國(guó)產(chǎn)電力機(jī)車及牽引傳動(dòng)系統(tǒng)案例分析

張 笛，崔 晶

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710000)

0 案例簡(jiǎn)介

“電力機(jī)車控制系統(tǒng)”是面向鐵道機(jī)車專業(yè)的專業(yè)核心課程，前置課程有“電力機(jī)車電機(jī)與電器”、“電力電子技術(shù)”等。內(nèi)容體現(xiàn)國(guó)際前沿、服務(wù)思政育人和專業(yè)建設(shè)，除了講授電力機(jī)車的工作原理、調(diào)速與制動(dòng)控制技術(shù)、主型電力機(jī)車電氣線路等基礎(chǔ)知識(shí)外，尤其重視對(duì)電氣動(dòng)作試驗(yàn)、故障應(yīng)急處理、電力機(jī)車操縱等實(shí)踐教學(xué)，并且講授了交流牽引傳動(dòng)、微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制等最新知識(shí)點(diǎn)。主要培養(yǎng)學(xué)生掌握電力機(jī)車電氣線路的分類、組成，熟悉電力機(jī)車高低壓試驗(yàn)程序，具備電力機(jī)車常見(jiàn)故障判斷處理能力，使學(xué)生具備一線檢修和運(yùn)用人員所必須掌握的機(jī)車基本知識(shí)和基本應(yīng)用技能，在學(xué)生職業(yè)能力培養(yǎng)和職業(yè)素養(yǎng)養(yǎng)成方面占重要地位。主要采用講授與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式，學(xué)生在實(shí)踐中親自動(dòng)手操作訓(xùn)練，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)積極性。

選取“國(guó)產(chǎn)電力機(jī)車及牽引傳動(dòng)系統(tǒng)”案例，屬于課程中的緒論部分，主要內(nèi)容包括電力機(jī)車的分類、國(guó)產(chǎn)電力機(jī)車的發(fā)展歷程、電氣化鐵道、電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)。案例采用探究式教學(xué)法，對(duì)接我國(guó)實(shí)施交通強(qiáng)國(guó)的重大戰(zhàn)略。通過(guò)學(xué)習(xí)，使學(xué)生感受到國(guó)產(chǎn)電力機(jī)車發(fā)展的艱辛歷程，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)鐵路工作者的家國(guó)情懷與艱苦奮斗、開(kāi)拓創(chuàng)新的精神；同時(shí)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，立足自己的崗位，兢兢業(yè)業(yè)，服務(wù)鐵路，就是服務(wù)人民群眾，就是為國(guó)家發(fā)展貢獻(xiàn)自己的力量。

1 教學(xué)設(shè)計(jì)

教學(xué)對(duì)象是鐵道機(jī)車專業(yè)二年級(jí)的學(xué)生，通過(guò)課前測(cè)試、問(wèn)卷調(diào)查等形式，掌握學(xué)情特點(diǎn)。首先，通過(guò)平臺(tái)大數(shù)據(jù)分析可知學(xué)生具備一定的鐵路基礎(chǔ)知識(shí)，但知識(shí)點(diǎn)掌握不準(zhǔn)確、不系統(tǒng)。然后，依據(jù)學(xué)前測(cè)、訪談、問(wèn)卷發(fā)現(xiàn)學(xué)生觀察能力強(qiáng)，記憶力好，但邏輯思維和抽象總結(jié)能力較弱，需要將抽象的知識(shí)形象化。學(xué)生好奇心重，好勝耐挫折，喜歡探究式學(xué)習(xí)，熱衷于富媒體教學(xué)，動(dòng)手操作能力強(qiáng)；學(xué)生不喜歡長(zhǎng)時(shí)間純理論學(xué)習(xí)，應(yīng)用能力弱。

教學(xué)目標(biāo)主要包括：

(1)知識(shí)目標(biāo)：了解國(guó)產(chǎn)電力機(jī)車的發(fā)展，掌握鐵道電氣化、機(jī)車傳動(dòng)系統(tǒng)。

(2)能力目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探究式學(xué)習(xí)能力、信息檢索能力、實(shí)踐動(dòng)手能力。

(3)素質(zhì)目標(biāo)：培養(yǎng)家國(guó)情懷、艱苦奮斗、開(kāi)拓創(chuàng)新、職業(yè)素養(yǎng)。

堅(jiān)持以學(xué)生為中心的教學(xué)理念。教學(xué)過(guò)程采用預(yù)習(xí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、探究解決問(wèn)題、測(cè)評(píng)反饋問(wèn)題和課后鞏固問(wèn)題的問(wèn)題導(dǎo)向式教學(xué)法，讓學(xué)生逐層深入、螺旋遞進(jìn)地掌握知識(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)新精神。案例梳理國(guó)產(chǎn)電力機(jī)車的光輝發(fā)展歷程，講述中國(guó)鐵路技術(shù)領(lǐng)先世界的發(fā)展進(jìn)程，培養(yǎng)學(xué)生開(kāi)拓創(chuàng)新；在講授電氣化鐵道時(shí)，通過(guò)鐵路工作者人物事例，培養(yǎng)學(xué)生艱苦奮斗、工匠精神；在講授電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的電力電子變頻器時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的家國(guó)情懷。

已建立的在線資源課可供學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)，在職教云平臺(tái)開(kāi)展課中互動(dòng)，鐵路工作者人物故事視頻使得學(xué)生感悟更深刻，實(shí)體電力機(jī)車車體可供學(xué)生參觀，MATLAB仿真平臺(tái)可以讓學(xué)生理解牽引傳動(dòng)系統(tǒng)各部分的作用。

2 教學(xué)實(shí)施過(guò)程

2.1 課前活動(dòng)

觀看微課——《電力機(jī)車與電氣化鐵道》、完成課前測(cè)試題、搜集關(guān)于國(guó)產(chǎn)機(jī)車發(fā)展的典型事例并分享到學(xué)習(xí)群。設(shè)計(jì)意圖：

(1)認(rèn)識(shí)新知，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力；

(2)了解學(xué)生掌握情況，調(diào)整教學(xué)方案；

(3)提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

課中內(nèi)化環(huán)節(jié)

(1)分類闖關(guān)游戲，為多種型號(hào)電力機(jī)車進(jìn)行分類

①直流供電-直流牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的直-直型電力機(jī)車。

接觸網(wǎng)網(wǎng)壓1500～3000V，采用直流串勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)。我國(guó)大部分工礦用電力機(jī)車、城市無(wú)軌電車、城軌電動(dòng)列車都屬于這一種。在城市軌道交通運(yùn)輸中速度要求不高、常采用直流供電方式。電力機(jī)車的受流方式依據(jù)供電方式的不同分為接觸網(wǎng)受流方式和第三軌受流方式。其供電方式除高架接觸網(wǎng)供電外還有第三軌供電方式。第三軌供電是指在列車行走的兩條鋼軌以外，再加上帶電的鋼軌，這條鋼軌通常設(shè)在兩軌之間或其中一軌的外側(cè)。列車受流器(集電裝置，也叫集電靴或取流靴)在帶電鋼軌接觸并滑行，把電能傳到列車上。

②交流供電-直(脈)流牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的交-直型電力機(jī)車。

又稱交-直型整流器電力機(jī)車。我國(guó)生產(chǎn)的韶山(SS)系列電力機(jī)車即屬于此種車型。該型電力機(jī)車是目前世界上各個(gè)國(guó)家普遍采用的一種機(jī)車形式。

③交流供電-變頻器環(huán)節(jié)-三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的交-直-交型電力機(jī)車。

該型電力機(jī)車是目前世界發(fā)達(dá)國(guó)家采用的主導(dǎo)機(jī)車形式。我國(guó)生產(chǎn)的和諧(HXD)系列電力機(jī)車即屬于此種車型。

③交流供電-變頻器環(huán)節(jié)-三相同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的交-交型電力機(jī)車。

對(duì)于采用單相交流供電的系統(tǒng)，變頻器只能改變頻率提供單向電源，不能向三相交流電動(dòng)機(jī)供電，至今這種電力機(jī)車還沒(méi)有應(yīng)用的范例。

交流供電按接觸網(wǎng)供電頻率的不同可分為單相低頻(25 Hz或16 Hz)制和單相工頻(50 Hz)制。目前，世界上絕大多數(shù)國(guó)家都采用單相工頻交流電網(wǎng)供電。此外，世界上還有多電流制電力機(jī)車，這是針對(duì)不同電力牽引供電系統(tǒng)的鐵路，為了在兩種或多種供電系統(tǒng)銜接區(qū)段的連續(xù)運(yùn)輸和其他特定需要生產(chǎn)的，主要為交直流兩用電力機(jī)車。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)游戲活動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

表1 部分交流電力機(jī)車

自主查詢討論，探究直流電力機(jī)車與交流電力機(jī)車發(fā)展歷史。

電力機(jī)車的發(fā)展經(jīng)歷了直-直型電力機(jī)車、交-直型電力機(jī)車和交-直-交型電力機(jī)車3個(gè)大的發(fā)展階段。

①國(guó)產(chǎn)交-直電力機(jī)車的發(fā)展

我國(guó)電力機(jī)車自1958年誕生至今，已走過(guò)了60多年的歷程，形成了四代產(chǎn)品。目前我國(guó)干線交直型電力機(jī)車，一般采用多段橋順序控制的晶閘管相控?zé)o級(jí)調(diào)壓。第一代產(chǎn)品SS電力機(jī)車，采用調(diào)壓開(kāi)關(guān)33級(jí)變壓器低壓側(cè)有級(jí)調(diào)壓，二極管全波整流。第二代產(chǎn)品SS電力機(jī)車，采用調(diào)壓開(kāi)關(guān)8級(jí)低壓側(cè)有級(jí)調(diào)壓和級(jí)間晶閘管相控調(diào)壓。第三代產(chǎn)品均采用多段橋晶閘管相控調(diào)壓。第一代至第三代產(chǎn)品均為交直流傳動(dòng)方式，僅以調(diào)壓調(diào)速方式和單軸功率等級(jí)來(lái)區(qū)分。

②國(guó)產(chǎn)交流電力機(jī)車的發(fā)展

第四代產(chǎn)品交直交型電力機(jī)車集中了當(dāng)今科技發(fā)展的最新成果，代表了現(xiàn)代牽引動(dòng)力發(fā)展的方向。交流傳動(dòng)機(jī)車是近代鐵路牽引技術(shù)的重大突破。交流傳動(dòng)簡(jiǎn)單可靠，具有良好的防空轉(zhuǎn)性能、優(yōu)異的牽引特性和制動(dòng)特性。20世紀(jì)80年代初，交流傳動(dòng)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于電力機(jī)車，并取得了快速發(fā)展。我國(guó)從1991年開(kāi)始研制交流傳動(dòng)電力機(jī)車，經(jīng)過(guò)了20多年的發(fā)展，交流傳動(dòng)機(jī)車正在逐步取代直流傳動(dòng)機(jī)車，使貨運(yùn)機(jī)車單軸功率1 000～1 200 kW，客運(yùn)機(jī)車單軸功率1200～1 400 kW的電力機(jī)車成為主流。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)信息搜索查詢，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力；通過(guò)視頻資源學(xué)習(xí)電力機(jī)車的發(fā)展史，鐵路網(wǎng)是國(guó)家的大動(dòng)脈，樹(shù)立家國(guó)情懷，愛(ài)崗敬業(yè)。

小組討論，探究電氣化鐵道的原理及意義。鐵路是國(guó)家的基礎(chǔ)設(shè)施，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，交通運(yùn)輸體系的骨干。電力機(jī)車由接觸網(wǎng)供電，而接觸網(wǎng)則從牽引供電系統(tǒng)的變電所供電，電氣化鐵道包括電力機(jī)車與牽引供電系統(tǒng)。電氣化鐵道以受電弓為分界點(diǎn)，受電弓以上為牽引供電系統(tǒng)，主要包括牽引變電所和接觸網(wǎng)。受電弓以下為電力機(jī)車部分，包括受電弓、高壓電器、牽引變壓器、牽引變流器和牽引電動(dòng)機(jī)的主電路部分。電力牽引的優(yōu)越性主要有：運(yùn)輸能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效果顯著、合理利用能源、勞動(dòng)條件耗、加強(qiáng)了行車安全、有利于城鄉(xiāng)電氣化。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)視頻資源學(xué)習(xí)電氣化鐵路，培養(yǎng)學(xué)生艱苦奮斗、追求卓越的精神。

(4)仿真實(shí)驗(yàn)，探索交流電力牽引控制系統(tǒng)原理

在軌道交通運(yùn)輸中，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)滿足車輛牽引的電氣傳動(dòng)部分，稱為電力牽引控制系統(tǒng)。

電力機(jī)車通過(guò)受電弓與主斷路器，將接觸網(wǎng)的交流電引入變壓器，經(jīng)牽引變壓器降壓后，送入四象限整流器，四象限整流器將單相交流電整流為直流電，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)儲(chǔ)能和濾波后，送入逆變器，將直流電逆變成電壓和頻率可調(diào)的三相交流電，供給牽引電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

電力電子器件是列車牽引變流器的基礎(chǔ)與核心，它的發(fā)展經(jīng)歷了從晶閘管到IGBT，IGBT的研制成功提高了電力電子裝置的性能，創(chuàng)新能力有助于發(fā)展科學(xué)技術(shù)，提高綜合國(guó)力。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)電力電子器件的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

課后拓展環(huán)節(jié)主要任務(wù)包括：觀看課后拓展資源、完成課后測(cè)試題并進(jìn)行評(píng)價(jià)。

設(shè)計(jì)意圖：認(rèn)識(shí)自我，查缺補(bǔ)漏，知識(shí)拓展，提升能力。

3 特色與創(chuàng)新

(1)采用探究式教學(xué)法、實(shí)踐教學(xué)法等方式，讓學(xué)生主動(dòng)參與到課堂教學(xué)活動(dòng)中，促進(jìn)學(xué)生將所學(xué)、所感、所悟內(nèi)化于心，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

(2)培養(yǎng)學(xué)生的家國(guó)情懷、創(chuàng)新能力、艱苦奮斗、追求卓越、開(kāi)拓創(chuàng)新的精神。

(3)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)次數(shù)增多，能按標(biāo)準(zhǔn)要求完成所有教學(xué)活動(dòng)，也愿意主動(dòng)配合小組合作任務(wù)。另外，授課教師、同學(xué)、輔導(dǎo)員共同對(duì)學(xué)生的世界觀、人生觀、價(jià)值觀等進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)行客觀真實(shí)全方位、多角度的評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 語(yǔ)

案例明確了課程的價(jià)值目標(biāo)，提高了育人效果。將專業(yè)知識(shí)與思政元素有機(jī)地融合，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的家國(guó)情懷、社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新意識(shí)和工匠精神等具有積極的作用。從知識(shí)與能力、情感與態(tài)度、價(jià)值與立場(chǎng)這三個(gè)維度，同步實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造、能力培養(yǎng)、知識(shí)傳授三位一體的教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)方法接地氣，課堂互動(dòng)感強(qiáng)，學(xué)生參與度高。