引领电气CAD、PLM以及模拟仿真的未来

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高速列车运行仿真设计

发表时间:2017-03-29 作者: 王晗   来源: 互联网
以高速列车运行电气仿真软件为对象,从列车顶层指标开始构建仿真的整体框架,并且为其他模块提供相应接口,将设计、验证和展示融为一体。通过对高速列车牵引/制动特性、电气特性以及运行策略进行分析和设计,实现对列车牵引/制动性能设计、电机特性设计、牵引传动系统容量设计以及运行时分仿真等功能。软件仿真结果表明,它能够对于高速列车特性设计、功能验证以及展示起到重要的作用。

    0 引言

    高速列车融合了机械工程、现代控制、电子、材料与结构、通信与计算机等多个学科的一系列高新技术,针对如此复杂的系统工程,开发优化设计仿真平台,进行前期良好的功能定位以及开发进程规划至关重要。

    目前国内外关于高速列车综合仿真软件的研究比较少,而建立一套整体的电气综合仿真软件确实有着一定的难度,其他科研机构曾经就高速列车的牵引传动系统建立了基于Simulink和VC++混合编程的仿真软件,由于需要两者之间的数据交互和仿真,仿真周期比较长,同时其只是针对牵引传动系统进行了仿真,并没有结合列车实际的运行状态,故而其仿真与列车实际运行情况依然存在着一定的差异。而本文基于列车顶层指标,针对高速列车的电气特性设计以及运行策略进行了分析,并且搭建了一套集设计、验证与展示为一体的电气综合仿真平台,该优化设计仿真平台还能够支持高速列车相关技术的研究。

    1 高速列车优化设计仿真软件平台框架

    图1为高速列车优化设计仿真软件结构框架。仿真软件主要包括5部分,即基本数据设定、列车内部子系统建模、综合仿真、接口以及结果分析。

    (1)基本数据设定。定义列车名称和基本编组信息,并对优化设计列车的顶层目标值进行设定。

    (2)列车内部子系统建模。通过参数设计完成列车子系统搭建,包括牵引传动子系统和制动系统。其他子系统随着仿真的深入,将逐步搭建。

    (3)综合仿真。针对建立的列车模型进行多样化仿真,以验证列车性能;根据仿真结果,优化列车模型,包括列车运行仿真。随着平台的完善,可进行的仿真逐渐增加,例如轮轨关系动力学仿真、车体与空气的流固耦合仿真等。

    (4)接口。为实现与硬件实验平台、三维视景仿真、司机模拟控制台、外部系统模型以及其他软件平台的数据交互和联合仿真,在综合仿真部分留有系列接口。

    (5)结果分析。以实时展示和设计报告等多种形式对仿真结果进行分析,对设计结果进行总结。

   

    图l 高速列车优化设计仿真软件结构框架

    2 电气特性设计

    2.1 牵引传动系统能量转换

    动车组牵引时,将电能转换成机械能,其能量转换和传递途径如下:接触网高压交流电一受电弓一机车变压器(低压交流电)一整流器(直流电)一逆变器(VVVF)一牵引电动机一齿轮一旋转力矩一轮轨间黏着作用一机车牵引力。而再生制动时,轮轨间黏着作用提供给动车组制动力,其能量转换和传递途径与牵引时相反。

    2.2 牵引/制动特性曲线设计

    列车牵引特性曲线的设计是在对列车性能有明确要求基础上,得到一条满足列车各项运行指标的列车牵引力一运行速度曲线。列车牵引特性曲线的设计流程如下:

    (1)根据列车相关参数(如列车动车和拖车辆数、单位乘客体重、每辆车的轴数、列车运行基本阻力、列车启动阻力、惯性系数以及最高运行速度时剩余加速度等)计算列车牵引特性相关参数。

    (2)根据列车牵引特性相关参数求解列车最高运行速度时的牵引力。先计算出列车牵引功率,根据牵引力、列车运行速度及牵引功率的关系求解出此时的列车牵引力。

    (3)计算启动(即速度为0)时的列车牵引力。

    (4)目前国内采用日本黏着公式,计算得到列车牵引特性曲线方程。

    2.3 异步牵引电机特性设计

    异步牵引电机特性曲线计算就是根据传动比和轮径将机车特性曲线转换成电机的转矩一转速特性曲线,以确定电机的恒功功率及恒功范围、启动转矩、最高转速、最大转矩、电机电流和定转子漏感等参数。