列车电力牵引传动与故障诊断虚拟仿真实验

所属分类：电气类 

实验学时：2 

实验操作步数：15

实验项目负责人：李蔚

联系电话：13873378709

 

一、实验教学目标

本虚拟仿真实验基于列车牵引电传动系统的真实背景，在培养学生系统的综合分析能力、实验设计能力、解决复杂故障能力等方面达到如下目的：

1）设计不同工况下，四象限脉冲整流器的能量转换、功率因素调整、多重四象限的谐波抑制机理探究实验，并可视化呈现实验结果，揭示四象限脉冲整流器的关键工作机理；

2）设计牵引驱动的动态调节过程，可视化呈现中间直流环节的过压、过流、斩波保护、二次谐波吸收现象，得出中间直流环节的关键影响因素；

3）在电力机车运行线路及工况变化条件下，针对逆变器及电机的实验设计可选择不同电力电子器件、不同结构参数及调制方式，研究电机转矩及转速控制机理，并可视化呈现实验结果，探明逆变器调制、电机转矩及转速控制的核心思想；

4）针对列车牵引传动系统的元件故障、相构件故障、高电压下的过压、过流、逆变击穿、逆变失败、变压器过压、过流、过温及短路等难以实车实验的系列故障，设计故障仿真和虚拟诊断实验，引导学生分析故障根源及可能导致的严重后果，并可视化呈现故障演化全过程，形象揭示导致严重后果的问题关键，分析实车运营中将由此导致的重大损失，激励学生的责任感和担当感。

二、实验课时

（1）实验所属课程课时：40学时

（2）该实验所占课时：2 学时

三、实验原理

（1）实验原理

1）系统结构直观体验：应用电力机车牵引传动系统基本结构知识和3D建模技术，虚拟机车场景，再现司机驾驶控制、电气系统设备的实际结构、电力牵引传动系统的安装位置、外观结构、部件之间的连接方式，并通过对各关键模块的3D模型进行放大、缩小、旋转等操作，多视角浏览系统及部件结构，沉浸式体验机车电力牵引交流传动系统的基本概况。

2）参数影响自主习得：应用交流传动系统核心部件的工作原理、运行特性和控制方法等知识，在人机交互界面设置运行工况和关键参数，驱动云端建立的牵引变压器、四象限变流器、中间直流回路、PWM 逆变器和牵引电机５个核心部件的离散数学模型进行仿真，通过直观呈现的各部件输入输出电压电流波形，分析牵引和电制动工况下、电网电压变化下、关键参数变化时的各环节能量流动及变化状况、暂态及输出指标的变化规律，从而掌握机车电力牵引交流传动系统原理及控制方法。

3）拓扑结构深度探究：应用轨道交通电力牵引传动控制系统的一般设计原则和方法，调用虚拟模块设计四象限变流器、中间直流回路、PWM 逆变器的拓扑结构，系统自动将其转化为数学模型并呈现仿真结果，分析拓扑结构变化对能量转换、功率因数变化、谐波抑制、电机转矩转速变化的影响，得出牵引传动系统各核心部件的作用及电机转矩及转速控制的理想拓扑结构及关键影响因素，从而掌握交流传动系统的拓扑设计方法。

4）故障诊断寻因导究：应用轨道交通电力牵引传动控制系统的典型故障及发生机理的知识，从实时故障模型库中选择核心部件的故障类型，修改实验参数后仿真，观察列车牵引传动系统的元件故障、相构件故障、高电压下的过压、过流、逆变击穿、逆变失败、变压器过压、过流、过温及短路所造成的电流或电压突变，并利用因果关系总结出不同观测点信号间的因果关系，进而建立体现时空特性的系统故障传播模型，使观测点故障特征和故障传播时间与对应观测点的时空特性相匹配，从而确定故障类型与位置，实现故障诊断。

知识点：共4 个

       1. 电力机车、高速动车组以及城轨车辆等交流传动系统的组成结构；

       2. 牵引变压器、四象限变流器、中间直流回路、PWM 逆变器和牵引电机等牵引传动系统核心部件的工作原理、运行特性和控制方法；

       3. 轨道交通电力牵引传动控制系统的拓扑结构设计和优化方法；

4. 轨道交通电力牵引传动控制系统典型故障的发生机理及故障诊断方法。

（2）核心要素仿真设计

该实验本着“核心工程要素引入、实际运行数据驱动、真实工程问题复现”的原则，模拟列车电力牵引传动系统的运行调节特性及故障现象和处理过程，按照实际列车运行数据库通过云平台以列车电力牵引传动系统核心部件VR实景呈现、系统拓扑结构设计、参数影响分析及故障诊断处理的逻辑构架展开，以“虚”的手段，解决“实”的问题。

仿真平台建立列车牵引传动系统三维缩比模型，提供机车实际运行模拟环境，使实验者建立对系统整体及核心部件内部结构的立体感知。以实际大功率机车牵引传动系统为背景，实验者根据其主要设备器件参数设计相应的系统拓扑结构，利用实际运行数据构建数据驱动的多参数全工况仿真模型，分析不同模块参数变化对系统输出的影响规律。

实验遵循“整体-局部-整体”的逻辑思路，从拓扑结构设计到全工况仿真，再到列车模拟运行中能量转换和谐波抑制，全方位展现系统整体设计及各部件参数设计的效果，形成闭环反馈，实现系统拓扑结构优化和参数优化。

 

基于真实工程问题，以声、光、动画等方式再现列车实际运行中的典型故障发生全过程，实验者通过故障现象分析出故障原因，根据故障原理不断调整参数找出故障解决方法并对故障系统做出优化。

实验教学相关网络及安全要求

1网络条件要求 （1）说明客户端到服务器的带宽要求（需提供测试带宽服务） ① 基于公有云服务器部署的系统，5M-10M带宽 ② 局域网服务器部署的系统，10M-50M带宽 （2）说明能够支持的同时在线人数（需提供在线排队提示服务） 100

2用户操作系统要求（如Windows、Unix、IOS、Android等） （1） 计算机操作系统和版本要求 Windows®7及以上64位操作系统 （2）其他计算终端操作系统和版本要求 无。 （3） 支持移动端：○是 ●否

3用户非操作系统软件配置要求（兼容至少2种及以上主流浏览器） （1）非操作系统软件要求（支持2种及以上主流浏览器） þ谷歌浏览器¨IE浏览器þ360浏览器þ火狐浏览器 ¨其他 （2）需要特定插件 ○是●否   如勾选“是”，请填写：  插件名称：（插件全称） M  下载链接： （3）其他计算终端非操作系统软件配置要求（需说明是否可提供相关软件下载服务） 浏览器支持：Firefox火狐浏览器64位版本(可提供相关软件下载服务)

4用户硬件配置要求（如主频、内存、显存、存储容量等） （1）计算机硬件配置要求 配件配置需求（最低） 处理器：Intel i5 2.2GHz及以上 内 存：4GB 及以上 硬盘空间：80G 显卡：分辨率1920x1080像素及以上 网络：1000Mbps以太网卡 显示器：14英寸以上 网速：2M以上 配件配置需求（推荐） 处理器：Intel i7 2.5GHz 内 存：8GB 及以上 硬盘空间：160G 显卡：分辨率1920x1080像素及以上 网络：1000Mbps以太网卡 显示器：14英寸以上 网速：4M （2）其他计算终端硬件配置要求 无。

5用户特殊外置硬件要求（如可穿戴设备等） （1）计算机特殊外置硬件要求 无。   （2）其他计算终端特殊外置硬件要求：●无○有