《動(dòng)車組裝備》輔助供電系統(tǒng)仿真實(shí)踐教學(xué)研究

孫惠娟

【摘要】動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)是高速動(dòng)車組的重要組成部分之一，并直接影響到動(dòng)車組的正常運(yùn)行。針對(duì)目前《動(dòng)車組裝備》課程實(shí)踐教學(xué)存在的問題，提出利用Matlab/Simulink對(duì)動(dòng)車組裝備輔助供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真。以仿真模型來替代實(shí)物裝置，改變理論教學(xué)主要依賴文字和圖片、實(shí)驗(yàn)教學(xué)受制于設(shè)備的現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)生的學(xué)生興趣，有效地提高教學(xué)效率和質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)車組 ?輔助供電 ?仿真 ?教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G71 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）32-0209-02

引言

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

（1）課程內(nèi)容復(fù)雜

由于動(dòng)車組供配電系統(tǒng)中包括的多種供變電設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理復(fù)雜，且電網(wǎng)電壓高，電流形式多樣，因此動(dòng)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(duì)教師的專業(yè)知識(shí)、授課方式及課堂學(xué)生的理解能力提出了很高的要求。

（2）教學(xué)方法單一

“項(xiàng)目教學(xué)”、“教、學(xué)、做”一體化等新型的教學(xué)模式一般采用的技術(shù)訓(xùn)練方法比較固定，通常是一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)少，不能真正地參與到學(xué)習(xí)活動(dòng)中去。而目前我院動(dòng)車制造技術(shù)專業(yè)任課教師缺乏實(shí)踐鍛煉和企業(yè)培訓(xùn)的機(jī)會(huì)，教師上課資源匱乏。同時(shí)我國新型動(dòng)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(xué)質(zhì)量的提高。

（3）缺乏實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備

目前學(xué)院還缺乏用于《動(dòng)車組裝備》課程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)裝置或仿真系統(tǒng)。因此對(duì)本門課程中供配電系統(tǒng)的內(nèi)容學(xué)習(xí)，只能結(jié)合教材及參考書中的內(nèi)容進(jìn)行，學(xué)生無法建立真正供配電的系統(tǒng)理念，缺乏實(shí)踐動(dòng)手的機(jī)會(huì)，嚴(yán)重影響了學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)及專業(yè)技能的訓(xùn)練和提高。

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

1.Matlab/Simulink工具箱簡(jiǎn)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(yīng)用到《動(dòng)車組裝備》輔助供電系統(tǒng)課堂教學(xué)中，利用Simulink提供的工具箱建立仿真模型，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。本文以CRH1型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。

2.CRH1型動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)仿真

目前，高速動(dòng)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(jī)車牽引回路的直流環(huán)節(jié)取電，經(jīng)過輔助逆變器實(shí)現(xiàn)從直流到交流的變換，最終輸出交流電壓。CRH1型動(dòng)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(duì)其中的牽引變流器和輔助變流器模塊進(jìn)行動(dòng)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(dòng)MATLAB后，點(diǎn)擊MATLAB主窗口的按鈕 ? ? ?，打開Simulink Library Browser窗口。點(diǎn)擊 ? ? 按鈕，進(jìn)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(yīng)的參數(shù)，對(duì)模塊參數(shù)進(jìn)行更為細(xì)致的設(shè)置。

（4）然后將各個(gè)模塊按照相應(yīng)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(dòng)車組牽引變流器模塊的動(dòng)態(tài)仿真模型。

圖2 CRH1型動(dòng)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(dòng)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(duì)動(dòng)車組牽引變流器模型進(jìn)行仿真首先需要設(shè)置仿真參數(shù)，如仿真的起始時(shí)間，仿真算法，利用powergui對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行離散。然后在編輯界面中點(diǎn)擊Start Simulation按鈕 ? ? ，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。為了更方便地檢測(cè)仿真模塊中的主要參數(shù)，利用Simulation自帶的電壓、電流測(cè)量模塊進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的測(cè)量，并可將測(cè)量結(jié)果通過Scope窗口進(jìn)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(jì)算得到接觸網(wǎng)電壓的有效值為25004 V，與CRH1型動(dòng)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(dòng)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?jiǎng)榆嚱M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(shí)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(duì)基于Matlab/Simulink工具箱的電力系統(tǒng)仿真過程進(jìn)行了研究，首先對(duì)Matlab/Simulink工具箱進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，然后對(duì)利用Matlab/SimPowerSystems建立動(dòng)車組變流器仿真模型的方法和過程進(jìn)行了論述，最后以CRH1型動(dòng)車組為例，對(duì)其牽引變流器模塊進(jìn)行了建模和動(dòng)態(tài)仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算。本文通過利用Matlab/Simulink工具箱將仿真技術(shù)應(yīng)用于《動(dòng)車組裝備》輔助供電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真中，可讓學(xué)生通過仿真模型和仿真結(jié)果直觀地看到變電設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成及功能。另外學(xué)生還可以通過對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，改變模型和仿真結(jié)果，從而提高學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。

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