动车组电力牵引交流传动虚拟仿真实验国家级一流课程

常宇健石家庄铁道大学上线时间:2021年
  • 所属专业类:自动化类
  • 对应专业:自动化
  • 课程类型:专业核心课
  • 实验类型:综合设计型
所属课程:运动控制系统、电力牵引交流传动

电力牵引交流传动系统是高速动车组和大功率电力机车的原动力,本项目以动车组牵引交流传动系统为对象建立虚拟仿真实验系统。实验平台以3D实景模型、图片、音视频、文字等多种呈现方式,将系统形象、直观的传递给学生。实验系统中包含认知、设计及各主要组成部分包括牵引变压器、四象限整流器、牵引逆变器、三相交流牵引电动机的工作原理及实验操作过程。学生实现全面在线实验,不受时间、空间等因素限制,随时进行学习和测验。

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    5.0
    • 实验内容

      5.0
    • 操作系统

      5.0
    • 支持服务

      5.0

    共享应用每日0点更新

    • 浏览量 14042
    • 实验人次 995
    • 实验人数 589
    • 实验平均用时 45'
    • 实验完成率 100%
    • 实验通过率 按人次 47.2%按人数 59.6%
    按人次按人数
    • 优秀 14.97%
    • 达标 32.26%
    • 不达标 52.76%

    实验系统浏览器要求

    教学支持热线

    团队成员

    实验教学目标实验原理实验教学过程与实验方法实验步骤实验结果与结论

           广大学生通过在线实验,不仅能够对牵引交流传动系统有完整全面的结构认知,掌握主要组成部分的工作原理,并且对运动控制系统中的交流传动系统有更深刻的理解。

           通过实验使学生具有:

    (1)理解牵引交流传动系统工作原理的能力;

    (2)设计系统各部分容量的能力

    (3)分析系统中各组成部分的工作原理的能力;

    (4)判别各种参数变化情况下工作状态的能力;

    (5)分析运动控制系统的能力。


    (1)实验原理:

    电力牵引交流传动系统主要由受电弓、牵引变压器、牵引变流器、三相交流牵引电机等组成。受电弓将接触网的25kV单相工频交流电输送给牵引变压器,牵引变压器将25kV的高压电降压后供给四象限脉冲整流器,四象限脉冲整流器将单相交流电变换成直流电经中间直流环节将直流电输出给牵引逆变器,牵引逆变器输出电压、频率可控的三相交流电供给牵引电机,牵引电机轴端输出转矩与转速通过齿轮箱传递给轮对,转换成轮缘牵引力。

    受电弓是牵引机车从接触网取得电能的电气设备,安装在车顶。受电弓有单臂和双臂型,均由滑板、升弓弹簧、传动气缸等部件组成。受电弓与接触网的25kV高压单相交流电相连,将高压电传送给机车变压器。

    牵引变压器将接触网上取得的25kV单相高压电变换为牵引变流器工作所适合的电压,其工作原理与普通电力变压器相同。通常包括1个原边绕组和2-4个牵引绕组和辅助绕组。

    四象限脉冲整流器是电力牵引交流传动系统的电源侧变流器。列车牵引运行时,将牵引变压器的牵引绕组输出的单相交流电变换成直流电,并要保证中间直流环节的电压恒定且交流电网侧功率因数接近1;在电网电压或负载发生变化时,能够维持中间直流环节的直流电压变换成电压、频率、相位满足要求的单相交流电,通过牵引变压器实现并网。

    牵引逆变器是电力牵引交流传动系统的电机驱动侧变流器,列车牵引运行时,将中间直流环节的直流电变换成电压、电流、频率按照牵引特性要求控制的三相交流电。列车制动运行时,牵引电机工作在发电状态,将牵引电机输出的电压、频率变化的三相交流电变换成直流电,输出给中间直流环节。动车组采用矢量控制技术和直接转矩控制技术实现逆变器的PWM控制。

    牵引电机是实现电能和机械能转换的核心部件。列车牵引时作为电动机运行将电能转化成机械能,制动时作为发电机运行将机械能转化为电能。三相交流牵引电机有同步和异步两种,都是在定子绕组上施加三相交流电产生磁场,在转子上产生转矩。本项目主要针对异步牵引电机进行实验,采用矢量控制方式对逆变器进行PWM控制,实现电机在不同工作区域的控制。

    动车组牵引交流传动系统可实现四象限运行:启动、加速、匀速过程电机运行在一、三象限为电动状态,电机将电能转化为机械能,能量从受电弓传递到变压器再到变流器,最后传递给电机带动车轮运行。减速、制动停车过程中,电机将机械能转化为电能送回电网,电机运行在二、四象限为电气制动状态,能量流向与电动状态完全相反。

    知识点:
    10
    1. 1. 动车组电力牵引系统结构
    2. 2. 动车组电力牵引系统基本工作原理
    3. 3. 受电弓构成及工作原理
    4. 4. 牵引变压器基本工作原理
    5. 5. ​四象限脉冲整流器的基本组成结构
    6. 6. ​四象限脉冲整流器的基本工作原理
    7. 7. ​牵引逆变器的基本组成结构
    8. 8. 牵引逆变器的工作原理
    9. 9. ​牵引电机控制原理
    10. 10. 动车组牵引交流传动系统四象限运行原理
    (2)核心要素仿真设计:
          虚拟系统建立动车组实验系统的3D模型,对所有组成部分包括受电弓、牵引变压器、牵引变流器和电机分别建立仿真模型,展示各部分在动车中的安装位置及自身的外观结构,可以从不同角度观测各部分模型。同时,通过音频和视频结合对系统各部分功能进行讲解。
          针对各部分功能进行实验,先针对系统结构进行容量设计,随后建立各主要部分包括变压器,脉冲整流器和逆变器组件的实验电路接线图,均包含实际的电压表、电压表、功率表电源部分,且可以进行调节和实验连接。各部分在实操开始前均对照电路图对电路的运行原理进行详细分析。
          在各部分实验界面中对各环节电路组成部分的工作实况进行模拟,包括脉冲整流器中电流和电能的流向,牵引逆变器中各开关管的电流、电压波形以及电机不同运行过程中的转速、电流、电压等变化情况。
           最后,采用动漫的方式对电能流动的通路进行模拟,真实反应动车在运行过程中电能由受电弓从接触网取流后分别流经牵引变压器、变流器和电机,能量最终传递到动车车轮的完整过程。
          另外,通过记录学生的操作过程,给学生考核时的每个步骤给出相应的得分,最终给出学生的实验成绩。
    (1)学生交互性操作步骤:
    共11 步
    1系统基本原理认知要求学生通过认知学习对动车组牵引交流传动系统组成结构有总体的了解。5学生能够在要求时间内认真阅读系统所给出的文字讲解,对系统的总体结构有初步的认识就可以得分。4
    2系统结构认知要求学生对每一个主要构成元件进行仔细观测,移动鼠标观测各部件的三维结构和在列车中的布置位置。15学生能够掌握各重要组成部分的三维结构模型和在列车中的位置,掌握系统和各部分的组成结构即可得分。6
    3系统各部分容量设计要求学生能够掌握动车组的主要组成部分包括电机、逆变器、脉冲整流器、变压器的容量计算方法,并进行正确计算。45学生能够在实操模块的提示下进行训练,掌握计算容量的方法,然后在考核模块中能够自行设计各部分的容量,给出不同的设计目标值后,能够正确计算各部分容量,系统会给出各值的正确答案进行对照,计算正确则得分。20
    4变压器空载实验测试操作要求学生能够合理布置各仪表,掌握测试步骤,使用调压器进行测试,测试顺序要正确。10学生在实操训练时根据系统提示完成系统接线及相应的合理操作步骤后,在考核模块中系统没有提示的情况下自行完成接线、开关及调节调压等操作,测得5组不同电压下的系统输出值,每步操作步骤都有相应的分值,若仪表放错位置,或开关测试仪器顺序不正确则扣分。8
    5变压器系统参数计算要求学生能够在得到测试值后,采用正确的公式计算出变压器系统各参数。25学生在实操训练模块中根据系统提示的公式进行计算,在测试模块中没有提示的情况下自行计算变压器各参数,计算正确得分。12
    6脉冲整流器工作状态观测要求学生认真观察脉冲整流器的电气原理图及工作原理,掌握4种工作模式下系统各器件的开关状态,根据观测步骤观察电流的流向和在不同工作状态时能量的流向。35学生能够在要求时间在实操训练中认真观察电路图并阅读原理讲解,观察4种工作状态,不同情况下电流和能量流动,理解脉冲整流器的工作原理则可得分,能够正确回答测试中的选择题则得分。6
    7脉冲整流器工作状态判别要求学生能够掌握脉冲整流器不同工作状态时的电流和能量流动的方向。10通过上一步在实操模块中的观测学习,在考核模块中正确选择在不同状态下电流、能量流动的方向。18
    8牵引逆变器测试部分电路接线要求学生掌握各仪表及设备放置的位置,并能按照正确的顺序进行连线。15学生在实操模块中根据提示放置各部分设备及各类型的仪表,在考核模块中能自行完成系统线路的连接则可得分,每步骤都有相应的分值。6
    9列车起动、匀速、制动运行各开关管及电机运行状态观测要求学生通过再不同运行转态下认真观测各个开关管的电压、电流波形及系统的电压电流及转速的波形,能够区分出列车的起动、匀速、制动等不同转态下系统的各变量的区别。40学生在实操模块中将系统设置在起动、匀速、制动等不同状态,根据提示观测开关管的状态及系统的电压、电流、转速等参数值的变化情况,完成观测,并能正确回答选择题则得分。6
    10列车起动、匀速、制动运行状态判别要求学生能够根据前一步骤的观察,学会判别系统的不同运行状态。15在实操模块观测完毕后,在考核模块中学生要能根据电流、电压、转速等参数情况判别当前的运行状态,判断正确得分。6
    11观测动车能量流动过程要求学生返回系统首页认真观看情景动漫,即动车能量流动的过程。10学生能够通过观测情景动漫掌握系统能量流动情况,在考核模块选择题中正确回答问题则得分。2
    (2)交互性步骤详细说明:

    步骤1. 动车组电力牵引系统基本原理认知

    点击“动车组电力牵引系统基本原理”按钮进入对应页面,学习完毕点击返回可以回到主页面。

    基本原理.png

                                                  图8 基本原理页面

    步骤2. 电力牵引交流传动系统结构认知

    点击“电力牵引交流传动系统结构认知”按钮等待进度条加载完成进入对应页面。

    结构认知2.png

                            图9 结构认知


    进入结构认知界面,界面左侧有5个按钮,点击可以观察动车组对应模块。以第一个按钮受电弓为例,点击受电弓按钮,右侧会出现对应受电弓的文字描述,同时伴随语音讲解,屏幕正中央会展示对应受电弓的模型,按住鼠标右键左右拖动可以360度观察该模块。观察完毕点击文字描述下方的推出按钮可以返回放上一步可以观察的5个按钮的选择界面,允许重复观察。可以在任意时候点击屏幕左下角的返回按钮返回到上一级界面。

    步骤3. 系统各部分容量设计

    参数设计环节系统会随机给出牵引电机的输入功率,请按照左侧的公式在4个输入框分别填写4个对应答案。可以点击长按左侧图片进行放大缩小。依次填写完4个数据后点击提交按钮,系统会给出对应答案。点击下一步进入牵引变压器实验。

    参数设计2.png

                                  图10 参数设计

    步骤4. 牵引变压器空载实验接线

    (1) 进入牵引变压器实验,根据提示对电源U、W相进行连线。

    (2)      连线完成后从右侧工具栏选择表盘放置到提示位置。

    (3)      点击合上交流电源。

    (4)      点击旋钮,调节电压。

    (5)      点击旋钮测量5组数据。

    (6)      测量完成将调压器旋钮旋转到零。

    (7)      关闭电源。

    变压器.png

                               图11 变压器实验

    步骤5. 变压器系统参数计算

    计算填写4个数据,点击提交,系统给出正确答案。然后点击右上角关闭数据面板,点击下一步进入下一实验环节。

    变压器参数.png

                             图12 变压器参数计算

    步骤6. 脉冲整流器工作状态观测

    (1) 进入脉冲整流器实验,原理介绍框可以按住鼠标左键或者右键进行拖动,请配合电路图理解实验原理。观察完毕点击右上角关闭。

    (2)      点击下一步观察各模块。观察完毕点击下一步。

    (3) 点击左右箭头观察4种工作模式状态,之后点击下一步。

    (4)      观察正向电压时电流流向。

    (5)      点击下一步观察反向电压时电流流向。

    (6)      观察整流模式能量流动方向,鼠标放在波形上可以放大观察。

    (7)      点击下一步观察逆变模式能量流动方向。观察完毕点击下一步进入下一实验环节。

    脉冲整流器.png


                图13 脉冲整流器状态观测

    步骤7. 脉冲整流器工作状态判别

    (1) 根据系统给出的条件判断电流方向;

    (2)     根据系统给出的条件判断整流逆变模式。

    脉冲整流器2.png

                        图14 脉冲整流器状态判别

    步骤8. 牵引逆变器系统连线

    (1) 可以拖动和关闭原理介绍框。

    (2)      点击下一步观察各模块。

    (3)      观察完毕在右侧工具栏选择合适元件放入正确位置。

    逆变器.png

                        图15 牵引逆变器系统连线

    步骤9. 列车起动、匀速、制动运行各开关管及电机运行转态观测

    以加速为例介绍步骤。

    (1)      点击控制台右侧闪烁的加速按钮。

    (2)      按顺序点击逆变器的T1-T6(发光位置),观察对应波形。观察完毕点击图片右上角把图片缩放到右侧图片栏。

    (3)      可以选择点击图片栏中的任意两张进行比对。

    (4)      观察完逆变器T1-T6波形之后点击闪烁位置观察异步电机输入电流波形。观察完毕点击图形左下角关闭按钮。接下来依次观察转速变化曲线、逆变器输入电流波形、异步电机输入电压波形。加速模式观测完毕。

    逆变器加速观测.png

                        图16 牵引逆变器加速状态观测

    步骤10. 列车起动、匀速、制动运行各开关管及电机运行状态判别

    根据系统给出的波形判断动车运行状态及功率流动方向。

    逆变器状态判别.png

                        图17 牵引逆变器状态判别

    步骤11情景动画观测动车能量流动过程

    点击主界面右下角系统情景动画按钮进入情景动画,观测动车组运行动画。点击屏幕可以暂停播放,点击右上角可关闭情景动画。动画播放完毕自动返回主页面。

    动漫4.png

                          图18  能量流动过程1

    动漫2.png

                           图19  能量流动过程2


    动漫3.png

                            图20  能量流动过程3


    (1)进入系统

    点击网站链接进入系统。

    图1 加载页面.png

                                                                                图1 加载页面

    输入账号密码点击登录进入系统主页面。

      

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                                                                              图2  登录页面

    主页面包括认知学习、实操训练、实操考核、系统情景动画4个模块。

    主页面.png

      图3 主页面

    (2)认知学习模块

    点击主页面的认知学习按钮进入认知学习界面。

    本模块中学生分别进行基本原理和结构的认知学习。

    结构认知.png

    图4 结构认知

    (3)实操训练模块

    点击主页面实操训练按钮进入实操训练环节。

    参数设计.png

    图5:实操训练

    按照实验引导走完全部4个实验环节。包括参数设计、牵引变压器实验、四象限脉冲整流器实验、牵引逆变器实验。实验每一步需要进行的工作在画面中都会给出相应的提示,学生只需要根据画面提示做相应的操作,可以完成每一部分的实验训练。

    (4)实操考核模块

    实操考核.png

    图6:实操考核

    首先进行基本理论知识的题库考核,点击主页面实操考核按钮进入实操考核模块。选择作答完毕之后点击右下角提交按钮,系统会给出得分及正确答案。点击确定后系统会给出每道题的正确答案,错误题目以红色对号标出。可以自由滑动观察错误题目。

    然后进行参数设计、牵引变压器实验、四象限脉冲整流器实验、牵引逆变器实验的实际操作考核。每部分系统都会给出相应的要求,学生根据要求进行实际操作。

    考核结束后,系统会给出总评分,并可查看和下载实验报告。

    (5)系统情景动画

    点击主界面右下角系统情景动画按钮进入情景动画,观测动车组运行动画。点击屏幕可以暂停播放,点击右上角关闭情景动画。动画播放完毕自动返回主页面。


    情景动画.png

    图7:情景动画


    (1)参数设计部分:在给定不同的电机牵引力时,会设计出不同容量的变压器、整流器和逆变器。

    (2)变压器空载实验部分:学生在不同给定电压情况下,测得不同的输出,但在额定电压下计算结果应保持一致。

    (3)各部分的接线如果发生错误,设备位置放置不正确,相应步骤会失分。

    (4)在整流器和逆变器部分需要认真识别各不同运行情况下变量变化情况,否则无法判别系统运行状态。

    (5)在考核部分的选择题会有明确的标准答案。

    (6)各部分都会有相应的分值给出,最终考核完成后系统自动给出学生的得分。

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