（安全技术及工程专业论文）电传动内燃机车恒功率控制系统的研究及改进设计.pdf

a b s t r a c t t h ec o n t r o l s y s t e m o fd i e s e ll o c o m o t i v ei s o b eo ft h em o s t i m p o r t a n tp a r t o ft h ed i e s e ll o c o m o t i v e t h el o c o m o t i v e sq u a l i t y i s m o s td e t e r m i n e b y t h ec o n t r o l s y s t e m w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f r a i l w a y i n f o r m a t i o ne v o l u t i o n a n d d i g i t a l r e n o v a t i o n ，t h e c o n t r o l d e v i c eo ft h ed i e s e lm c o m o t w ea l s oh a v eag r e a td e v e l o p m e n t i no u r c o u n t r y , t h ep r i m a r y f o r mo ft h ed r i v em o d ei se l e c t r i cd r i v e t h em a i n c o n t e n to ft h i st h e s i si st h es t u d yo ft h ec o n t r o ld e v i c eo ft h ee l e c t r i c d r i v el o c o m o t i v e f i r s t ，t h i sp a p e r d i s c u s st h ef u n c t i o n o ft h ee l e c t r i cd r i v e e q u i p m e m a n di n t r o d u c e st h e p r i n c i p l e o ft h ei n v a r i a b l e p o w e r e x c i t a t i o nc o n t r o ls y s t e m t h ed i e s e ll o c o m o t i v en e e d as e to fc o m p l e x c i r c u i t sa n da i n d u s t r yc o m p u t e r t h i s c i r c u i ti n c l u d em a i n c i r c u i t ， a s s i s t a n t c i r c u i t ，e x c i t a t i o n c i r c u i t ，c o n t r o l - c i r c u i ta n d s oo n t h i st h e s i sd i s c u s st h e s ec i r c u i t sp a r t i c u l a r l y a n dm o r e ，ib r i n g f o r w a r dap r o je c tt oi m p r o v et h ec o n t r o l c i r c u i tw i t hp l c p l c i st h e a b b r e v i a t i o no fp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r p l ch a v eal o t o f v i r t u e s ，s u c ha sh i g hr e l i a b i l i t y , s t r o n ga b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g ，s t r o n g a d a p t a b i l i t y , p r o g r a m m ec o n v e n i e n c e i nt h i sy e a r s ，t h e t e c h n o l o g yo f p l ch a v eb e c o m et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n o ft h e i n d u s t y s o m e l o c o m o t i v eh a v ea l s ou s ep l ci nt h ec i r c u i t s i nt h i sp a p e r , id e v i c ea s e to fc o n t r o lc i r c u i t sw i t hp l ca n dw r i t ec o r r e s p o n d i n ga p p l i c a t i o n a st h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dn e t w o r k t e c h n o l o g y , m o s td e v e l o p e dc o u n t r y s l o c o m o t i v ea r e e q u i p p e db y c o m p u t e r a n dn e t w o r k t h ed i r e c t i o no ft h el o c o m o t i v ei n d u s t r yi nt h e w o r l di sd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e rs t u d yt h ed i s t r i b u t e d n 北京交通大学硕士学位论文 c o n t r o l s y s t e mp a r t i c u l a r l y i n t h e f u t u r e ，t h e m a i n s t r e a m o fo u r c o u n t r y sl o c o m o t i v e c o n t r o ld e v i c em u s tb ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d ：d i e s e ll o c o m o t i v e ；i n v a r i a b l ep o w e re x c i t a t i o n ； l o c o m o t i v ec i r c u i t s ；p l c ；d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m i i i 北京交通大学硕士学位论文 i v 第一章绪论 第一章绪论 最近几年，随着国内外内燃机车车载微机控制系统的发展，在 我国，各种形式的内燃机车微机控制系统也得到了不同程度的应用 和发展，尤其装于d f l l 型和d f 8 b 型内燃机车上的微机控制系统， 已实现了牵引恒功、电阻制动、空转滑行控制、对柴油机及电气设 备等的保护和故障显示，但与国外车载微机相比还有相当大的差距， 还远远不能满足“客运高速，货运重载 的发展要求；满足不了国 际市场对先进内燃机车的需要。 我国内燃机车微机控制装置应用领域比较狭窄，在完成机车主 要控制功能方面，主要是利用数控技术代替模拟技术，克服模拟电 路的一些缺点。微机对机车性能及列车总体控制的整体优势并未得 到充分发挥。 另外，我国的机车电路采用的还是几十年前的技术，电路中大 量应用的是继电器。继电器在工业自动化领域的应用非常的广泛。 但是，它的缺点却是不可回避的，例如，可靠性低、抗干扰能力弱、 适应性差，应用不灵活、系统扩展困难等。在工业控制领域，继电 器的最好的替代者是p l c ，又称可编程逻辑控制器。可编程逻辑控 制器很好的克服了传统继电器的缺点，自问世以来，以其优良的性 能，在工业控制领域得到了极为迅猛的发展。目前，p l c 在其他工 业现场应用的非常广泛，但是还鲜见在机车领域的应用。 把p l c 技术应用在内燃机车的控制系统上，对内燃机车的控制 电路进行改进，改良机车的性能，提高机车控制系统的可靠性，这 方面的尝试已有进行，事实证明效果相当好。 随着人类社会进入信息时代，计算机技术和网络技术的迅猛发 展发展已经改变了人们的工作和生活。计算机网络迅速波及到社会 生活的各个角落，铁路运输业也不例外，欧美机车车辆行业的各大 制造厂商也纷纷把计算机网络技术应用在自己的产品上，发展了各 北京交通大学硕士学位论文 自的列车控制网络，并得到了广泛的应用。网络成为了列车控制系 统的一个完美的解决方案。 1 1 国内外机车控制技术的比较 1 1 1 国外机车控制技术的发展 7 0 年代末至8 0 年代初，车载微机的雏形分别在西门子公司和 b b c 公司出现。由于车载微机控制系统在解决机车优化操纵、节能 运行、技术诊断、检测显示、故障保护、遥控和多功能控制等一一 列实际问题上发挥了重大的作用，使内燃机车的可靠性、安全性和 经济性大大提高，使大力发展和大量推广交流传动内燃机车成为可 能。可以说，是否装备微机系统已成为内燃机车现代化的重要标志。 德国s i e m e n s 公司的s i b a s 一1 6 微机控制系统，此系统在1 9 8 3 年一经问世，就可以满足并覆盖了机车几乎所有的控制和监控要求， 通过对驱动控制装置软、硬件的不同组合，即可方便的形成内燃机 车交直流传动、交流传动和液力传动控制系统。进入9 0 年代后，又 推出了新的s i b a s 一3 2 车载微机控制系统。 美国g e 公司采用3 2 位微机系统，研制成功a c 6 0 0 0 交流传动 内燃机车，该型机车的控制系统通过加强诊断、维修，提高列车编 组内部及其与地面的通信能力，不仅使机车的运用可靠性和完好率 得以提高，而且可使列车在适应线路条件和机车列车状态得情况下， 以最佳运营方式正点运行。 美国g m 公司和s i e m e n s 公司在s d 6 0 m a c 、s d 7 0 m a c 交流 传动内燃机车通力合作，使装有自行开发的e m 2 0 0 0 主控微机和 s i b a s - - 16 的s d 7 0 m a c 重载交流传动内燃机车保持世界领先水平。 瑞士a b b 公司的m i c a s 微机控制系统于8 0 年代末进行了升级 换代，新的m i c a s - - 3 2 分布式控制系统予1 9 9 2 年成功地装于瑞士 铁路的机车上。 2 第一章序论 铁路的机车上。 法国a l s t h o m 公司为加强牵引控制设备处理能力和信息交换 能力，大力发展车载微电子设备，o n i x 牵引系统已广泛应用于新型 机车上，a g a t e 控制器已成功用于电力与内燃机车上，实现了t g v 等机车的第二代微机控制系统的更新【2 4 1 。 世界上这几种最先进的车载微机控制系统，都在满足现代机车、 动车控制要求的同时，综合考虑了未来机车的发展。 它们的共同特点是： ( 1 ) 结构模块化：微机控制系统由完成不同功能的基本模块灵 活构成。 ( 2 ) 车载微机系统向上兼容：利用微电子技术的最新技术成果， 使应用性能、产品功能、技术水平和档次不断升级，可靠性和经济 性进一步增强。 ( 3 ) 运用网络技术：采用某种协议的串行网络，实现高级数据 处理能力、多处理器控制、故障冗余、设备服务和诊断等功能。 ( 4 ) 采用国际标准的标准化设计。 1 1 2 国内机车控制技术的现状及差距 微机控制技术在我国机车车辆行业的运用已经有了十多年的时 间，但是目前仍然处于研究和应用阶段。最初，不同的生产厂家开 发出了不同的控制系统，分别应用在d f 4 、d f 5 、d f 7 等机车上。这 些系统大多主要完成机车的恒功率控制功能，采用单片机实现，在 设计功能上有较强的针对性，由于受到单片机运行速度、扩展能力 以及开发方面的限制，已经难以实现大量功能的扩展； d f 6 机车的控制系统为美国g e 公司开发研制的，系统以 i n t e l 8 0 c 1 8 6 芯片为控制器，采用f e 总线，能够完成恒功率控制、 大量数据采集、故障诊断、系统管理等功能，能够完成较大的任务 量，同时系统提供了r s 2 3 2 串行接口，便于系统的局部扩展。继 3 北京交通大学硕士学位论文 d f 6 之后，大连所、株洲所和戚墅堰工厂又联合公共，成功地开发 了d f l l 准高速内燃机车，该微机系统也采用i n t e l 8 0 c 1 8 6 微处理 器，软件设计包括：励磁给定、状态控制、故障处理、自试验控制 和显示控制等模板、机车具有牵引恒功、电阻制动恒流、粘着控制、 机电系统保护、运行参数和故障显示与存储、以及自负荷和自试验 检查等六大功能1 2 4 1 。 综上所述，我国内燃机车应用微机控制技术已有了良好地开端。 但从总体上看，尚处于初级阶段，与国外先进车载微机控制系统相 比，还有很大的差距，主要表现在： ( 1 )由于机车某些控制单元开发技术难度较大，尚未全面进入 实用化造成装车用微机系统应用领域较窄，与国外已实现全数字控 制有相当大的差距； ( 2 )没有明确一个比较实用、可靠和高效的微机串行网络总线 协议，车载微机控制系统进一步发展面临问题； ( 3 )与国外先进车载微机系统相比，在采用最新微电子产品， 提高功能，减少体积，增强可靠性方面有很大差距，还没有一个完 整的、系统的、模块化的、可靠的硬件系统，产品技术档次低； ( 4 )对微机系统软、硬件可靠性方面的研究尚不深入，加上目 前微机控制系统功能少，微机系统应用的整体优势尚未充分发挥。 1 2 机车控制技术的发展趋势 随着牵引动力的交流化和列车运行速的的提高，机车和列车上 采用微机实现智能化控制的部件或装置也越来越多。各微机系统间 的协调和信息交换显的越来越重要，因此在微机系统间就需要进行 通信。特别是对动力分散的动车组，为提高旅客列车的舒适度，各 种辅助装置的控制和服务装置的控制都必须纳入到这个微机控制系 统中来【2 3 1 。列车的微机控制系统从本质上来说应该属于一种分布式 计算机控制系统。从结构上来看它应该是也必须是一个分布层的结 4 第一章序论 构。 随着强有力的微处理器的出现和控制网络的广泛应用，列车控 制的模型也出现了新的方向。这个模型应该是将控制单元和网络有 机地结合在一起地层次模型。这个结构模型包括三层：列车层，功 能层和设备层坦1 1 。 列车层地主要作用是决策。其最根本的目标是控制列车运行的 状态，列车控制层还是一个信息的接口层，是列车和周围信息环境 的接口。由于列车层的作用可以使操作者在操作时，只需发出一些 简单的命令，而不必知道命令由谁来执行，从控制系统的这种透明 性要求出发，列车层应该是一个本质意义上的分布式控制系统。 功能层的主要任务是根据列车层给出的命令对各功能子系统进 行调控，在各个功能级上( 如牵引控制、制动控制等) 保证运行要 求的实现。功能层是处在列车层和设备层之间的中间层次。因此功 能层的网络必须起传输各类数据的作用。包括变量的传输、消息数 据的传输和管理数据的传输。 设备层的设备是指那些直接面向现场完成i o 处理或者是能实 现直接数字控制的智能话装置。设备层的主要功能为将现场的各种 过程变量实现数字化转换并将这些变量送往功能层的响应的控制子 系统，在某些场合下设备也能完成一些局部的单一自动控制。把设 备连网是由现场总线技术的发展和广泛应用的结果乜。 1 3 本文内容 内燃机车的控制系统最主要的功能是恒功率励磁控制。内燃机 车根据采用的调节器的不同，分为液力调节恒功率励磁系统、电子 恒功率励磁系统和微机控制的恒功率励磁系统。微机控制的恒功率 励磁系统是在微型计算机出现后发展起来了，最初的作用也仅仅是 完成恒功率控制功能。后来，随着计算机技术和网络技术的发展， 微机控制的功能范围已远远超出人们最初地想象，在机车上采用微 5 北京交通大学硕士学位论文 机系统往往已不仅限于恒功率控制。 本文详细讨论了d f 。型电传动内燃机车的恒功率励磁控制系统 的工作原理，并且详细研究了d f ，型内燃机车的电路系统，尤其是 对控制电路的原理做了详细的研究，在此基础上，用p l c ( 可编程逻 辑控制器) 对原有的控制电路进行了改造，论文的主要内容之一就是 把用p l c 代替机车原有的继电器电路系统，从而达到简化电路，提 高可靠性的作用。继而对现在机车上应用的微机控制系统进行了分 析，特别是对现在的主力机型d f 。，内燃机车的微机系统做了深入的 研究。本人参考了大量的文献，在对比分析国内外先进车载微机控 制系统的基础上设计了符合未来发展趋势的分布式内燃机车控制系 统。可以预见，未来的机车控制系统必定是分布式的，各个控制单 元相对独立，并且通过网络连接在一起。而p l c 的技术已经实现了 网络化，把p l c 应用在机车上是必然的。 6 第二章d f l l 型内燃机车的电传动系统 第二章d f 型内燃机车的电传动系统 d f 。型内燃机车是交一直流电传动内燃机车。它的动力源是一台 1 6 v 2 8 0 z j a 型柴油机，柴油机驱动一台同步主发电机，型号为 j f 2 4 0 c b 7 。从柴油机到动轮之间有一整套机械能一电能一机械能的 变换和传递装置，我们称之为电力传动系统。它的任务是使柴油机 工作特性适合于机车特性的要求。 2 1 d f 型机车电传动装置的作用 2 1 1 柴油机特性与机车特性 对于机车而言，要求是在运行时能充分利用其动力装置的额定 功率，即要求机车牵引力与运行速度的乘积接近于柴油机输出的牵 引功率减去辅助功率，表达式为： ( c u r ) 刀= 石f v ( 式2 1 ) j o 式中2 m 柴油机功率( k w ) ； ，一机车辅助功率( k w ) ； 卜机车牵引力( k n ) ； ，- 一机车速度( k i n h ) ； 刀传动装置效率。 按照式2 1 可以绘制出内燃机车的理想的牵引特性，如图2 1 所 示。在理想牵引特性曲线内，大部分区段牵引力f 与速度y 呈等边 双曲线关系，即，矿= 常数。由图可见，当机车按照理想牵引特性 运行时，柴油机功率在机车主要的运行速度范围内都能保持恒定。 7 北京交通大学硕士学位论文 f f 。 0毓h妖v 图2 1内燃机车的理想牵引特性曲线和对应的柴油机功率曲线 实际上，机车最大速度v m 腿受牵引电动机结构和机车结构速度 的限制，恒功率的最大速度则受牵引电动机换向等条件的限制。机 车最大牵引力r 觚受机车动轮与钢轨之间粘着力的限制和电机升温 等的限制。因此，这个等边双曲线是在一定的范围内的，而不能无 限制的延伸下去。 对于柴油机而言，其转矩随着每循环给油量的增加而增加。当 每循环给油量一定时，柴油机转矩不随转速的改变而改变，或者说， 当柴油机的转速改变时，它的转矩变化很小，其转矩特性如果2 2 中的m 曲线所示。因此，柴油机的功率基本上与转速成正比，柴 油机转速增加，其功率加大，见图2 2 中曲线所示。因此，柴油 机只有在额定转速的情况下，才有可能发出额定功率。 由机车特性和柴油机特性可以看出两者之间有很多不能直接匹 配的地方1 3 4 j ： 8 第二章d f l l 型内燃机车的电传动系统 n 0，b血刀m门 图2 2 柴油机转矩特性和功率特性 1 柴油机转速的变化，有最低工作转速编；。和最高工作转速。 当转速低于；。时，柴油机便会熄火，停止工作；当转速高于，时， 容易造成柴油机的机械损坏。由此可见，柴油机转速变化范围非常 窄。而对于机车来说，应该具有宽广的速度变化范围，它的最低速 度为“0 ，最高速度可达，m 叛。因此，柴油机转速n 与机车速度1 ， 二者的工作情况是不相同的。 2 柴油机曲轴输出的转矩m ，只与柴油机每循环的供油量有关， 当供油量不变时( 柴油机高压油泵齿条的位置不变) ，柴油机转矩m 不随转速咒变化；而机车牵引力，与机车速度y 成反比的变化。可 见，以上两者有本质的区别，不能直接对应。 3 柴油机输出的功率随转速n 的增长而降低，而机车功率p 与机车运行速度y 没有固定的关系，由此可见，柴油机功率与转 速以之间的关系和机车功率p 与速度y 的关系有本质的差别。 4 柴油机要无负荷起动；而机车要在牵引大量列车的情况下起 动。 5 柴油机只能单一方向旋转，而机车要能够前、后两个方向运 9 北京交通大学硕士学位论文 行。 6 机车运行中，在输出功率不变的情况下，受线路的影响，机 车速度y 在很大的范围内，随时变化；而柴油机转速n 却不能有很 大的变化。外界条件不断的影响机车速度，但是却不能影响到柴油 机的转速。 综上所述，柴油机工作特性与机车工作特性之间存在很大的矛 盾。而电传动机车的传动装置就是要解决这个矛盾。 对传动装置的要求一般可概况如下f 3 8 】： ( 1 )当机车运行在需要柴油机发挥额定功率情况时，传动装置 应使机车在尽可能大的速度范围内保持柴油机额定功率不变，以充 分利用柴油机的功率；当机车仅需部分功率运行时，传动装置应使 柴油机按其经济特性恒功率运行。 ( 2 )传动装置应保证柴油机在无负载情况下启动。 ( 3 )机车启动平稳，传动装置应保持有足够大的牵引力，使机 车启动加速快，同时应该保证机车启动过程平稳无冲击。 ( 4 )电力传动装置应该具有较高的效率瞳3 。 2 1 2 d f 型内燃机车电力传动装置的主要作用 为解决上述柴油机与机车之间的诸多问题，d f l l 型内燃机车采 用了一套交一直流电力传动装置。这套传动装置的主要功能有以下 几个方面： 1 牵引驱动 将机车柴油机曲轴输出的机械能传递给轮对，驱动机车运行， 并使机车具有理想的牵引特性。机车牵引力和运行速度都有一个比 较宽广的变化范围，并且在较大的速度范围内，柴油机始终在额定 工况下运行，即柴油机的功率能够得到充分发挥和利用。此外，机 车应具有足够高的起动牵引力。 2 电阻制动 第二章d f l l 型内燃机车的电传动系统 利用直流电机的可逆转性原理，在电阻制动工况，将直流串励 牵引电动机改为直流他励发电机，通过轮对将列车的动能转变为电 能，消耗在制动电阻上，再以热能的形式散到大气中。在这个过程 中，牵引电动机轴上产生的反转矩作用于机车动轮，产生制动力。 转动装置必须能够保证机车电阻制动的实施和满足电阻制动性能的 要求。 3 辅助传动 驱动机车辅助装置工作，实现柴油机起动、辅助机组工作，向 蓄电池充电，向机车照明、取暖等供电。 4 操纵控制 按照工作程序的要求，完成有关电器件的动作，以保证柴油机 在无负载情况下起动和进行转速调节；保证机车能正常牵引、制动 工况的转换；前进、后退方向的转换；以及操纵机车正常运行。 5 监视保护 使司乘人员能正确了解机车各部分的工作状态、显示一些必要 的参数。当机车某部出现故障时，能自动显示或采取有效的措施， 以尽量维持机车运行和避免事故的扩大【3 8 1 。 2 2 d f 型机车励磁控制系统原理 2 2 1 恒功率调节系统 恒功率调节的主要任务是，在机车运行中，司机控制器主手柄 不变，柴油机在一定转速下，随列车运行阻力不断变化，使同步主 发电机输出电流、电压能满足恒功率的要求，充分利用柴油机功率。 d f 匾功率调节可分为以下两种工况： 1 联合调节器油压马达电阻单独工作； 2 微机控制系统工作。 柴油机的最大运用功率与同步主发电机经硅整流柜输出的电功 北京交通大学硕士学位论文 率之间的关系，可用下式表示： 名= l o o o ( n 。一n a ) 叩，叩：= u f 。i f ( 式2 2 ) 式中： p 厂牵引发电机直流测的功率( w ) ； c 一柴油机有效功率( k w ) ； 坛- 一由柴油机所驱动的辅助设备所消耗的功率( k w ) ； 刀厂4 引发电机的效率； 刁广一硅整流柜的效率； ( ，厂整流后的牵引发电机电压( v ) ； ，厂整流后的牵引发电机电流( a ) 。 机车辅助功率主要由牵引电动机通风机、冷却风扇、空气压 缩机和机车辅助设备用电等组成，一般与列车运行情况无关，当柴 油机转速一定时，最大辅助功率可近似认为是常数，7 7 f 和刀。的变 化也很小，可以认为是不变的。 从公式2 2 看出，要保持柴油机额定功率e 不变，当机车辅助 功率疗一定时，同步主发电机经主硅整流柜输出的功率斥应接近 一匾定值，即其外特性应是等边双曲线。 第二章d f l l 型内燃机车的电传动系统 图2 3 牵引发电机的恒功率外特性曲线 因为同步主发电机和硅整流柜都有最高电压值和最高电流值的 限制，因此同步主发电机的理想外特性就不是无限延伸的双曲线， 而是如图2 3 的a b c d e 所示。 同步主发电机经主硅整流柜输出电流的大小，取决于列车的运 行阻力，同步主发电机经整流后输出的电压的大小与电机转速以及 励磁磁通成正比。在固定转速时，唯一可以进行调节的就是同步主 发电机的励磁磁通o f l , 而磁通d f l 取决于励磁电流i r l 。因此，同步 主发电机实现恒功率特征的调节，实质是对其励磁电流的调节。 为了得到同步牵引发电机的理想外特性，必须使励磁电流随着 负载电流的变化而变化。图2 5 是根据牵引发电机的外特性( 图2 4 ) 而做出的当牵引发电机的调整特性。 i i p ai 兔i 两i 融i f 图2 4 牵引发电机的外特性 i 孔l i l ；l 2 i m i i mt p ci v t , i 如 图2 5 牵引发电机的调整特性 当柴油机的输出功率等于负载的总功率时，柴油机平衡在一定 的转速下工作。一旦出现扰动，负载发生变化时，机组原来的平衡 遭到破坏，负载阻力矩与柴油机的输出转矩失去平衡。这一现象首 先反映在机组转速的变化上。通过测量机构测出这一变化，再通过 放大机构机构并由执行机构使同步主发电机的励磁电路产生作用， 使负载的总功率恢复原位。此时，柴油机的转速保持不变，即柴油 1 3 北京交通大学硕士学位论文 机的功率恒定不变。 2 2 2 恒功率励磁控制系统的基本工作原理 使牵引发电机按照理想外特性运行的励磁控制系统称为恒功率 励磁控制系统。从自动调节原理的角度来分析，这些控制系统均属 于闭环控制系统【3 3 】。 任何闭环系统均是基于“检测偏差，纠正偏差”的原理工作的。 典型的恒功率励磁系统如下面两图所示。 图2 6 控制柴油机输出功率恒定的励磁系统 给定信号单元：由它发出机车各手柄位时的功率给定信号g ，从而 给出了各手柄位时柴油机或牵引发电机的功率值。 检测单元：由它检测牵引发电机输出的实际功率。检测单元输出的 检测信j 与牵引发电机实际输出功率成正比。 比较环节：它的作用是将功率检测信号j 与功率给定信号g 进行比 较，得出偏差信号p f 送往调节器。 调节器：它有多种类型，通常这一元件的性能与整个励磁系统的动、 静态指标有很大关系。常用的有比例放大器、积分器、比例积分器 等。 励磁调节：用来调节牵引发电机励磁电流的装置，所以又称励磁调 节装置。 被调对象：在d f l l 内燃机车恒功率励磁系统中，被调对象是柴油机。 1 4 第二章d f l l 型内燃机车的电传动系统 柴油机功率的调节是通过调节牵引发电机功率来达到的，因此只需 要把牵引发电机看作被调对象。 2 3d f 型内燃机车速度的调节 对电传动内燃机车而言，对机车运行速度的调节，实际上就是 对牵引电动机转速进行调节。而调节的任务就是使牵引电动机在给 定的同步主发电机恒功率曲线上运行，并且尽量扩大机车恒功率的 速度范围，充分利用柴油机功率【3 7 1 。 2 3 1 牵引电动机的调速方法 直流牵引电动机的转速特性，可用下式表示： n d - 堕龛溲 ( 式2 3 ) 乙p 。伊d 式中： ( ，d - 牵引电动机端电压( v ) ； ，d q 引电动机负载电流( a ) ； 肛_ 聿引电动机内电阻( q ) ； c 。一电机的电势常数； 纺_ 引电动机每极励磁磁通( w b ) 。 从式2 3 可以看出，由于牵引电动机是串励的，负载电流易不 变时，励磁磁通励也保持不变，此时，牵引电动机的转速l i d 与端电 压近似成正比。 牵引电动机的转速n o 与u n 、孙i n 三个变量有关。其中电动机 负载电流如是随负载力矩而变化的，即决定于运行阻力的大小。因 此，改变胁只有改变u n 和励来实现。 1 改变牵引电动机端电压 对于串励牵引电动机，当负载电流而不变时，励磁磁通也保持 1 5 北京交通大学硕士学位论文 不变。此时牵引电动机的转速t d 与端电压成正比。d f l l 型内燃 机车的六台牵引电动机是并联的，同步主发电机经主整流柜的输出 电压，直接加在牵引电动机上。机车上同时采用改变同步主发电机 的转速和励磁电流来改变输出电压，从而改变加于牵引电动机上的 电压。同步主发电机转速的改变是经改变司控器主手柄位置，使柴 油机转速发生变化，同时改变同步主发电机的转速，而柴油机转速 一定的情况下，励磁电流的改变是通过恒功率调节系统的整定来实 现的。 2 改变牵引电动机的励磁磁通励 由于依靠提高来提高机车速度，受到同步主发电机最高电压 的限制，因此，应采用磁场削弱的方法来进一步提高机车的速度。 这种调速方法称为牵引电动机的磁场削弱。在d f l l 型内燃机车上， 是通过在励磁绕组两端并联电阻，使原来励磁绕组电流减小来实现 磁场削弱的。 2 3 2 o f 型内燃机车磁场削弱情况 d f l l 型内燃机车采用牵引电动机磁场一级削弱的办法克服同步 主发电机电压限制，充分利用柴油机功率，扩大机车恒功率的速度 范围，其励磁率为5 4 。 如图2 7 ，左图是磁场削弱之前的状态，由于x c 没有闭合，此 时，1 r x 不起作用，流过牵引电动机电枢绕组的电流全部流入电机 励磁绕组，称“全磁场”工况。右图是x c 闭合，1 r x 中电流对励 磁绕组中的励磁电流起分流作用，称“磁场削弱 工况。 1 6 第二章d f l l 型内燃机车的电传动系统 d 图2 7 牵引电动机磁场削弱 d 由于磁场削弱前后同步主发电机均在恒功率曲线上工作，所以 牵引电动机削弱前后的功率和转矩都是不变的。此时，如果机车运 行的阻力不变，机车速度仍可继续提高。随着机车速度的提高，主 硅整流柜电流将再度沿削弱磁场曲线减小，电压随之升高，功率保 持不变，即重复运用了同步主发电机恒功率特性。可见，对牵引电 动机进行磁场削弱，不但可提高机车速度，而且加宽了充分利用柴 油机最大功率的速度范围。 1 7 北京交通大学硕士学位论文 第三章d f ，型内燃机车电气线路 电力传动装置的各项功能是通过一定形式的电路驱动各种电气 设备得以实现的。d f 。型内燃机车电气线路分为：主电路、辅助电路、 励磁电路、控制电路、计算机接口电路、显示电路、照明电路、行 车安全设备接口电路。其中，又以主电路、辅助电路、励磁电路和 控制电路最为重要，它们性能的好坏直接影响到机车的运行。下面 分述之， 3 6 。 3 1主电路 主电路将产生机车牵引力和制动力的各种电气设备连成一个系 统，实现机车的功率传输。主电路是电传动机车最重要的组成部分 之一，它不但决定电传动机车的类型，而且在很大程度上决定该型 机车的基本特性。 d f 主电路主要包括l 台同步发电机f ，6 台直流牵引电动机1 d 一- 6 d ，1 台主硅整流装置i z l ，机车牵引和制动时，用于接通6 台直流 牵引电动机电路的电空接触器1 c , - 一6 c ，接通电阻制动励磁回路的电 空接触器z c ，接通二级电阻制动回路的电空接触器1 r z c , - 6 r z c ，用 于改变机车运行方向的转换开关h k f ，用于机车牵引和电阻制动工况 转换的转换开关h k g ，用于调节机车运行速度的磁场削弱电阻1 r x 、 2 r x 和组合接触器x c ，供机车进行电阻制动用的制动电阻柜1 r g 、2 r g 及其散热用的2 台通风机1 r g d 、2 r g d ，用于机车自负荷试验的开关 z f k ，检测电枢回路电流和电阻制动励磁电流的电流传感器1 l h 7 l h ，检测主发电机输出电流的交流电流互感器9 l h ，i o l h ，电阻制 动失风保护继电器f s j ，供移车用的外接电源插座y c z ，以及其他检 测和保护用仪器、元器件。详细电路图可参阅相关资料。 主电路的工作分为牵引工况、电阻制动工况、自符合试验工况。 1 8 第三章d f l l 型内燃机车电气线路 3 1 1 牵引工况 柴油机驱动同步主发电机发出三相交流电，经过主整流柜1 z l 整流后变为直流。6 台直流牵引电动机1 d - - 6 d 并联在主整流柜输出 的两端，通过6 个电空接触器1 c - 6 c 的闭合，接通各直流牵引电 动机电路，电动机驱动轮对转动，机车开始运行。方向转换开关h k f 用来改变流过6 台直流牵引电动机励磁绕组的电流方向，使直流牵 引电动机改变转向，从而改变机车的运行方向。 为了扩大机车恒功运行范围，直流牵引电动机可进行一级磁场 削弱。 图3 1 是一个牵引电动机励磁及磁场削弱电路： c z k f 图3 1 牵引电动机励磁及磁场削弱电路 1 9 北京交通大学硕士学位论文 3 1 2 电阻制动工况 电阻制动工况时，电路通过工况转换开关h k g ，使直流牵引电动 机1 d , - - 一6 d 改接成他励发电机，并将1 d - - 6 d 的励磁绕组全部串励起 来，由同步主发电机f 经主硅整流柜1 z l 供电，其电路由电空接触 器z c 接通。 为了在机车低速运行时有较大的制动力，以便达到更好的制动 效果，机车采用二级制动。 当直流牵引电动机1 d - 6 d 转为他励发电机工作时，将列车的动 能转变为电能，并由两台通风机将热能吹散到大气中去。与此同时， 电动机电枢上所产生的电磁转矩作用于机车动轮，产生制动力。 3 1 3 自符合试验工况 自负荷试验工况时，1 c - - 6 c 断开，同步发电机发出的三相交流 电经1 z l 整流后直接向制动电阻1 r z - - 6 r z 及牵引电动机1 d - - 6 d 励 磁绕组供电，将电能转换为热能，再将热能吹散到大气中去。自负 荷试验电路简化了机车的负载试验过程。 3 1 4 主电路保护电路 主电路中保护电路有接地保护、主电路过电流保护、制动电阻 失风保护。接地保护的作用是避免在机车运行时发生不同电位的两 点同时接地而产生很大的短路电流烧毁电路；主电流过电流保护的 作用是防止主电路电路，主硅整流柜元件击穿或牵引电动机环火等 故障时，引起主发电机电流过大而造成事故；当机车电阻制动和自 负荷试验时，制动电阻产生的热量是通过两台风机向空气中散发， 一旦风机发生故障，不能顺利排风，则要烧毁制动电阻带，制动电 阻失风保护的功能就是当风机故障时切断电机励磁接触器线圈电 源。 第三章d f l l 型内燃机车电气线路 3 2辅助电路 辅助电路将机车上的各种辅助电气设备和辅助电源连成一个系 统，成为保证机车正常运转不可缺少的电气装置。机车上的这些辅 助电气设备包括：通风机、空气压缩机和油泵等的拖动电机、启动 与辅助发电机、照明设备等。 内燃机车除了需向牵引电动机供电外，还需提供必要的辅助设 备用电。d f 。型内燃机车在柴油机起动前，辅助用电和起动柴油机用 电由蓄电池提供，柴油机起动后，当起动发电机端电压比蓄电池组 电压高时，起动发电机就向蓄电池组充电。与此同时，所有控制及 辅助电路均由直流起动发电机供电。 空压机控制电路分“自动”和“手动 两种。自动时，当总风 缸压力不足7 5 0 k p a 时，空压机开始正常工作，当总风缸压力达到 9 0 0 k p a 时，空压机停止工作。手动时，是否充风受空压机开关的控 制。 在柴油机起动以前，如果冷却水和机油的温度低于2 0 摄氏度时， 则使用预热锅炉对油、水进行加热。 其他还有空调、照明、喇叭、撒沙等电路。 3 3励磁电路 d f l l 是交一直传动的内燃机车，在交一直传动中，励磁电路是 指内燃机车上保证柴油机发电机组恒功率运行的励磁调节系统，它 包括牵引发电机的励磁回路及恒功率励磁调节回路等。其作用是尽 可能扩大牵引电机的恒功率范围，使机车在宽广的的速度范围内都 能充分发挥柴油机的功率，获得良好的经济运行特性，满足内燃机 车牵引性能的要求。 在d f l l 型机车中，同步主发电机的励磁是由励磁机发出的三相 交流电经励磁整流柜整流后供给的。此型机车采用了两种励磁方式： 2 1 北京交通大学硕士学位论文 励磁一：微机控制系统 它通过多种电流、电压、转速、温度、压力等传感器、继电器、 仪器，实现机车各种工况的励磁控制、保护、故障显示及诊断功能。 励磁二：柴油机联合调节器自动调节油压马达驱动的调整电阻， 改变测速发电机的励磁，从而改变励磁机的励磁以满足机车牵引工 况和自负荷工况的基本要求。 3 4d f 型机车控制电路 控制电路将控制主电路和辅助电路各电气设备的控制电器、信 号装置和控制电源连成一个电气系统，实现对机车的操纵和控制。 司机通过控制电路的作用，可以控制主电路和辅助电路的各种电器 按照一定的顺序动作，从而使机车按照司机的操作意图运行。 d f ，。型机车控制电路主要由供电电路、机车控制电路和机车保护 电路三部分组成。 3 4 1 供电电路 控制电路由直流起动发电机供电，当起动发电机未工作时，由 机车蓄电池组供电。当柴油机开始工作后，由起动发电机供电。 3 4 2 控制电路 机车控制电路包括柴油机起动电路、空压机控制电路、柴油机 调速及停机电路、机车起动电路、机车调速控制电路、电阻制动控 制电路。 1 柴油机起动电路 柴油机起动分为起动机油泵电机控制电路、甩车电路、燃油泵 电机控制电路、柴油机起动电路。 长期停放的机车，由于柴油机停转时间较长，各运动部位的油 第三章d f l l 型内燃机车电气线路 膜已破坏，故起动柴油机前应先起动机油泵，向柴油机各润滑部位 输送机油，以防止柴油机轴承烧损。 柴油机停转时间较长时，可能会有大量机油渗入气缸内，如果 气缸壁有破裂，还会有大量的冷却水渗入，因此起动前应甩车，将 气缸内油水凝结物从示功阀口排除。 闭合燃油泵开关，当燃油泵出口压力达到3 5 0 k p a 时，为柴油机 起动做好准备。此时，可起动柴油机。而由于柴油机起动时蓄电池 能量消耗很大，为了保护蓄电池不致损坏，起动时间不能超过4 5 秒。 柴油机起动完成后，闭合辅助发电开关，接触器f l c 吸合动作， 接通起动发电机他励绕组电源，起动发电机开始发电，当发电机进 入正常发电工况后，空压机电机就可以投入工作。 2 柴油机的调速及停机电路 d f 。型内燃机车采用新型的有档无级调速系统。该系统由司机控 制器k z 、有档无级调速驱动装置w t q 和步进电机b j d 三部分组成。 要使柴油机停机，只要断开燃油泵开关，使接触器r b c 和d l s 线圈 失电，柴油机即停止工作，若遇紧急情况，可按联合调节器侧的紧 急停车按钮，柴油机立即停止工作。 3 机车起动电路 机车起动时，接通了励磁机励磁l l c 线圈电路，l l c 常开触头闭 合，接通励磁机励磁回路，同时l l c 常开触头接通了1 c , - 、一6 c 电空阀 线圈，1 c - - - , 6 c 主触头闭合，接通1 d , - - - , 6 d 电枢回路。 4 机车调速电路 内燃机车的速度主要决定于柴油机输出功率和负载的大小。每 一转速都有一对应的经济运行功率，机车应充分利用这一经济功率。 即柴油机在某一转速下，机车速度应当是自动调节的，以达到充分 利用柴油机功率，做到经济合理。d f 。型机车有两个速度调节措施。 一是提高司机控制器主手柄档位，即提高柴油机转速，增加柴油机 输出功率，若负载不变，即可提高机车运行速度；二是削弱牵引电 动机磁场，提高牵引电动机转速，即提高机车恒功速度，达到扩大 北京交通大学硕士学位论文 恒功率运用范围，充分利用功率。 5 电阻制动控制电路 电阻制动是利用直流电机的可逆原理。机车施行电阻制动时， 首先通过工况转换开关使牵引电动机由串励电动机转为他励发电机 工况，将列车的动能变为电能，再将此电能供给制动电阻及其通风 机电动机，最后由通风机将制动电阻产生的热能散播到空气中。 3 4 3 机车保护电路 机车保护电路包括柴油机机油压力保护、柴油机油水温度保护、 柴油机曲轴箱防爆保护、柴油机超速保护、电阻制动和空气制动联 锁保护、空气滤清器压差保护和电气保护。 1 油压保护 为了保护柴油机主轴承及增压器等不被烧损，要求机油系统有 一定的压力，并在不同的柴油机负荷范围内应有不同的压力。d f 。 型机车设有油压继电器停机、卸载保护及传感器检测保护两套独立 的保护电路。 2 柴油机油水温度保护 为了保证柴油机正常工作，柴油机冷却水温不能过高，当高温 水出口温度超过8 8 摄氏度时，则降低励磁机励磁的电流，将主发功 率降至7 0 。 3 柴油机曲轴箱防爆保护 如果柴油机曲轴箱内进入过多的燃气，使得曲轴箱内压力过高， 有可能导致曲轴箱爆炸。为防止此类事故，d f 。型机车上装有曲轴箱 防爆装置c s j ，即差示压力继电器，当曲轴箱内油雾压力达到0 6 k p a 时，c s j 常开触头闭合，柴油机停机。 4 柴油机超速保护 为了防止柴油机发生飞车事故，d f 。；型机车设有超速保护装置。 微机通过柴油机转速传感器l e g 检测柴油机转速，当柴油机转速为 第三章d f l l 型内燃机车电气线路 l1 2 0 11 4 0 r m i n 时，强迫柴油机停机。 5 电阻制动和空气制动联锁保护电路 当机车处于电阻制动时，与电空接触器z c 线圈并联的制动联锁 电空阀z l f 线圈得电吸合，切除机车空气制动系统制动作用，以防 止擦伤机车动轮和轨道。 机车处于电阻制动工况时，若施行紧急制动，机车制动管压力 上