柄连杆机构或将机械功输出，驱动从动机械工作。 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，也称一个周期。,22,5.1 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,23,5.1 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
12、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。,24,5.1 电力电子技术在火车中的应用,星型排列的内燃机的工作图,25,5.1 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
13、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）驱动，采用第三轨外部供电，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。,26,5.1 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5.6 km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。 190
14、4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。,27,5.1 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”型的基础上改进研制成韶山1型（SS1型），成为中
15、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。 9094年，陆续研制了SS5、SS6、SS7、SS8型电力机车。,28,中国电力机车的研制开始于1958年。株洲电力机车工厂在协助湘潭电机厂制造工矿电力机车的同时，设计并试制铁路干线电力机车。1958年12月28日，中国第一台干线铁路电力机车试制成功，命名为6Y1型。,5.1 电力电子技术在火车中的应用,29,1968年，经过对6Y1型10
16、年的研究改进，在中国半导体工业发展的条件下，将引燃管整流改为大功率半导体整流，试制出韶山1型，代号SS1。1969年开始批量生产，到1988年止，共生产826台。机车持续功率3780kW，最大速度90km/h，车长19400mm。韶山1型电力机车获全国科学大会奖。,5.1 电力电子技术在火车中的应用,30,1969年，株洲电力机车研究所和株洲电力机车工厂联合研制了韶山2型电力机车试验车，代号SS2。,5.1 电力电子技术在火车中的应用,31,株洲电力机车工厂1978年设计试制的大功率电力机车韶山3型客货两用干线电力机车、代号SS3。1989年开始批量生产至今。,5.1 电力电子技术在火车中的应用,32,韶山4型干线货运电力机车，代号SS4。株洲电力机车工厂1985年设计试制的8轴货运电力机车。最大速度100km/h。,5.1 电力电子技术在火车中的应用,33,韶山5型准高速电力机车，代号SS5。为准高速铁路试制的样车。,5.1 电力电子技术在火车中的应用,34,韶山6型干线客货运电力机车，代号SS6。株洲电力机车
