（机械工程专业论文）东风7型内燃机车故障恒动励磁装置的应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着铁路改革的不断深入，机车的运用质量对铁路运输秩序的 影响愈来愈大。东风7 d 型内燃机车自1 9 9 6 年配属黔桂线担任主力牵 引任务，虽然该机车在设计时考虑到了配备了一套作为电子恒功率 调节系统的故障应急装置一一故障励磁装置，但也存在当柴油机无 论在任一转速下，牵引发电机的励磁电流始终保持为某一不变值， 这样的恒流控制最终不能保证交流同步牵引发电机的功率恒定，既 不能充分发挥柴油机的功率，也不能满足机车牵引力要求，这样的 设计缺陷在黔桂线尤为显得突出。由于黔桂线属于小曲线及高坡运 行区段，因此一些年来因电子恒功率调节系统故障造成的坡停、机 破事故仍没有得到较好的控制，影响了铁路运输秩序的正常开展。 故障恒功励磁器的设计思路是尽量取用现成可靠信号，硬件结 构由主机和电压电流传感器组成，结构简单，可靠性强。基本原理 是：一方面由柴油机转速频率信号通过f v 频率电压变换器变成模 拟转速信号，从而得出功率函数曲线p r e f = f ( n ) ；另一方面由测压器 测得同步牵引发电机经整流柜的输出电压，霍尔测流器测得交流同 步牵引发电机电流，两者信号经过乘法器相乘，得出交流同步牵引 发电机输出功率p 。最后经p i 调节器对给定功率信号p r e f 和反馈功 率信号p 进行动态比较，输出v p ( 中间量) 信号，控制v m o s 管输出， 从而实现对同步牵引发电机的变流励磁控制，使柴油机功率输出保 持恒定，满足机车牵引力的要求。 关键词：内燃机车；恒功率；故障励磁；控制；同步牵引发电机 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr a i l w a yi n n o v a t i o n ，t h ea p p l i c a b l e q u a l i t yo fl o c o m o t i v e sh a sp l a c e dag r e a t e ra n dg r e a t e re f f e c to nt h e r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n o r d e r s i n c e 19 9 6t h em o d e ld f 7 d i n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n eh a sb e e nq u a l i f i e dt op l a yam a jo ri nt h e t r a c t i o nm i s s i o nf o rt h eq i a n g u ir o u t e ，a l t h o u g hd u r i n gt h a tp e r i o di t w a st a k e ni n t oa c c o u n tt h ef a c tt h a tt h e r ew a san e e dt ob e t t e re q u i pt h e l o c o m o t i v ew i t hah i t c h e m e r g e n c ys y s t e m ：t h e s o c a l l e dh i t c h e x c i t a t i o nd e v i c e ，h o w e v e r ，t h ed e s i g ni t s e l fh a si t so w nl i m i t a t i o n t h a ti s ，n om a t t e rt h ed i e s e le n g i n ew o r k su n d e rh o wg r e a tr o t a t es p e e d ， t h ee x c i t a t i o nc u r r e n to ft h em a j o rd y n a m oa l w a y s k e e p sc o n s t a n t t h e r e f o r e ，m a k i n gi t d i f f i c u l tf o rs u c hc u r r e n t - c o n s t a n tc o n t r o lt o e v e n t u a l l ye n s u r ep o w e ro ft h ea cs y n c h r o n o u sd y n a m ot ob ek e p ta s c o n s t a n ta sp o s s i b l e a sar e s u l t ，h a r d l yt h ed e s i g nc a nf u l l ye x e r tt h e p o w e ro fd i e s e le n g i n e ，n o rc a ni ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fl o c o m o t i v e t r a c t i o n b e c a u s et h e r ei ss of a rn ob e t t e rw a y st ot r a c kd o w ns u c h p r o b l e m ，t h e r e f o r et h ed e v e l o p m e n to fn o r m a lr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n o r d e ri sg r e a t l ya f f e c t e d t h ed e s i g np u r p o s eo fh i t c hp o w e r c o n s t a n te x c i t a t i o nd e v i c ei st o m a k eu s eo fe x i s t i n ga n dc r e d i b l es i g n a l sa sm u c ha sp o s s i b l e t h e h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h ed e v i c ei sm a d eo fm a i n f r a m e ，v o l t a g e s e n s o ra n dc u r r e n ts e n s o r t h ea r c h i t e c t u r ei t s e l fi sn o to n l ys i m p l e ，b u t a l s oo fh i g hd e g r e eo fr e l i a b i l i t y i t sb a s i cp r i n c i p l ei st om a k eo u t p u t o ft h ed i e s e le n g i n eb ec o n s t a n ta n ds a t i s f yt h en e e d so fl o c o m o t i v e t r a c t i o nb ym a k i n gt h es y n c h r o n o u sd y n a m ot ob ec u r r e n tc h a n g i n g c o n t r o l l e d i t sb a s i cr a t i o n a l ei s ：o no n eh a n dt o c h a n g et h er o t a t e s p e e ds i g n a lo fd i e s e le n g i n et om o d u l er o t a t es p e e ds i g n a lb yu s i n gt h e f vf r e q u e n c yc o n v e r t e ri no r d e rt oo b t a i nt h ec u r v ef u n c t i o np r e f = f ( n ) o nt h eo t h e rh a n dt og e tt h eo u t p u tp o w e ro ft h ea cs y n cd y n a m ob y m u l t i p l y i n gb o t ht h eo u t p u tv o l t a g ea n dt h ec u r r e n to fa cs y n cd y n a m o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 n 页 a tl a s t ，o u t p u tt h ev pi n t e r m e d i a t es i g n a la n dc o n t r o lt h eo u t p u to ft h e v m o st u b eb ya c t i v e l yc o m p a r i n gb o t h t h es p e c i f i e dp o w e rs i g n a la n dt h e f e e d b a c kp o w e rs i g n a lpi no r d e rt oa c h i e v et h ea i mo fi m p l e m e n t i n gt h ec u r r e n t c h a n g i n ge x c i t a t i o nc o n t r o lo fs y n ct r a c t i o nd y n a m o ，m a k es u r e t h ep o w e r o u t p u to ft h ed i e s e le n g i n et o b ec o n s t a n t ，a n ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n to f t r a c t i o no fl o c o m o t i v e s k e yw o r d ：d i e s e ll o c o m o t i v e ；c o n s t a n tp o w e r ；f a u l te x c i t a t i o n ；c o n t r o l ； s y n c h r o n o u st r a c t i o ng e n e r a t o r 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 机车故障励磁存在的问题 成都铁路局麻尾机务段运用东风7 d 型内燃机车进行干线运营作 业。东风7 d 型机车的交流同步牵引发电机采用的型号为t q f r - - 3 0 0 0 的三相交流同步牵引发电机，根据机车的牵引特性的要求，对应一 定的柴油机转速，交流同步牵引发电机输出的功率应保持恒定，从 而保证柴油机的输出功率基本保持恒定，使柴油机工作在最佳的工 作状态。 东风7 d 型内燃机是在原有东风7 型机车基础上开发的一个新机 型，主要目的是用来代替七十年代生产的东风型内燃机车以缓解某 些特殊铁路区段的需要。这里所谓“特殊铁路区段”是指小曲线半 径。而位于贵州至广西黔桂线上的贵定一一金城江区段正是满足这 一特殊需要，它有着国铁主干线中最小曲线半径r 1 7 7 米，因此东风 7 d 的单司机室设计，双节重联使用，能够较好地适应小曲线半径区 段运行。 尽管北京二七厂在设计和生产时都较为缜密，但由于机车生产 的任务的紧迫性，以及除黔桂线小半径曲线处所多外，还具有诸多 困难运行条件：坡度大( 最大坡度为2 9 5 ) ，坡道长( 最长为1 2 k m ) ， 起伏坡道很多，限速低( 都匀至金城江全段最高限速6 0 公里i 1 , 时) ， 且长期慢行点多( 最低4 5 公里4 时) ，海拔落差差较大，最高点为 7 6 2 米( 独山) ，最低海拔3 2 5 米( 金城江) ，四季之中常有雨水，空 气湿度较大。因此，东风型机车自出厂到投入运输生产后，“机车当 围墙”的局面时有发生。据统计，自1 9 9 6 年东风7 d 型机车投入麻 尾段担当牵引运输任务到2 0 0 3 年间，总计发生机破2 1 2 件，其中柴 油机发生1 3 1 件，电气部份发生8 l 件；临修总计发生1 1 7 2 件，其 中柴油机发生6 5 2 件，电气部份发生3 1 1 件( 其中电子恒功装置故 障1 1 6 件) ，走行部发生1 7 8 件，制动机发生2 2 件。其中电气部份 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的故障普遍存在为：( 1 ) 机车电气绝缘不良；( 2 ) 电器触头烧损严 重；( 3 ) 电子恒功装置不稳定，功率时有时无；( 4 ) 电机引出线断 裂烧损等。 以上数据中电气部份发生的8 1 件机破，据进一步统计分析，6 2 件均为电子恒功装置不良造成的。换一句话也可以说，这6 2 件是由 故障励磁装置故障引起的。因为据分析，6 2 件机破都发生长大坡道 上，当恒功装置发生故障后再启用该故障励磁装置时，由于故障励 磁装置在设计中已将励磁电流“恒定”，虽然可以避免在某特定工况 下输出过载，但也将机车牵引力限制在正常牵引力的范畴之外，从 而导致在坡道上启车时因机车牵引力不足而无法满足机车坡道牵引 需要，最终造成投产运行后的几年中的机破事故高居不下的现象。 但是，亦应该清楚地看到，如果东风7 d 型机车没有装备故障励 磁装置的话，上述同期因电子恒功装置故障所产生的机破件数将达 到1 1 6 件，即是说由于机车加装了故障励磁装置，才使得因此装置 发生的机破率相对降低近了5 0 左右。针对故障励磁装置的恒流控 制所具有的基本特点：当柴油机转速无论在某一转速下，其励磁电 流始终保持为某一不变值，从而不能保证交流同步牵引发电机的功 率恒定，也就不能成分满足机车牵引力，如果发生在坡道上起车， 将变得异常困难，这样将造成种种难以预计的事故及后果。为此通 过与二七机车厂技术部门联手，对如何改进故障励磁装置提出了相 关技术要求和设计思路。 1 2 故障励磁装置的定义 交一直电流传动范畴的内燃机车的车载“电子恒功励磁装置” 因本身系统的某一部件或某一元件发生故障时，机车交流同步牵引 发电机的励磁电流将趋于零或趋于最大，发电机的输出功率随之将 趋于零或趋于最大，这样将导致机车不能正常牵引后部列车。为避 免此类故障，启用了另一套较为简单的、独立的励磁电流给定的装 置，这一装置称为故障励磁装置。为有效地控制该装置，机车原励 磁电路上适当加装了连接导线和电路开关等。故障励磁装置和加装 的导线、开关等所形成的电路称为故障励磁电路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 鉴于故障励磁装置的特殊使用性，设计人员多从以下几方面考 虑其设计方案： l 、操作简便性：当励磁系统发生故障时，只须切换某一电器开 关即可。 2 ，故障励磁装置的单一性：只需该装置供给适当励磁电流即可， 其它保护系统不考虑。 3 、故障励磁装置的附属性：即是该励磁装置仅只作车载电子励 磁装置的“替补”，其装备须“体积小、重量小、线路简单且与车载 电子励磁装置电路相近。” 1 3 国内的技术现状 作为电传动内燃机车，柴油机在一定的转速下，保证交流同步 牵引发电机经整流柜输出的电压、电流在恒功率范围内运行是电传 动内燃机车的恒功率调节的主要任务。在转速恒定时，唯一可以控 制调节的就是交流同步牵引发电机的励磁磁通，而磁通取决于励磁 电流的大小，因此交流同步牵引发电机实现恒功率特性的调节实质 上也就是对其励磁电流的调节。 现有的电传动内燃机车机车上由联合调节器或者电子恒功率调 节器或者车载微机控制系统来进行恒功率励磁的调节控制。当这些 控制装置出现故障时，就必须投入故障励磁控制系统，以保证机车 能够继续运行。 综合内燃机车使用的故障励磁装置，目前主要有：( 1 ) 以故障 励磁器如东风7 d 机车上的“g l t q ”为代表的恒流控制装置。( 2 ) 以 “故障恒功励磁器”为代表的变流控制装置。这两种装置的区别就 是前者对机车交流同步牵引发电机励磁电流的控制为恒流控制，这 也是目前内燃机车普遍使用的一种故障励磁电流调节方式；而后者 为变流控制，从而产生的效果是显而易见的。前者当柴油机转速无 论在任一转速下，交流同步牵引发电机的励磁电流终保持为某一不 变值，这样的恒流控制最终不能保证交流同步牵引发电机的功率恒 定，既不能充分发挥柴油机的功率，也不能满足机车牵引力。此类 故障励磁装置最初是采用限流电阻的励磁装置加以实现的，在以后 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的发展中，逐步使用晶体管来实现恒流控制。例如：东风7 d 机车使 用的故障励磁调节器。 随着对机车运用安全性、低故障率的要求迸一步提高，实用、 高效、与柴油机功率特性匹配性好的故障励磁控制装置的使用就愈 显重要。所以研制“故障恒功励磁器”，在柴油机的不同转速下，通 过有效地控制交流同步牵引发电机的励磁电流，从而达到调节柴油 机恒功率输出，充分利用柴油机的功率，正是广大科技工作者和现 场科技人员所面临的需急切解决的难题。 1 4 解决方案 随着铁道部提速战略的实施，我国的铁路技术装备正处在全面 升级换代的阶段。在单司机、长交路运输体制的改革目标下，如何 能更好地保证机车长时间在各种多变线路情况上的工作稳定性和安 全性，减少司机操作的难度，设计新型的恒功率调节系统就成为一 个刻不容缓的问题。 为了改变东风7 d 型电传动内燃机车的故障励磁控制系统仍旧依 靠恒定励磁电流来实现交流同步牵引发电机功率调节的缺陷，确保 柴油机在转速恒定时交流同步牵引发电机的输出功率恒定，使机车 充分发挥牵引功率及牵引力，充分利用粘着，不出现空载和过载现 象，使柴油机在最佳油耗线工作，改善柴油机的燃烧工作状态，节 省能耗。因此，必须使这套新的控制系统有所突破和创新，并且在 解决生产实际问题的同时，要能够使研究成果转化为生产力，使其 有市场和经济效益。 在广泛调研并与北京二七机车厂工程技术人员交流探讨的基础 上，确定了研制新型的故障恒功励磁调节系统的整体方案，实现了 通过给柴油机转速设定p r c f ( 功率给定) 函数曲线来消除现有故障 励磁系统依靠恒定电流进行励磁调节的缺陷，实现在柴油机恒定转 速下，交流同步牵引发电机输出功率恒定的调节。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 5 本系统的基本功能和特点 机车加装故障恒功励磁器，可以完全实现励磁电流对柴油机转 速的跟随，实现了原固定励磁方式无法达到的对交流同步牵引发电 机恒定功率输出的调节，提高机车运行的稳定行，充分利用柴油机 的功率。其特点为： ( 1 ) 实现了电传动内燃机车在车载电子恒功调节器故障后还可 提供稳定的恒功率调节，即柴油机在一定转速下保证交流同步牵引 发电机经主整流柜输出的电压、电流在恒功率范围内运行，并进行 其恒功率调节的任务。 ( 2 ) 采用简单的闭环控制，使其设备故障容易查找。 ( 3 ) 设备体积小，重量轻，容易安装和拆卸，且工作原理简单。 ( 4 ) 在其损坏并没有配件时，还可以在短时间内将线路接回原 来的故障励磁线路，在紧急情况时可以有效的保证机车的稳定运行， 防止机破的发生。 ( 5 ) 通过预先设定p r e f 函数曲线来与检测值进行比较，经p i 控制可以确保调节时的准确性，减少偏差。 1 6 本文研究的主题和意义 本文研究的主题就是分析研究东风7 d 型内燃机车故障恒功励磁 器的设计原理，结合实际运用情况，提出故障恒功励磁器的技术改 造方案，对装车应用的技术情况作出评价，以利于进一步完善，取 得积极的运用效果。为此，必须首先从同步牵引发电机的理想外特 性和自然外特性曲线的差异入手，在深入分析原有的电子恒功率调 节器和故障励磁调节器原理的基础上，找出原有故障励磁调节器在 设计和使用过程中所存在的缺点和不足，从而有针对性地对研制新 型的故障恒功率调节装置进行深入分析阐述。 通过对本主题的研究，一方面较为系统地了解了东风7 d 型内燃 机车的功率调节原理及发展历程，另一方面也看到了二七机车厂和 麻尾机务段广大科技工作者为了保障东风7 d 型机车能够安全有效地 服务于铁路运输生产，通过艰辛的努力和大量实践，较好地解决了 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 该型机车在黔桂线运行过程中突出存在的适应性问题，提高了东风 7 d 型机车的运用质量。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 第2 章东风，型机车牵引发电机 励磁系统的工作原理 要实现对同步牵引发电机的恒功率控制使其输出功率准确地跟 随柴油机的输出功率，就需要了解同步牵引发电机的输出特性。从 其理想外特性和自然外特性曲线的特点上就可以着手进行新型故障 恒功励磁控制装置的研究与设计。 2 1 同步牵引发电机的输出特性 2 1 1 同步牵引发电机的理想外特性 交一直流电力传动装置的牵引发电机为交流同步牵引发电机， 而牵引电动机仍为直流串励电动机。东风7 型内燃机车采用交一直流 电力传动装置，其示意图如图2 - 1 所示。 图2 - l 东风7 d 机车电传动原理图 毫 引 电 动 机 由柴油机驱动三相交流同步牵引发电机，发出的三相交流电经 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 硅整流器z l 整流后，传给直流牵引电动机d ( 1 6 ) 。牵引电动机通 过齿轮减速箱驱动动轮。由于交流发电机没有换向器( 不受换向条 件的限制) ，因而结构简单、运用可靠、省铜、维护方便。与同等功 率的直流发电机相比，要轻得多，大约只有直流机重量的一半，且 节约了大量铜和铁等材料。目前3 0 0 0 马力以上的内燃机车都普遍采 用交一直流电力传动装置。 在电传动内燃机车上，柴油机的曲轴通过半刚性联轴器与牵引 发电机相连，组成柴油机一发电机组。由柴油机的特性可知，要充 分利用柴油机的功率，必须使柴油机在机车运行速度范围内始终保 持在额定工况下工作，使柴油机功率恒定不变，并在部分功率下工 作时，应使柴油机按经济特性运行。柴油机产生的机械功率，除小 部分供给机车的辅助装置和摩擦损耗外，绝大部分提供给牵引发电 机。交流牵引发电机发出的三相交流电经硅整后，再向直流牵引电 动机供电，牵引发电机的作用就是把机械能转变为电能。由于发电 机和硅整流器有损耗，所以牵引发电机整流后的输出功率应等于牵 引发电机的输入功率乘上效率t l ( 包括牵引发电机和硅整流的总效 率) ，设p f 为牵引发电机整流后的输出功率，即 p f = ( p c p f z ) r t 式中p f 一一牵引发电机整流后的输出功率，k w ； p 。一一柴油机的有效功率，k w ； p f z 一一辅助装置所消耗的功率，k w 。 当牵引发电机电流变化的时候，辅助装置所消耗的功率和牵引 发电机的效率变化较小，可以认为不变。这样，为了使柴油机的有 效功率p e 保持恒定，只要近似地保持牵引发电机的功率恒定就可以 了。即 p f = o f x i f 常数 式中u f 一一牵引发电机整流后的电压，v ； i f 一牵引发电机整流后的电流，a 。 那么，由此式可知要使u f 及i f 的乘积近似的等于常数，当i f 随机车的运行情况变化时，u f 必须与i f 成反比地变化。牵弓j 发电机 的外特性曲线u f = “i f ) 应是一条双曲线，或称为恒功率曲线，如图2 - 2 中的b c d 曲线所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 为了使u f 与i f 成反比地变化，必须对u f 进行调节。并知道发 电机的电压u f 近似为 u f c t n v # f 。 式中c t 一一与发电机结构有关的常数； n ，一一发电机转速； f 一一发电机励磁磁通。 u u f g e n 图2 - 2 牵引发电机理想外特性曲线 在这必须指出，从理论上，为了使牵引发电机保持恒功率输出， 在图2 2 中u f 和i f 将会沿着坐标轴无限的延长，也就是说，牵引发 电机的电流和电压都可以达到无限大，但实际上这是不可能的。任 何一台发电机，都有一个不能超过的允许电压值，这是因为电压受 到发电机磁路饱和、励磁线圈发热、绝缘强度和换向片间允许电压 ( 对直流发电机而言) 等因素的限制。鉴于上述情况，牵引发电机 的理想外特性不再是无限延长的双曲线，而是如图2 2 所示a b e d e 线 段。 a b 线段表示受最高电压的限制，d e 表示受最大电流的限制，b c d 线段表示受柴油机额定功率的限制。在图2 2 中，还画出了在不同负 载电流i f 时，柴油机功率曲线o f g e 。这是根据曲线a b c d e 画出的。 可以看出由于牵引发电机电压和电流的限制，不可能在全部负荷范 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 围内充分利用柴油机的功率。只有在i f g e i f i f p 。时才能利用全部 功率。在其他负荷下，柴油机的功率都应该降低。u f g e 表示牵引发 电机的高压额定电压，与此电压对应的电流称为高压额定电流，用 i f g e 表示。d 点的电流，是牵引发电机在恒功率工况下的最大电流， 用i f p 。表示。在理想情况下，b 点的电压也是牵弓i 发电机在恒功率 情况下的最高电压，用u f p 。表示。 b c d 曲线上的c 点，习惯上称为牵引发电机的低压额定工作点。 c 点的电压称为低压额定电压，用u f d e 表示；c 点的电流称为低压 额定电流，用i f d e 表示。i f d e 是根据持续电流确定的。持续电流是电 机在试验台上对它进行正常通风，让电机在额定功率下做长时间的 连续运转，它的各部温升不超过按绝缘等级所规定的限制值，这时 电机所能承受的最大电流，就叫做牵引发电机的持续电流。 内燃机车在运行过程中，牵引发电机经常反复工作在低压额定 电压u f d e ( 或低压额定电流i f d e ) 与高额定电压u f g e ( 或高压额定 电流i f g e ) 之阆。从发热的观点看：在上述范围( 图2 2 中的b c 段) 内，牵引发电机的负载电流小于或等于它的持续电流，牵引发电机 的励磁电流小于或等于他的持续励磁电流，温升不会超过限制值。 因此，恒功率双曲线上的b c 段实际就是牵引发电机的持续工作区。 如前所述，为了充分的利用柴油机的功率，并考虑到牵引发电 机电压和电流的限制，牵引发电机具有的理想外特性曲线为a b c d e ， 柴油机应具有的理想功率曲线为o f g e 。为了得到图2 2 所示的理想特 性曲线，必须对柴油机发电机组进行调节。 在a b 段，即i f i f p 。的区域内，发电机电压很低，电流很大， 应有限流装置，以保护发电机。根据同步牵引发电机的自然外特性， 可通过限制最大励磁电流来限制发电机输出的最大电流。柴油机亦 在部分负荷下工作，功率的变化同样由调速器来完成 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 在b c d 段，即i f g e i f l 3 ，随着励磁电流的下降，自然外特性曲线内移。 与理想外特性a b c d e 曲线相比，在励磁电流为i f l i 时，其自然 外特性曲线上部与限压a b 基本吻合，下部与限流线d e 基本吻合， 但中部与理想外特性恒功率部分相差较远。因此为满足恒功率牵引 的要求，就必须对励磁电流进行调节。 为了使交流同步牵引发电机具有理想的外特性，在恒功率区段 b e d 上发电机的励磁电流必须随着负载电流的变化而变化，这种恒功 率下发电机励磁电流i l 随负载电流i a 的变化关系i a = f ( i l ) ，称为牵 引发电机的调整特性，如图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 i o a i l l 图2 4 牵引发电机自然外特性曲线 i a ii a 图2 - 5 牵引发电机调整特性 根据不同的励磁电流下的自然外特性与理想外特性曲线的交 点，即可得出交流同步牵引发电机励磁电流随电枢电流变化的调整 特性。 在内燃机车上，为了给同步牵引发电机直流励磁，设有一台励 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 磁机和励磁整流器。通过对励磁机励磁电流的控制，来调节牵引发 电机的励磁电流。这种方法，称为间接控制，所控制的是励磁机的 励磁电流，而不是直接控制牵引发电机的励磁电流，励磁机在中间 起放大作用。这样，就可以选用较小的控制元件，元件本身的工作 可靠性大。 综上所述，对牵引发电机励磁电流进行控制的目的有二：一是 使牵引发电机具有恒功率双曲线的理想外特性，以满足牵引特性的 要求；二是当辅助设备工况变化时，调整牵引发电机的输出功率， 以充分利用柴油机的功率。 2 2 东风，d 型内燃机车电子励磁控制装置的种类及系统 原理 东风7 d 型内燃机车目前使用的励磁装置主要有两大类：一类是 北京二七厂生产的e q t 2 0 0 0 型微机控制系统；另一类是武汉振远电 器公司生产的z y 2 0 0 0 型微机控制系统。 2 2 1e o t 2 0 0 0 微机系统简介 2 2 1 1e q t 2 0 0 0 微机系统的组成和相互关系 由图2 - 6 可见，传感器组件由1 l 块信号变送器和安装底板组成； 微机箱d f j 4 0 a 由1 4 块插件和箱体组成；微机箱与显示器之间采用 r s 2 3 2 接口，通过串行通讯交换数据。彩色液晶显示器安装在司机室 操纵台正面，配有功能键盘便于人机对话。 曰一圈 一圈一 图2 - 6e q t 2 0 0 0 微机系统组成及控制关系图 2 2 1 2d f j 4 0 a 微机箱的组成 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 微机主机箱采用机箱一一插件二层次结构，机箱右方有2 个 a m p 6 2 引脚的插座和2 个开关( 空转切除和柴油机恒功切除) ，供微 机与机车有关部分接线。 机箱内部设计符合3 u 标准，供安装微机系统插件使用。每层机 箱最多可插入1 4 块插件。插件之间及插件与机箱插座之间的连线通 过机箱后部的总线板和6 4 芯连接器( d i n 4 1 6 1 2 标准) 连接。机箱各插 件自左到右按编号从小到大顺序插装，不能改变。插件的安装和拆 卸均应在无电的状态下进行。 2 2 1 3d f j 4 0 a 微机箱插件定义 表2 1d f j 4 0 a 微机箱插及功能 插件号名称功能 1辅助c p u 板a c p u故障记录和显示 2主c p u 板m c p u运行程序 3模拟量输入板a d c采集模拟数据 4 频率输入板f r q采集转速 51 # 开关量输入板i n l输入机车电器状态 62 # 开关量输入板i n 2输入机车电器状态 71 # 继电器输入板o u t l 控制接触器 8备用输入板 9励磁板p w m控制励磁电流 1 0柴油机调速板柴油机调速 1 1备用无级调速板柴油机调速 1 22 样电源板d c 2提供1 5 v 和5 v 电源 提供2 4 v 和彩色显示器 1 3l 群电源板d c l 电源 1 41 # 电源板d c l 占用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 2 1 4e o t - 2 0 0 0 微机系统的功能介绍 1 机车牵引时，微机系统进行恒功控制，在不同转速下均使交 流同步牵引发电机恒功运行于柴油机经济特性所规定的数值。交流 同步牵引发电机具有限压、限流和恒功的理想牵引外特性。在7 0 0 r r a i n 以上时，通过接入功调电阻，使辅助功率转移，保持柴油机功 率恒定。 2 微机根据恒速工况开关指令，完成机车五档( 1 ，3 ，5 ，7 ，1 0 k m h ) 低恒速牵引功能( 此功能根据用户要求设置) 。 3 微机接受司机控制器指令，完成柴油机转速自动调整功能。 4 机车电阻制动工况时，微机系统对励磁电流及制动电流进行 恒流控制，完成电阻制动功能。 5 微机系统接受柴油机转速、水温等信号，对柴油机进行故障 状态保护；同时也根据采集的电气系统信号完成对主回路的故障诊 断和保护。 6 微机系统完成机车部分逻辑电路控制功能。 7 系统配有彩色液晶汉字显示屏，可监控运行参数，自动显示 故障和报警，并能够存储、显示机车运行状况信息、控制参数等。 8 微机系统通过各电动机支路电流传感器，检测轮对空转或滑 行情况，采取相应的保护措施。 2 2 ，1 5e o t 2 0 0 0 微机系统在实际运用中存在的问题 该系统在东风7 d 型机车上装配近8 年来，主要问题有： 1 机车防空转电路设计与实际运营线路有效大落差，实际运行 中空转现象是能防止，但机车牵引力却不够了，甚至造成破停，进 而发生为机破事故。 2 东风7 d 型机车高压柜、低压柜防尘能力差，致使有机杂质， 常附着在微机箱中的各电路扳件上，时常造成电器误动作。 2 2 2z y 2 0 0 0 微机系统的组成 z y 2 0 0 0 型内燃机车微机控制系统主要由微机控制柜、s m 信号 转换板、d x 板、电流传感器安装板以及d f l 6 机车速度传感器等部 分组成。 2 2 2 1 微机控制柜的组成和特点 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 1 该柜由a 、b 两组相互独立的系统组成，a 组工作，b 组作电 压调整和无级调速的备份，使该系统可靠性大大增加。 2 a 组由一块电源板( 图2 7 ) 和两块完全通用的控制板i ( 图 2 8 ) 组成，b 组由一块电源板和一块控制板i i ( 图2 - 9 ) 组成，且三 块控制板完全相同，两块电源板完全相同，运行维护方便。 3 电源板：由上下相同的电路组成，分别供给控制板i 、i i 公 用。 4 控制板i ：实现电子恒功、电阻制动、自动过渡、油压保护 功能。 5 控制板i i ：实现无级调速、电压调整、轮缘润滑功能。 6 当两套微机控制系统均发生故障后，在牵引工况，机车还可 以按故障励磁系统工作。在制动工况，还可实现电阻制动的故障励 磁。 7 为避免个别功能发生故障影响整个微机控制系统，该系统采 用了模块化设计，模块之间互不影响，尽可能地减小故障的影响面。 1 1 0 v r _ 厂= = 广 r b c 或2 k 刊蓁h 票h 蓍 + 5 v 变 趣黼v p a l错 压 或 器 啪。芋v p a 2 插座 也三叫毯a - x 广- j 螂川v 图2 7z y 2 0 0 0 电源板原理图 r l c n 恒功控制 1 电阻制动控制 i几 一级 l u 过渡 l i 审n lu 1 二级 过渡 in lu h 油压保 图2 - 8 控制板i 原理图 r 1 c n 图2 - 9 控制板i i 原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 2 2 2 2 s m 板由四部分组成 1 主发电压传感器； 2 印制板：控制r g t 反馈信号和制动电流霍尔传感器15 v 电 源； 3 保险：2 0 a 快速熔断器，防止辅发励磁绕组短路时烧损 z y 2 0 0 0 箱体和控制板； 4 接线端子； 2 2 2 3 信号转换板由两部分组成 1 二极管装置：制动工况时接入励磁机励磁回路中； 2 取样电阻：串接在主发电流表回路中，取主发电流信号。 2 2 2 47 y 2 0 0 0 功能介绍 1 恒功率控制：在不同的柴油机转速及机车运行速度下，控制 交流同步牵引发电机运行在规定的特性曲线上，实现功率误差l ， 充分发挥了柴油机输出功率，保证了柴油机功率合理充分利用。加 装及改造后的机车在油耗上比未改装机车具有省油效果，肯有投资 及经济效益，用1 5 年或2 0 万公里左右收回投资。省油效果明显， 具有投资及经济效益。 2 电阻制动控制：在不同柴油机转速及机车速度下，实现对牵 引电机励磁电流和制动电流的恒流控制。同时还能实现两级电阻制 动的自动转换。 3 辅助发电机励磁电流的控制：通过不断调整辅助发电机的励 磁电流，使辅助发电机发出的电压稳定在直流1 1 0 v 2 v 的范围内。 4 步进电机的驱动：通过驱动步进电机使之正反转以达到控制 柴油机转速的目的。 5 海拔功率修正功能：通过编码开关进行设定。这样，无需重 新整定就可满足不同地区电传动内燃机车的控制要求。 6 轮径修正功能：以保证轮对磨损后，各项相关的技术要求仍 能得到满足。 7 防空转保护功能。当柴油机转速高于4 5 0 转分时机车出现 空转，微机将通过降低柴油机转速来抑制空转；若柴油机转速低于 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 4 5 0 转分时机车仍有空转，微机将减小励磁电流输出直至完全卸 载，以达到抑制空转的目的。 8 甩缸扣功功能。当柴油机工作在甩缸工况时，将甩缸开关置 接通位，柴油机扣功2 5 ，若配合海拔修正开关，还可实现8 档位 功率设定，具体设定值为海拔功率修正表中功率系数乘以7 5 。 2 2 2 5 z y 2 0 0 0 在实际运用中存在问题 与e q t 2 0 0 0 装置相似，z y 2 0 0 0 在东风7 d 型机车上也相近装配 了8 年，其问题主要有： 1 机身防空转电路设计与实际线路有较大落差，当坡道上运行 机车空转是难免的现象，该系统的防空转保护装置却立即卸载柴油 机功率转致使空转不再发生。 2 该系统的主发电流取样电路不尽合理，该取样信号易受外界 电路影响而造成取样电流的干扰信号，最终引起功率波动的故障， 从而引发一系列柴油机及电器故障。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 第3 章故障励磁调节装置 3 1 故障励磁调节装置原理 东风7 d 型内燃机车原有的故障励磁调节装置( g l t q ) 是独立于 电子恒功励磁系统外的一套简易的励磁系统，它是在电子励磁系统 失效时，为避免机破事故仍能维持机车牵引运行的一种补救措施。 故障励磁调节器为恒定电流励磁，励磁电流由0 逐渐达到额定值， 约2 至5 秒。电路原理图如下： b 。 j；。l 6 v i r 5 口 c l = 一 z， b 6 19 r 3 【 】 b 6 。 i 、1r 4 6i = d 1 1 zl 扣。眵 l s f 一己 1f 0 2 山 1it 一1 n 菇 ! 图3 - 1 故障励磁调节器原理图 恒流源电路：由d w 2 ，w ，r 2 ，r 3 和b g l 组成。调节w 电位器， 改变b g l 射极电阻值，控制其集电极输出电流的大小。 线形电压电流变换电路：由c 2 ，d w 3 ，r 4 ，r 5 和b g 3 组成。由b g l 集电极输出的恒定电流对c 2 进行充电。u c 2 两端电压随时间按线形 规律变化。b g 3 为v m o s 场效应管。它起线形电压、电流变换作用。 d w 3 为抵消v m o s 管的阀值电压2 9 v 3 9 v 。 稳压电源及其它电路：d w l ，c 1 组成稳压电源，继电器j 的作用 是在每次用完断电时，其常闭触点把c 2 两端短路放电，为下次再用 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 作好准备，从而保证重复使用时有相同的输出特性。 3 2 东风，型内燃机车故障励磁调节装置装车电路图 在实际运用中，乘务员可根据故障提示判断电子恒功系统是否 出现故障，如发生故障，参照机务段编发的应急故障处理办法进行： 将控制手柄回到“零”位。 闭合7 a k ( 故障励磁按键) 开关，使故障励磁接触器g l c 线圈 得电，g l c 闭合。 同时，立即接通了励磁机“l ”的励磁线圈绕组电路如下： 1 牵引- i - 况时的故障励磁通路： 1 1 0 v + 一a 2 2 7 一l l c a l 2 1 3 i l a 1 2 6 一r g l ，2 7 3 5 一 h k l g 一6 8 一r g l 5 一g l t q 一6 3 a 一6 l b g l c a 1 2 3 1 z k 一1 0 0 p ( 1 1 0 v 一) 。 制动工况时的故障励磁通路： 1 1 0 v + 一a 2 2 7 一l l c a 1 2 1 3 i l r 9 1 2 7 3 1 一z k j 一6 7 a r g z 2 1 6 3 b g l c 一6 1 b a 1 2 3 1 z k 一1 0 0 p ( 1 1 0 v 一) 。 当g l c 闭合后，其反联锁切断了电子励磁回路，避免振荡励磁， 具体电路原理见图3 2 。 固尉隧蜜硼趣鹰椰器馨长耐e区婚叶n函 2 鼎：5 z17 、7j ；= ： l 。 一 kt 、f ：刊 1 * 。一) 、 潍 l 坤8 u f r = 7 、7 鼎 。； ； j i 、 r i _一 j i ： 6 武 o ；i u l - 啪 - - i ：i ；l j g 。 = ?： 嘲5 s! j一 g 黝毽纠 丐 ， a掣一专凳 默 i至 ! g = 氧“一”。“；2 嗣 ； 策= 1 ：一 ：e i og i! 们 g ： 呈! 隰 ；g ； !_ j 己 ! 、 j ： i _ ： 0=2 1 要 & i i 。 i f 二、 ： i l i ； ；t j ； - 。 二虹i 。 i 1 尹争l = 捌i 3 。屿一i l ； ； ； ：? i乖? l ? ! f 咩? ；? ：r ：? ：? 2 ； 毒 b ；k = ；k = ；k ! ；噶 ；三一；谁三。；堆j ；g i = ： s = - ! 溯i 润骺闲瓣胖； t i l 。i 12 ： ! s=0 ， i 。 = 暇罱锨 仪袋趟卦州伏蠢书巨孙k暇杈艇陋 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 3 3 恒流励磁的外特性 3 3 1 机车水阻试验外特性数据 表3 1 自然外特性数据 柴油机 0 1 4 0 机车励磁电流1 6 6 a5 2 0 3 机车励磁电流1 6 5 a 转速 主机电流主机电压功率主机电流主机电压功率 r m i n i ( a )u ( v )p ( k w ) l ( a )u ( v )p ( k w ) 3 5 0 03 0 01 0 6 02 5 0 0 3 3 0 8 2