《動車組裝備》輔助供電系統(tǒng)仿真實踐教學研究

孫惠娟

【摘要】動車組輔助供電系統(tǒng)是高速動車組的重要組成部分之一，并直接影響到動車組的正常運行。針對目前《動車組裝備》課程實踐教學存在的問題，提出利用Matlab/Simulink對動車組裝備輔助供電系統(tǒng)進行仿真。以仿真模型來替代實物裝置，改變理論教學主要依賴文字和圖片、實驗教學受制于設備的現(xiàn)狀，激發(fā)學生的學生興趣，有效地提高教學效率和質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】動車組 ?輔助供電 ?仿真 ?教學

【中圖分類號】G71 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）32-0209-02

引言

《動車組裝備》課程是動車制造技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)核心課程。動車組裝備輔助供電系統(tǒng)良好的供電性能是動車組安全平穩(wěn)運行的重要保證。其中動車組電氣系統(tǒng)的組成和動車組輔助供電系統(tǒng)是該門課程的重要前提和基礎，因此該部分內(nèi)容對本門課程具有舉足輕重的作用。而目前這門課程的教學存在以下難題：

（1）課程內(nèi)容復雜

由于動車組供配電系統(tǒng)中包括的多種供變電設備結(jié)構(gòu)及工作原理復雜，且電網(wǎng)電壓高，電流形式多樣，因此動車組的供配電系統(tǒng)涉及的內(nèi)容多、范圍廣、結(jié)構(gòu)極其龐雜。課程的內(nèi)容對教師的專業(yè)知識、授課方式及課堂學生的理解能力提出了很高的要求。

（2）教學方法單一

“項目教學”、“教、學、做”一體化等新型的教學模式一般采用的技術(shù)訓練方法比較固定，通常是一些驗證性的實驗，學生動手機會少，不能真正地參與到學習活動中去。而目前我院動車制造技術(shù)專業(yè)任課教師缺乏實踐鍛煉和企業(yè)培訓的機會，教師上課資源匱乏。同時我國新型動車組的研制和生產(chǎn)還屬于保密階段，教師也缺乏獲取專業(yè)資料的途徑，這些問題都限制了本課程教學質(zhì)量的提高。

（3）缺乏實驗實訓設備

目前學院還缺乏用于《動車組裝備》課程教學的實驗實訓裝置或仿真系統(tǒng)。因此對本門課程中供配電系統(tǒng)的內(nèi)容學習，只能結(jié)合教材及參考書中的內(nèi)容進行，學生無法建立真正供配電的系統(tǒng)理念，缺乏實踐動手的機會，嚴重影響了學生對相關(guān)內(nèi)容的學習及專業(yè)技能的訓練和提高。

本課題從動車組輔助供電系統(tǒng)仿真入手，研究借助于Matlab/Simulink軟件實現(xiàn)動車組輔助供電系統(tǒng)的建立和運行，研究結(jié)果有助于動車組專業(yè)及相關(guān)專業(yè)學生深刻理解動車組輔助供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，對《動車組裝備》課程教學質(zhì)量的提高有重要意義。

1.Matlab/Simulink工具箱簡介

Simulink工具箱的Simu和Link功能，可根據(jù)在可視化窗口中繪制所需圖形，完成控制系統(tǒng)模型構(gòu)建。本文主要介紹將Simulink提供的SimPowerSystem電力電子仿真模塊應用到《動車組裝備》輔助供電系統(tǒng)課堂教學中，利用Simulink提供的工具箱建立仿真模型，進行仿真實驗。本文以CRH1型動車組輔助供電系統(tǒng)為例進行介紹。

2.CRH1型動車組輔助供電系統(tǒng)仿真

目前，高速動車組的交流供電系統(tǒng)主要有兩種形式：交直交型與直交型。直交型交流供電系統(tǒng)則從機車牽引回路的直流環(huán)節(jié)取電，經(jīng)過輔助逆變器實現(xiàn)從直流到交流的變換，最終輸出交流電壓。CRH1型動車組輔助供電系統(tǒng)采用的直交型供電模式如圖1所示。因此本文主要對其中的牽引變流器和輔助變流器模塊進行動態(tài)仿真。

圖1 先逆變后降壓的直交型供電結(jié)構(gòu)

2.1模型的建立

（1）啟動MATLAB后，點擊MATLAB主窗口的按鈕 ? ? ?，打開Simulink Library Browser窗口。點擊 ? ? 按鈕，進入仿真編輯界面。

（2）在Simulink模塊庫中選擇SimPowerSystem工具箱，并將所需的模塊拉到編輯界面中。

（3）根據(jù)相應的參數(shù)，對模塊參數(shù)進行更為細致的設置。

（4）然后將各個模塊按照相應的關(guān)系連接起來，構(gòu)建并保存控制系統(tǒng)的模型。

圖2所示為CRH1型動車組牽引變流器模塊的動態(tài)仿真模型。

圖2 CRH1型動車組變流器模型圖

2.2牽引變流器、輔助變流器模塊仿真

動車組牽引變流器模塊的主要功能是將主變壓器副邊繞組的交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電，并為輔助逆變器提供直流電源。

對動車組牽引變流器模型進行仿真首先需要設置仿真參數(shù)，如仿真的起始時間，仿真算法，利用powergui對整個模型進行離散。然后在編輯界面中點擊Start Simulation按鈕 ? ? ，進行動態(tài)仿真。為了更方便地檢測仿真模塊中的主要參數(shù)，利用Simulation自帶的電壓、電流測量模塊進行相應參數(shù)的測量，并可將測量結(jié)果通過Scope窗口進行記錄和顯示，便于直觀分析。

圖3和圖4分別是仿真結(jié)果。由圖3可知接觸網(wǎng)的電壓波形的周期為0.02s，頻率為50Hz，接觸網(wǎng)電壓的最大值約為35355 V，根據(jù)電壓的有效值與最大值之間的關(guān)系，可計算得到接觸網(wǎng)電壓的有效值為25004 V，與CRH1型動車組接觸網(wǎng)理論電壓25000 V相比誤差為0.016%。接觸網(wǎng)電壓經(jīng)動車組主變壓器的副邊繞組降壓后輸入牽引變流器模塊，由圖4可知動車組牽引變流器模塊的輸入電壓，其周期和頻率與接觸網(wǎng)相同，分別為0.02s、50Hz。其電壓最大值為1273 V，其有效值為900.3 V，與實際工況相符。

圖3 仿真結(jié)果（接觸網(wǎng)電壓）

圖4 仿真結(jié)果（牽引變流器輸入電壓）

3.結(jié)論

本文對基于Matlab/Simulink工具箱的電力系統(tǒng)仿真過程進行了研究，首先對Matlab/Simulink工具箱進行了簡單介紹，然后對利用Matlab/SimPowerSystems建立動車組變流器仿真模型的方法和過程進行了論述，最后以CRH1型動車組為例，對其牽引變流器模塊進行了建模和動態(tài)仿真，并對仿真結(jié)果進行了驗證計算。本文通過利用Matlab/Simulink工具箱將仿真技術(shù)應用于《動車組裝備》輔助供電系統(tǒng)的動態(tài)仿真中，可讓學生通過仿真模型和仿真結(jié)果直觀地看到變電設備的結(jié)構(gòu)組成及功能。另外學生還可以通過對相關(guān)參數(shù)進行修改，改變模型和仿真結(jié)果，從而提高學生的主動性和積極性，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。

參考文獻：

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