直流电力机车牵引传动系统的原理,机车牵引传动系统的组成

摘 要：本案例的主要知识内容包括国产电力机车的发展历程、电气化铁道、电力机车牵引传动系统。在精准分析学情的基础上，采用探究式教学法，借助教学资源库、仿真平台等信息化手段，在学习过程中培养学生的家国情怀、创新能力与艰苦奋斗精神。

关键词：电力机车;电气化铁道;探究式教学法;

作者简介：张笛(1992—),女，江苏徐州人，硕士，研究方向：电气工程;

“电力机车控制系统”是面向铁道机车专业的专业核心课程，前置课程有“电力机车电机与电器”、“电力电子技术”等。内容体现国际前沿、服务思政育人和专业建设，除了讲授电力机车的工作原理、调速与制动控制技术、主型电力机车电气线路等基础知识外，尤其重视对电气动作试验、故障应急处理、电力机车操纵等实践教学，并且讲授了交流牵引传动、微机网络控制等最新知识点。主要培养学生掌握电力机车电气线路的分类、组成，熟悉电力机车高低压试验程序，具备电力机车常见故障判断处理能力，使学生具备一线检修和运用人员所必须掌握的机车基本知识和基本应用技能，在学生职业能力培养和职业素养养成方面占重要地位[1]。主要采用讲授与实践相结合的教学方式，学生在实践中亲自动手操作训练，极大地激发了学生的学习兴趣，提高了学习积极性。

选取“国产电力机车及牵引传动系统”案例，属于课程中的绪论部分，主要内容包括电力机车的分类、国产电力机车的发展历程、电气化铁道、电力机车牵引传动系统[2]。案例采用探究式教学法，对接我国实施交通强国的重大战略。通过学习，使学生感受到国产电力机车发展的艰辛历程，引导学生学习铁路工作者的家国情怀与艰苦奋斗、开拓创新的精神；同时，让学生认识到，立足自己的岗位，兢兢业业，服务铁路，就是服务人民群众，就是为国家发展贡献自己的力量。

教学对象是铁道机车专业二年级的学生，通过课前测试、问卷调查等形式，掌握学情特点。首先，通过平台大数据分析可知学生具备一定的铁路基础知识，但知识点掌握不准确、不系统。然后，依据学前测、访谈、问卷发现学生观察能力强，记忆力好，但逻辑思维和抽象总结能力较弱，需要将抽象的知识形象化。学生好奇心重，好胜耐挫折，喜欢探究式学习，热衷于富媒体教学，动手操作能力强；学生不喜欢长时间纯理论学习，应用能力弱。

教学目标主要包括：

了解国产电力机车的发展，掌握铁道电气化、机车传动系统。

培养学生主动探究式学习能力、信息检索能力、实践动手能力。

培养家国情怀、艰苦奋斗、开拓创新、职业素养。

坚持以学生为中心的教学理念。教学过程采用预习发现问题、探究解决问题、测评反馈问题和课后巩固问题的问题导向式教学法，让学生逐层深入、螺旋递进地掌握知识，充分调动学习积极性、主动性和创新精神。案例梳理国产电力机车的光辉发展历程，讲述中国铁路技术领先世界的发展进程，培养学生开拓创新；在讲授电气化铁道时，通过铁路工作者人物事例，培养学生艰苦奋斗、工匠精神；在讲授电力机车牵引传动系统中的电力电子变频器时，培养学生的家国情怀。

已建立的在线资源课可供学生课前预习、课后复习，在职教云平台开展课中互动，铁路工作者人物故事视频使得学生感悟更深刻，实体电力机车车体可供学生参观，MATLAB仿真平台可以让学生理解牵引传动系统各部分的作用。

观看微课——《电力机车与电气化铁道》、完成课前测试题、搜集关于国产机车发展的典型事例并分享到学习群。设计意图：

(1)认识新知，培养自主学习能力；

(2)了解学生掌握情况，调整教学方案；

(3)提高学生自主学习能力。

课中内化环节

(1)分类闯关游戏，为多种型号电力机车进行分类

①直流供电-直流牵引电动机驱动的直-直型电力机车。

接触网网压1500～3000V,采用直流串励牵引电动机。我国大部分工矿用电力机车、城市无轨电车、城轨电动列车都属于这一种。在城市轨道交通运输中速度要求不高、常采用直流供电方式。电力机车的受流方式依据供电方式的不同分为接触网受流方式和第三轨受流方式。其供电方式除高架接触网供电外还有第三轨供电方式。第三轨供电是指在列车行走的两条钢轨以外，再加上带电的钢轨，这条钢轨通常设在两轨之间或其中一轨的外侧。列车受流器(集电装置，也叫集电靴或取流靴)在带电钢轨接触并滑行，把电能传到列车上。

②交流供电-直(脉)流牵引电动机驱动的交-直型电力机车。

又称交-直型整流器电力机车。我国生产的韶山(SS)系列电力机车即属于此种车型。该型电力机车是目前世界上各个国家普遍采用的一种机车形式。

③交流供电-变频器环节-三相异步电动机驱动的交-直-交型电力机车。

该型电力机车是目前世界发达国家采用的主导机车形式。我国生产的和谐(HXD)系列电力机车即属于此种车型。

③交流供电-变频器环节-三相同步电动机驱动的交-交型电力机车。

对于采用单相交流供电的系统，变频器只能改变频率提供单向电源，不能向三相交流电动机供电，至今这种电力机车还没有应用的范例。

交流供电按接触网供电频率的不同可分为单相低频(25 Hz或16 Hz)制和单相工频(50 Hz)制。目前，世界上绝大多数国家都采用单相工频交流电网供电。此外，世界上还有多电流制电力机车，这是针对不同电力牵引供电系统的铁路，为了在两种或多种供电系统衔接区段的连续运输和其他特定需要生产的，主要为交直流两用电力机车[3]。

设计意图：通过游戏活动，调动学生的学习积极性。

表1 部分交流电力机车 导出到EXCEL

自主查询讨论，探究直流电力机车与交流电力机车发展历史。

电力机车的发展经历了直-直型电力机车、交-直型电力机车和交-直-交型电力机车3个大的发展阶段。

①国产交-直电力机车的发展

我国电力机车自1958年诞生至今，已走过了60多年的历程，形成了四代产品。目前我国干线交直型电力机车，一般采用多段桥顺序控制的晶闸管相控无级调压。第一代产品SS1电力机车，采用调压开关33级变压器低压侧有级调压，二极管全波整流。第二代产品SS3电力机车，采用调压开关8级低压侧有级调压和级间晶闸管相控调压。第三代产品均采用多段桥晶闸管相控调压。第一代至第三代产品均为交直流传动方式，仅以调压调速方式和单轴功率等级来区分。

②国产交流电力机车的发展

第四代产品交直交型电力机车集中了当今科技发展的最新成果，代表了现代牵引动力发展的方向。交流传动机车是近代铁路牵引技术的重大突破。交流传动简单可靠，具有良好的防空转性能、优异的牵引特性和制动特性。20世纪80年代初，交流传动技术开始应用于电力机车，并取得了快速发展。我国从1991年开始研制交流传动电力机车，经过了20多年的发展，交流传动机车正在逐步取代直流传动机车，使货运机车单轴功率1 000～1 200 kW,客运机车单轴功率1200～1 400 kW的电力机车成为主流[4]。

设计意图：通过信息搜索查询，培养自主学习能力；通过视频资源学习电力机车的发展史，铁路网是国家的大动脉，树立家国情怀，爱岗敬业。

小组讨论，探究电气化铁道的原理及意义。铁路是国家的基础设施，国民经济的大动脉，交通运输体系的骨干。电力机车由接触网供电，而接触网则从牵引供电系统的变电所供电，电气化铁道包括电力机车与牵引供电系统。电气化铁道以受电弓为分界点，受电弓以上为牵引供电系统，主要包括牵引变电所和接触网。受电弓以下为电力机车部分，包括受电弓、高压电器、牵引变压器、牵引变流器和牵引电动机的主电路部分。电力牵引的优越性主要有：运输能力强、经济效果显著、合理利用能源、劳动条件耗、加强了行车安全、有利于城乡电气化[5]。

设计意图：通过视频资源学习电气化铁路，培养学生艰苦奋斗、追求卓越的精神。

(4)仿真实验，探索交流电力牵引控制系统原理

在轨道交通运输中，采用电动机驱动来满足车辆牵引的电气传动部分，称为电力牵引控制系统。

电力机车通过受电弓与主断路器，将接触网的交流电引入变压器，经牵引变压器降压后，送入四象限整流器，四象限整流器将单相交流电整流为直流电，经中间直流环节储能和滤波后，送入逆变器，将直流电逆变成电压和频率可调的三相交流电，供给牵引电动机，实现对转矩、转速进行控制[6]。

电力电子器件是列车牵引变流器的基础与核心，它的发展经历了从晶闸管到IGBT,IGBT的研制成功提高了电力电子装置的性能，创新能力有助于发展科学技术，提高综合国力。

设计意图：通过电力电子器件的发展，培养学生创新能力。

课后拓展环节主要任务包括：观看课后拓展资源、完成课后测试题并进行评价。

设计意图：认识自我，查缺补漏，知识拓展，提升能力。

(1)采用探究式教学法、实践教学法等方式，让学生主动参与到课堂教学活动中，促进学生将所学、所感、所悟内化于心，提高了学生的学习体验。

(2)培养学生的家国情怀、创新能力、艰苦奋斗、追求卓越、开拓创新的精神。

(3)调查数据统计学生主动学习次数增多，能按标准要求完成所有教学活动，也愿意主动配合小组合作任务。另外，授课教师、同学、辅导员共同对学生的世界观、人生观、价值观等进行评价，进行客观真实全方位、多角度的评价。

案例明确了课程的价值目标，提高了育人效果。将专业知识与思政元素有机地融合，对于培养学生的家国情怀、社会责任感、创新意识和工匠精神等具有积极的作用。从知识与能力、情感与态度、价值与立场这三个维度，同步实现价值塑造、能力培养、知识传授三位一体的教学目标，教学方法接地气，课堂互动感强，学生参与度高。

[1] 付娟，林辉.电力机车控制[M].成都：西南交通大学出版社，2016.

[2] 冯晓云.电力牵引交流传动及其控制系统[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3] 宋文胜，冯晓云.交流传动控制与调制技术[M].北京：科学出版社，2014.

[4] 周明磊，游小杰，王琛琛.电力机车牵引传动系统矢量控制[J].电工技术学报，2011,26(9).

[5] 葛宝明，王祥珩，苏鹏声，等.交流传动系统控制策略综述[J].电气传动自动化，2001(4):3-9.

[6] 冯江华.机车交流传动控制系统的发展[J].机车电传动，2001(4):7-12.

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