（机械电子工程专业论文）内燃机车主整流柜均流信息检测及管理系统.pdf

摘要y7 4 1 8 0 9 摘要 近几年来，机车大功率整流管的均流检测问题一直受到关注，而 现今的方法仍停留在对整流管的静态测量上。该方法虽然能够检测出 整流管参数的变化，但在实际的机车运行中，不能实时掌握整流管的 均流信息，不能预防事故的发生。本课题根据机务段实际需要，针对 内燃机车主整流柜整流管均流信息的实时检测问题进行了分析和研 究，提出了一种实时检测均流信息的方案，并对整流管均流故障报警 做了初步探讨。 本系统由车载均流检测仪和地面数据管理系统组成。车载均流检 测仪完成均流信息的采集，随车实时采集整流管的均流信息并进行记 录；一次采集完毕后，通过i c 卡转储方式将数据传输到地面p c 机。 地面数据管理系统进行数据的分析处理，描述均流系数及整流管电流 值随时间变化的曲线图；设定报警等级，对整流管不均流问题给予报 警，预防故障的发生。 本文详细介绍了车载检测系统的硬件设计方案( 第三章) ，分析了 其实现的可能性；车载检测系统的软件设计方案( 第四章) 以及地面 数据管理系统的设计思路及功能( 第五章) ，包括数据入库、信息查 询、图像显示等；初步建立了报警等级。论文还对系统的可靠性进行 了详细的分析。 关键词：整流管均流检测 北京交通大学硕士论文 a b s t r a c i t h ed e t e c t i o no fc u r r e n t s h a r i n g i n f o r m a t i o na b e u tl o c o m o t i v e h i 曲一p o w e rr e c t i f y i n gt u b e h a sa r r e s t e dp e o p l e sa t t e n t i o n sp e r s i s t e n t l yi n t h e p a s ty e a r s t h ep r e s e n t m e t h o di sr e s t i n go ns t a t i c s t a t et e s t ，w h i c hc a l l d e t e c tt h ec h a n g eo fr e c t i f y i n gt u b e sp a r a m e t e r s ，b u tc a l l tp r o v i d et h e s h a r i n gi n f o r m a t i o ni nr e a lt i m ed u r i n gt h el o c o m o t i v er u n n i n gp e r i o d ，o r p r e v e n ta c c i d e n t sa b o u tr e c t i f i e rc u b i c l e a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ld e m a n d t h i sp a p e ra n a l y z e sa n ds t u d i e st h er e a l t i m ed e t e c t i o na b o u tr e c t i f y i n g t u b ec u r r e n t s h a r i n g i n f o r m a t i o no fd i e s e ll o c o m o t i v em a i ns i l i c o n r e c t i f i e rc u b i c l e i t b r i n g su p as c h e m eo fd e t e c t i n gc u r r e n t s h a r i n g i n f o r m a t i o na n ds o m ed i s c u s s i o na b o u tc u r r e n ts h a r i n ga c c i d e n ta l a r m i n g t h e s y s t e mc o n s i s t so f v e h i c u l a rc u r r e n ts h a r i n g d e t e c t i n gi n s t r u m e n t a n dd a t a m a n a g e m e n ts y s t e m t h ed e t e c t i n g i n s t r u m e n tc o l l e c t st h e c u r r e n ts h a r i n gi n f o r m a t i o ni nr e a lt i m ea n ds t o r e si t a f t e rc o l l e c t i n gd a t a ， i tt r a n s f e r sd a t ai n t op c t h r o u g hi cc a r d t h ed a t am a n a g e m e n ts y s t e m a n a l y s e st h ed a t a ，a n dd e s c r i b e st h ec u r v ep r o g r a mo f c u r r e n ta n dc u r r e n t s h a r i n gc o e f f i c i e n t t i m e v a r y i n gc h a n g e s a n di t s e t st h ea l a r mg r a d et o f o r e c a s to c c u r r e n c eo fa c c i d e n t t h e p a p e rp a r t i c u l a r l yp r e s e n t s t h ev e h i c u l a rd e t e c t i o n s y s t e m s h a r d w a r ea l o n gw i t ht h ea n a l y z i n gt h ep o s s i b i l i t yi nt h et h i r dp a r ta n d s o f t w a r ed e s i g np r o j e c ti nt h ef o r t hp a r t ；t h ed a t am a n a g e m e n ts y s t e m d e s i g n i n gi nt h ef i f t hp a r t ，a sw e l la si t sf u n c t i o ni n c l u d i n gd a t a s t o r a g e ， i n f o r m a t i o n q u e r ya n df i g u r e - d i s p l a y ；a n ds e t t i n ga l a r mg r a d e t h ep a r to f s y s t e mr e l i a b i l i t yi sa l s od i s c u s s e di nd e t a i l k e yw o r d s ：r e c t i f y i n gt u b e ；c u r r e n ts h a r i n g ；d e t e c t i n g j i 绪论 第1 章绪论 铁路运输担负着国家长距离客运和货运的重任，具有大运力、低 成本优势，在运输中占有重要地位。2 0 0 4 年通过的中长期铁路网 规划指出，到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程将达到1 0 万公里，主要 繁忙干线实现客货分线，复线率和电气化率均达到5 0 ，运输能力满 足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水 平。在具体方案落实当中，需要对路网既有线路进行升级改造，提高 铁路装备水平。 随着铁路运行速度的不断提高和运输密度的不断增加，机车运行 状态的实时检测、故障诊断已成为保证列车安全可靠运行的重要前 提。整流管作为电能变换器件，是机车上重要的电气部件之一，其工 作正常与否，将直接影响铁路行车的安全、正点。本文针对整流管随 车捡测问题，提出了整流管均流信息检测，并与地面系统联机运行的 一体化数据采集与管理系统。 本文由六个部分组成，对课题选择的背景、方案选择、软硬件设 计及实现、数据处理等方面作了详细阐述。 本章分为三个小节。首先从国内外现状谈起，然后介绍课题的意 义及由来。最后，简单阐述课题的主要任务及系统特点。 1 1 课题研究现状 根据2 0 0 4 年通过的中长期铁路网规划，到2 0 2 0 年，我国铁路 将形成横贯东西、纵贯南北、覆盖全国大部分2 0 万人口以上城市、 大宗资源开发地、主要港口、重要口岸的铁路网。复线里程和电气化 铁路里程都达到5 万公里左右，形成以北京、上海、广州、武汉、成 都、西安为中心，京沪、京广、京哈、陇海、浙赣、青太、沪汉蓉客 北京交通大学硕士论文 运专线为骨架，客货混跑快速线为连接线的快速客运服务网，总罩程 达到3 万公里，为此，就要保证列车在运行速度不断提高和运输密度 不断增加的条件下安全可靠地运行。 目前我国运用的主型内燃机车为d f 4 系列，该型机车担当着我国 大部分地区的客、货运输任务。现行的以“预防为主”维修指导下的 计划预防修制存诸多问题，如：在修时间过长，机车过剩修和欠修严 重等。 d f 4 内燃机车应用了很多整流装置，主电路的牵引整流装置 主整流柜( 即牵引整流柜) 是其中的重要装置，连接成三相桥式全波 整流电路的形式。如图1 - 1 所示，感应子发电机发出的交流电通过励 磁整流柜( 即2 z l ) 整流后向同步牵引发电机的励磁回路( 即主发转予) 提供直流电，牵引发电机发出三相交流电，主整流柜( 即1 z l ) 将其转 换成直流电作为牵引电动机的电源。 主发电机定子是y 型接法，1 z l 三相整桥每 周期自然换相6 次，整流 管正常导通顺序为1 与 6 、6 与3 、3 与2 、2 与5 、 5 与4 、4 与1 。这时通过 u 、v 、w 三相绕组的电 流大小相等，相位角相差 1 2 0 。，三者的矢量和为 0 ，为对称的三相交流电。 图1 - 1d f 4 型机车励磁及整流回路原理 主整流柜的工作状态是否良好，将直接影响到机车能否正常运行。 硅整流管是主整流柜应用的整流元件，整流电路每个桥臂由多个 整流管并联而成。当某一整流支路的并联整流元件电流分配不均匀达 到一定程度时，该支路整流元件就会损坏，导致整流装置不能正常工 作，给机车的牵引动力系统造成极大危害，甚至会直接威胁行车安全。 2 因此，在铁道部颁发的机车大修、段修技术规程中明确规定，对整流 管、晶闸管的相关参数必须进行检测，测试合格后方可上车使用。 机车硅整流柜一旦出现故障时，现有方法是将硅整流柜从机车内 吊出，送到均流均压试验台，模拟硅整流柜在机车上的运行状态进行 检测。国内对硅整流柜自动检测的研究也是围绕这一方法进行的。刘 松柏、蒋新华、林立新撰写的大功率晶闸管和硅整流管元件试验台 的研制川，邹复民、陈特放、余明扬撰写的机车大功率整流管试 验台的研制t 2 梁兵、唐建湘、陈特放撰写的通用型电力机车硅 整流器自动试验台 3 1 修少鹏撰写的整流管与晶闸管综合参数自 动检测系统，分别介绍了他们的研究成果，主要是研究通过测量 整流管特性判断其合格与否的自动检测系统。此种检测方法针对性不 强，工作繁重，费时、费力。而每年的机车整修年鉴也无法逐一对硅 整流柜的均流系数进行测定，使机车鉴定缺少一项科学的依据，这对 于提高机车质量和保证行车安全极为不利。除此种方法外，也有研究 人员将研究重点放在整流装置上，在内燃机车无均流主整流装置 中，周书芹介绍了他的研究成果，采用一种内燃机车无均流大功率元 件整流装置来替代原整流装置，消除了均流问题的存在。但结合我国 铁路运输现状，内燃机车在铁路运输中仍是主要牵引动力之一，全面 地推广更换新的无均流主整流装置并不符合我国国情。 综合国内的研究成果发现，目前对机车硅整流柜的检测，方法大 多停留在静态检测的阶段，即机车停车后检测整流管的特性参数，这 样不能随时掌握机车整流柜运行的动态信息。而由于整流柜故障的突 发性，迫切需要研究一个简便的随车检测整流元件的工具，对机车整 流柜运行状态进行实时检测，在故障发生前做好预警，防七事故的发 生。 而目前对均流随车检测的研究仍存在着各种问题。便携式均流测 试仪”1 ，是针对韶山电力机车的测试，采集路数少，不符合内燃机车 的应用实际，而且没有数据的转储分析，只停留在仪器检测阶段，不 北京交通人学硕士论文 能对均流信息进行有效、科学的管理。而有的研究人员对均流的随车 测试做出了初步探讨 7 1 但还没有形成实际可用的检测装置。 综上所述，到目前为止，国内还没有真正适合内燃机车随车检测 整流柜均流信息的工具，也没有一个集均流检测和数据管理为一体的 系统。所以，本项目的研究在国内将是一项开创性的工作。 1 2 课题意义及由来 随着近几年国家铁路网的大量建设，基本上已经形成了四通八达 的网络环境。1 9 9 6 年，大连机车车辆厂根据铁道部“货运重载，客运 提速”的方针，开发生产了d f 4 d 型客运提速机车，1 9 9 7 年d f 4 d 客 运内燃机车首次投入干线牵引后，陆续暴露出一些质量问题。在厂家 及配属段及时采取有力措施进彳亍改造后，故障率逐年下降。但是，随 着走行公里数的增加，原来并不突出的由牵引整流柜故障引起的机 破、故障一度有上升趋势”1 ，给运输生产造成了不良影响。 整流管作为电能变换器件，若在运行中发生烧损，轻则机破救援， 重则酿成严重的火灾事故，危害极大。烧损故障修程大，处理时间长， 影响供车，维修成本高。在铁道部颁发的机车大修、段修技术规程中 明确规定，对整流管的相关参数必须进行检测，测试合格后方可上车 使用。 本文分析整流管损坏的原因，主要是以下几个方面： 1 ) 整流管均流恶化 整流电路每个桥臂由多个整流元件并联使用，这就要求多个元件 的伏安特性相匹配。在整流元件长期工作后，其正向伏安特性会 发生程度不一的变化，使同一桥臂的元件特性存在差异。这必定 造成同一桥臂并联元件均流恶化，以致发生元件的过载、击穿。 此外，在整流柜内部大电流母线相互问的磁通交链，各条支路走 线的长短，导致连接处的接触电阻、互感和自感以及紧固件的松 紧程度等均会引起并联支路电流分配不均匀。当并联支路不均流 4 绪论 时，通过最大电流的整流元件有可能过流而烧损，也可能暂时不 烧损。但由于不均流造成整流元件结温的差别，又将扩大整流元 件伏安特性的差异，造成更加不均流的恶性循环，最终导致整流 元件烧损。 阻容保护可靠性不高 阻容保护板中电容器的可靠性不高。随着工作时间的增加，电容 量严重降低，致使阻容保护失效，也是导致该类故障的原因之一。 3 1 通风不良 由于通风不良，所产生的热量无法及时散发，导致元件温度过高 而损坏。 由以上分析可以看出，整流管均流恶化是造成整流管击穿、烧损， 整流柜出现故障的主要原因。影响整流管均流的主要因素有以下几个 方面： 1 ) 硅元件正向伏安特性的分散性 两个并联工作的硅元件由于其正向特性不同，而并联工作时正向 压降必须相同。因此当元件导通时，电流分配就不均匀了。 2 ) 磁场影响 整流柜并联支路元件与交流母线的距离总是不等，所以交流母线 的杂散磁场对支路电流分配所产生的影响也是不等的。因此并联 支路电感值相差越大，均流就越差。 3 ) 并联支路的电阻不同 各元件与快速熔断器之间的匹配及装夹固定时接触电阻的差异， 会导致各元件电流分配不均。同时，整流元件臂接线布局不同及 汇流母排电阻的差异，也会导致电流分配不均。 4 1 并联支路数的影响 在同一桥臂中，硅元件的并联支路数越多，则均流越差。所以在 大容量整流机组中，必须适当选用额定电流大的整流元件，以减 少并联元件数。 北京交远大学硕士论文 在以上所述影响整流管均流的主要因素中，磁场影响和并联支路 电阻的影响是不可避免的，而d f 4 d 型机车并联支路数为2 个，己经 将并联支路数的影响减少到最小。因此，如果在机车运行时检测整流 管均流的变化，及时发现整流管伏安特性的差异，就可以预防整流柜 故障的发生。 当机车主整流柜出现整流管烧损进行更换时，一般的机务段都没 有测试整流元件特性的能力，为了使更换的整流管与原来的整流管相 匹配，只好尽可能地选择参数与标签上相接近的整流管。硅整流柜重 新组装后必须进行均流均压试验，其均流均压系数符合限度规定，各 桥臂并联支路均流系数不小于o 8 5 0 。其实这样做很难保证2 只整流 元件的均流系数，因为换上去的是新的元件，而原来桥臂上另一只整 流管的性能已发生了变化，与标签上标的参数已不相符。往往换上后 不久又发生整流管烧损故障，且烧损的整流管都是老的整流管1 9 1 。 在机务段的检修工作中，对整流管的检测要经过较长的时间才进 行一次，不能够掌握整流管特性在长时间工作中的变化；在整流柜出 现故障后对整流管进行检测，也已经不能避免事故的发生。 因此，机务段目前的检修方法已经不能满足检修工作的需要，务 必需要一种检测装置，能够在整流管运行时掌握其特性的变化，在故 障发生前发现问题，从而避免故障的发生。为此，我们联合天津机务 段，结合机务段在检修整流管工作中的经验与问题，开发了能够随车 测量整流管均流信息的检测装置，实时了解均流信息，预防故障的发 生。 综上所述，对内燃机车主整流柜均流信息实时检测问题开展的相 关研究填补了路内该领域的空白，对各车型的运用检修及全路机务的 “修制改革、科学管理”具有重要的现实意义和指导意义，也为机务 现代化管理提供支持，提高其运用、检修水平，同时为机务段检修管 理信息系统提供数据依据，是一项非常有意义的工作。本文正是在这 个背景下，结合路内的具体情况，对实现机车主整流柜均流信息实时 检测方面存在的问题加以探讨，用工程的方法加以分析并提出相应的 解决方案。 1 3 主要任务及系统特点 本文针对内燃机车主整流柜的均流信息实时检测问题，在信号的 采集、存储以及地面数据管理等方面提出了一系列的探讨方案，主要 介绍了均流检测仪的基本构成和各部分的功能以及地面均流信息的 数据管理。设计的主导思想为：研制均流信息车载记录系统，随车实 时采集整流管的均流信息并进行存储；一次采集完毕后，通过i c 卡 转储方式将数据传输到地面数据管理系统进行数据的分析处理，描述 均流系数及整流管电流值随时间的曲线图；设定报警等级，对整流管 不均流问题给予报警，预防故障的发生。 本文详细介绍了内燃机车主整流柜均流信息检测系统的硬件设计 方案，分析了其实现的可能性；提出了检测系统的软件设计以及地面 数据处理系统的设计思路及数据入库、信息查询、图像显示等功能的 实现；初步建立了报警等级。 本系统结合了实际需要，针对实际的操作人员的操作水平而设计， 使用简单，操作方便。硬件结构合理，软件可扩展性强，在实际中得 到了初步的应用。 北京交通大学硕士论文 第2 章系统总体设计 在本章中，主要介绍与系统方案相关的一些内容。首先分析了内 燃机车主整流柜整流管的均流问题，然后选定了本系统所采用的测量 方案；其次，介绍了采集系统的设计方案和框图；最后介绍了地面均 流信息管理系统的设计方案。 2 1 内燃机车硅整流装置 2 1 1 牵引整流柜及整流管概述 东风4 d 系列内燃机车是大连机车车辆厂开发研制的装用 2 4 0 2 7 5 z j d 系列柴油机的一组机车的统称。 本系统研究的是东风4 d 型机车的主整流柜( 即牵引整流柜，以下 简称整流柜) ，它是该型内燃机车的主电路整流设备，将主发电机发 出的三相交流电，通过整流后，给直流牵引电动机供电，以驱动机车 运行。 东风4 d 型机车使用的牵引整流柜型号为g t f - - 5 1 0 0 1 2 5 0 ，g 表 示硅装置，t 表示铁路，f 表示强迫风冷，额定直流输出电流为5 1 0 0 a ， 额定直流输出电压为1 2 5 0 v 。整流电路采用三相桥式，每周期内自然 换相6 次。 整流柜主要由柜体、交流母排、直流母排、硅整流元件、连接导 线和电阻电容板组成。三相交流电从交流母排引入，经由整流管组成 的三相桥式全波整流电路整流后，由直流母排汇流至下方接线板，输 出直流电。 整流柜采取风冷，冷却风道串连在机车前转向架牵引电动机通风 机的吸风口上。冷却空气从整流柜的项部吸入，经冷却硅整流元件后 进入牵引电动机风道。在额定工况时，整流柜出风口风速不得低于 6 m s 。所有元件的外壳温升均小于6 0 ( 其最高温度不得超过1 0 0 。c ) 。 系统总体设计 东风4 d 系列内燃车的整流柜采用z p 2 5 0 0 2 8 型风冷平板式硅整流 管，配备异型铝散热器或者热管散热器使整流柜结构紧凑工作可靠。 它的优点是阳极、阴极都装有散热器，散热效果好，但其致命的缺点 是要求接触面平整，工艺要求高。每一桥臂有2 个元件并联使用，全 柜共1 2 个整流元件。 为抑制整流装置中的换相过电压，采用的保护措施是在整流元件 两端并联阻容( r c ) 吸收装置。其中电容器用于吸收换相时释放出来 的磁场能量。与电容器串联的电阻的作用是防止电容与回路电感造成 串联振荡，也可限制放电电流的大小。r c 吸收装置对换相过电压的 保护起到关键性作用。东风4 d 机车整流电路阻容保护由6 个1 l if 的电容和6 个3 9 q 的电阻2 串3 并组成，如图2 1 所示。 图2 - 1东风4 d 机车整流的阻容保护电路 硅整流管是把p n 结在p 端加装正电极引线，n 端加装负电极引 线，然后用金属壳、玻璃或陶瓷封装而成。 硅整流管按其结构可分为螺栓型和平板型两种。z p 2 5 0 0 2 8 型硅 整流元件属于平板型，它靠外加螺栓把两块散热器压紧在p n 结的两 边，工作时热量可以同时从两侧散去，因此是双边散热。 东风4 d 型内燃机车牵引整流柜采用的硅整流元件属于大功率整 流管，主要技术参数如下： 北京交通大学硕十论文 表2 - 1硅整流元件主要技术参数 参数额定正向正向峰反向重复反向重复正向额定 平均电流值电压峰值电压峰值电流浪涌电流结温 规格( a )( v )( v )( m a )( a )( ) z p 2 5 0 02 5 0 0小于2 04 0 0 3 0 0 0小于8 04 0 x 1 0 41 5 0 硅整流元件的主要技术参数定义“如下： 1 ) 额定正向平均电流：在环境温度4 0 v 和规定的冷却条件下， 硅整流元件在电阻性负载的单相和工频正弦半波电路中，当 结温稳定且不超过规定值时，允许通过的最大正向平均电流。 2 ) 正向峰值电压：整流管通以n 倍或规定倍数额定正向平均电 流值时的瞬态峰值电压。 3 ) 反向重复峰值电压：在规定的测试电路中，重复频率为每秒 5 0 次，持续时间不大于1 0 m s 的最大脉冲电压。 4 ) 反向重复峰值电流：整流管加上反向重复峰值电压时的峰值 电流。 5 ) 正向浪涌电流：一种由于电路异常情况( 如故障) 引起的， 并使结温超过额定结温的不重复性晟大正向过载电流。 6 ) 额定结温：整流管正常工作时所允许的最高结温，在此温度 下，一切有关额定值和特性都得至保证。 2 1 2 整流柜均流现象概述 从整流装置的结构可以看出，整流装置的每个桥臂由2 个并联支 路组成，每个并联支路上加装1 个整流管。在理想情况下，流过各个 并联整流管的电流相同，即所谓的“均流”。各支路流过电流的均衡 与否，将直接影响列车的正常运行：流过大电流支路的整流管有可能 因过载而损坏，造成事故。 系统总体设计 在机车实际运行过程中，理想的均流状态是不存在的，有诸多因 素影响电流的均匀分配。例如：整流元件正向特性的差异，汇流母排 的影响，串连元件之间连接导线的影响，快速熔断器之间电阻值的差 异，接触电阻的影响，以及冷却风分布不均匀和上下层之间冷却风温 度不同的影响等等。 实现整流管的均流测试是复杂的过程，本论文将详细论述其过程， 本节主要对整流柜的均流问题作简单论述。 为研究问题的方便，假定是在理想情况下，即：1 在整流电路的 直流回路中，负载具有足够大的电感；2 硅整流管的管压降忽略不计； 3 同步牵引发电机的三相绕组的电感和电阻都忽略不计。同步牵引发 电机的三相电压是对称的，并且是正弦波形。 三相桥式整流电路的工作原理可以用图2 2 和图2 3 来说明。图 2 2 是电路图，图2 3 是整流前后的电压、电流波形图。 图2 2 为三相桥式整流电路，同一桥臂整流元件为2 个整流管并 联而成。在每一整流桥臂上，并联一个r c 电路作过电压保护。 整流元件电流波形如图2 - 3 所示，其中图( a ) 为整流柜三相电压 波形，图( b ) 为整流管导通顺序，图( c ) 为负载电压波形，图( d ) 为负载电流波形。在任何瞬间，由阳极接电压最高相与阴极接电压最 低相的两对整流管串联导通，在各相电压的交点上自然换相。图中， u a 0 、u n o 、u c o 为同步牵引发电机三相绕组的相电压，各相电压的 相位差为1 2 0 。电角度。i a 、i b 、j c 分别为流过整流管中的电流， 即同步牵引发电机绕组中的相电流。 在o n 3 的时间内，a 相的电压变化到最高点，b 相的电压如 图所示，而c 相的电压介于a 相和b 相之间。硅整流管d 在正向电 压的作用下而导通。忽略d 。的管压降，则e 点电位与a 相电位相同。 由于b 相、c 相的电位低于e 点电位，因此d 3 、在反向电压的作 用下不能导通。d 4 的阴极接在最低电位的b 相，它在正向电压作用 下导通，f 点的电位与b 相相同，致使d 2 、d 6 在反向电压作用下面 北京交通人学硕士论文 关断。这样，在o 3 期间内，只有d 1 和d 4 两管导通，导通的路 径是a 相d l 负载d 4 b 相。负载上的电压，b 口整流后的电压 u f 为a 、b 间的线电压u a s 。 同理， j i ，3 2 3 期间内，只有d 1 和d 6 两管导通，导通的路径 是a 相d 1 负载d 6 c 相。负载上的电压，即整流后的电压u f 为a 、c 问的线电压u b c 。 ：+ m 的 d 5 1 f = = - _ - _ 。_ _ _ _ _ _ _ 一 。孓0 n 。 。；0 r _ j 彗 l 士i 士 一c 1 当。 _ j c a + 1 b b u ， 1 c f c+ = = = 一 。孓0 n 。c ；旦8 j 耳卫 一 i 士 二二互。山c! _ c 弛 d 4 m f 图2 2 三相桥式整流电路 同样，2 3 、4 3 、4 3 2 时期内整流后的电压可 以按照相同的方法分析出来。 在2n 时间以后，其整流过程重复上述情况。 由此可知： 1 、在任何瞬间，由阳极接电压最高相与阴极接电压最低相的两个 整流管串连导通，在各相电压的交点上自然换相。 系统总体设计 2 、每一桥臂，在整个周期( u t = 2 ) 内导通1 2 0 。而发电机 的每相绕组各通电二次，每次1 2 0 0 ，且导电方向相反。 3 、整流后加于负载上的电压为发电机线电压所组成的包络线，在 2n 时间内具有六个脉动波，整流管上所承受的最大反向电压等于线 电压的最大值。 u帕 u町u：。 厂 、 7 。 、 f ， 、 ， f t f t ， l f i 、 t ， ， 、 ， r 5 砖“。 7 7 。 d 1 d 1 m帖n 2陀m l 厂、 一 厂n、一、 ，、，弋 u b ， 五cu hu c 。u u n0 a c i 厂、? 一、 ，厂、厂、j7 7 、厂、 l 1 1 3 2 r 3 l 4 ，3 5 i 3 2 *u t 图2 - 3 三相桥式整流电路波形图 2 。2 整流装置均流检测分析 对本系统，要求能够记录整流管电流以及均流系数随时问变化的 曲线。本节主要探讨围绕这一检测目的的检测方法分析。 整流柜在额定电流情况下，整流桥臂各并联元件的均流系数： k ，；l式2 1 。 m 。， 北京交通大学硕士论文 式中： 磁一桥臂均流系数； 三卜一各并联硅整流元件正向平均电流之和( a ) ： 卜桥臂并联硅整流元件数； 砌甜一各并联硅整流元件中正向平均电流的最大值( a ) 。 由均流系数定义可见，只要得到并联支路整流管平均电流，即可 通过上式计算出桥臂的均流系数。 各个支路整流管电 流波形如图2 - 4 所示。 由于电流传感器输 出端反映的是电流的瞬 时变化，传感器输出端电 压波形与整流管电流波 形相似，即在1 ，3 周期内 有电压值，而在其它时间 段电压值为零。因此为了 得到整流管的平均电流， 可以设计平均值转换电 路模块来得到传感器输 出的平均电压，这样就可 以通过换算得到整流管 平均电流，并计算出均流 系数。考虑到系统要采集 的通道多达1 2 路，就需 1 1 t f 1 、 卜 、，。 t 卜1 一 ， t 、j - 卜一、r z t 3 2 j 3 l l i i , 35 = 1 3 2 。 c a t 图2 - 4整流管电流波形图 要1 2 路平均值转换电路模块，不仅使安装空间更加紧张，而且会增 加系统硬件的复杂性，在转换过程中不可避免的会有误差出现。值得 注意的是，在a d 采样前的转换电路模块将使系统不能采集通过整 流管的实际电流，也就不能记录整流管电流随时间变化的曲线。 l4 系统总体设计 除以上所述的硬件平均值转换方法外，系统还可以通过软件计算 的方法来求得整流管的平均电流。 平均电流的定义： 。，2 争j ：p 陋 式2 - 2 根据以上平均电流的定义，结合整流管导通电流的波形，对式2 - 2 作如下推导： 。枷印2 粒陋+ 俐一淞帅) = 暂胁 式2 - 3 上式的推导说明，在本系统中，对整个周期电流的采集可以转换 为对1 3 周期电流的采集。由于积分运算对于底层的单片机来说是非 常复杂的运算，因此，我们可以根据积分的定义，将积分运算作如下 简化，如图2 - 5 所示。 图2 - 5 积分采样 设周期为z ，电流变化的函数为i = ，( f ) 。将1 3 周期采样区间平 均分为n 个时间段( n 一一) ，每个时间段长度为a t ，即三：，l a t ， 3 t ；3 n a t 。根据式2 3 有如下推导： 15 北京交通大学硕士论文 小扣= 盟生学竽剑业 ：坐幽趔：幽! ：! 迦 式2 4 3 n a t3“ 即： 一至，竺 2-53 ，：二l 一 4 ” n 从式2 5 中可以看出，如果我们得到r 1 个点的电流值，然后取平 均，得到的电流值为3 倍的平均电流。 进一步分析发现，上式的推导是在理想情况下进行的，即将1 3 周期分为无数个时间段。但在实际上，受系统采样频率、通道转换等 各种原因的影响，不可能把l 3 周期分为无数个时间段，只能分为有 限个时间段，这就造成了采集的误差。若n 取值较小，则误差增大： 若n 取值较大，不仅系统难以达到采集速度的要求，而且软件的计算 就变得费时而复杂。 因此，我们需要一种方法，既可以采集整流管随时间变化的电流 值，又可以得到均流系数，了解整流管的均流情况。 经过深入研究发现，均流系数是衡量电流不均衡度的量化指标， 表征的是电流分配不均衡的程度。而均流是一个动态的过程，在电流 流过整流管的时间里，并联整流管的均流情况是变化的。在某些时刻， 电流在并联整流管间分配不均衡，而在某些时刻的电流分配是均衡 的；在某些时刻，流过某一个整流管的电流较大，流过另一个整流管 的电流较小，而在某些时刻流过并联整流管的电流大小同前次正相 反。如果在整流管导通的1 3 周期内发生电流分配不均衡现象，根据 式2 - 3 的计算，在1 3 周期内电流的变化将被平均分配到整个周期， 从而削弱了电流变化的程度，或者可能掩盖整流管导通的1 3 周期内 发生的电流分配不均衡情况。 系统总体设计 基于以上的分析，本文提出了一个计算均流系数的新方法。在新 的方法中，依然按照式2 - 1 束计算均流系数，但某些参数的定义已经 发生变化。新的计算公式为： k ，：兰l式2 - 6 。 n i 一 式中： 断一桥臂均流系数； 占卜一各并联硅整流元件正向电流之和( a ) ： _ 桥臂并联硅整流元件数： 砌删一各并联硅整流元件中正向电流的最大值( a ) 。 对比原均流系数的参数发现，新的计算公式所采用的电流已经不 是平均电流，而变成了瞬时电流。根据以上公式，采集并联整流管电 流的区间也发生了变化。二者的对比如图2 6 所示。出图中可以看出， 原有的均值电流采集区间为整个周期，而现在的瞬时电流采集区间为 整流管导通的1 3 周期内的某一段时间。如果在这1 3 周期内电流分 配发生变化，此种 采集方法完全可 以捕捉到这一快 速的变化，而且不 会削弱电流变化 的程度，从而使这 种采样方法能够 客观真实的反映 整流管电流分配 的不均衡程度。 上述瞬时采样 的新方法，不仅可 以采集流过整流 l 吖1 ，一 e ，3 2 , 1 340 1 1 35 = t 3 2 “；1 一 i 均值电流采样区间 - i r 1 。 ，32 t ，3 l ，3s = l 1 32 丑矗 + 瞬时电流采样区问 图2 - 6 采集区间比较 北京交通大学硕士论文 管电流的真实值，监测电流的变化，而且通过式2 6 计算的均流系数 依然能够成为衡量电流不均衡度的量化指标，完全不会失去其定义的 本意。 为了能够捕捉到均流的变化，系统在1 3 周期内设置了多个采样区 间，如图2 7 所示。图中，阴影部分为瞬时采样区间。由于系统的目 的是预防整流管故障的发生，因此，系统选择均流情况最差的数值进 行记录。 i 图2 7瞬时电流的多次采样区间 综上所述，按照原均流定义的电流采集和均流系数计算方法，不 能够满足系统的要求，记录整流管电流随时间变化的曲线，对均流情 况( 即电流分配的不均衡程度) 的反映也存在一定程度的失真。而本 文提出的新的计算方法则弥补了原有的缺点，可以捕捉到变化的均流 情况，客观真实的反映整流管电流分配的不均衡程度，使均流系数真 正成为衡量电流不均衡度的量化指标，具有很强的现实意义。 2 3 系统总体设计 本系统设计方案可以分为车载均流信息检测系统和地面均流信息 数据管理系统二个部分。系统整体的结构框图如图2 - 8 所示。 2 2 1 车载均流信息采集系统 均流检测仪的设计是地面数据分析和管理的基础，关系到整个系 18 系统总体设计 统的可靠性和准确性，因而它的硬件设计是系统的关键问题之所在。 滤转 上 信号输入 波 一叫a d 系列单片机 一 储 电介 位 路j ll质 机 一 !皇t l-一l。，_j 丁 原始数据各份 图2 - 8 系统结构框图 检测系统硬件结构框图如图2 - 9 所示。 考虑到系统要采集整流管较大的脉动电流，且测量环境恶劣，而 霍尔传感器不仅可以测量任意波形的电流，而且精度高、线性度好、 动态性能好，抗外磁场干扰能力强，也有很宽的测量范围，故系统选 用了k a 2 5 0 0 v t - k 型电流传感器。它采用霍尔原理制造，量程可达 2 5 0 0 a ，满足系统要求。 图2 - 9 系统硬件结构图 a d u c 8 1 2 微转换器是均流检测仪的核心。它的内部集成了完整的 8 0 5 2 内核，带有一个8 通道的1 2 位a d c 。转换时间仅为靴s ，带有 内部校准特性。它带有2 5 6 字节的r a m ，8 k b 的闪速电擦除程序存 北京交通大学硕士论文 储器，用于程序及临时数据存储。它的并行端1 ：3 用于总线形式，最大 可扩展1 6 m b 的外部数据存储器。同时还带有标准的串行通信接口、 1 2 c 接口和s p i 接口，可以进行多种方式的串行通讯。内部自带的看 门狗定时器w d t 可提供从1 6 m s 到1 0 2 4 m s 的时间范围。 考虑到需要同a d 转换的速度相匹配，故结构中的实时时钟以及 数据存储器都选用的是并行接1 3 。r t c ( d s l 3 0 2 ) 可以为系统提供精确 的时间基准，同时内部还带有3 1 b y t e 的存储空间，可用于存储一些 系统信息。数据存储器d s l 2 5 0 为5 1 2 k b i t ，操作简单、方便，存储 容量大。 复位电路m a x 8 1 0 是成本效益高的系统监督电路，用于在系统 中监视电源v c c ，在必要时，向m c u 提供复位信号，不需要外接元 件。在v c c 掉到复位电压门限以下后的2 0 m s 内，复位输出变为有效。 在v c c 上升到超过复位电压门限后，复位信号至少保持1 4 0 m s 的有效 状态。m a x 8 1 0 是高电平有效的复位输出。用来消除v c c 线上的快速 瞬变毛刺。较低的低电源电流，适用于电池供电的应用。 低通滤波是信号采集的关键所在。如何去掉干扰信号，准确的采 集到所需信号，是整个系统设计的一个难点。为此，我们在前向通道 采用了滤波技术。同时，为了消除通道切换时产生的瞬间冲击，通道 口还采用了一个简单的抗混叠滤波器，通过容量为2 p f 的取样电容来 提供电荷，消除冲击。 系统的硬件设计，依照高效、低功耗、适用的原则，用于均流信 息的采集，得到了较好的效果。 2 2 2 地面均流数据管理系统 系统总体的软件主要有两个部分：底层数据采集、存储和转储； 地面的分析、处理积图像显示。底层部分的程序结构可分为以下几个 模块：初始化、采集模块、转储模块和时问校正模块。其中采集模块 比较复杂，还包括滤波模块、中断模块和记录模块等。 系统总体设计 地面的数据管理系统，主要通过串行口接收数据，将原始数据写 入文件保留，并装入数据库以备查询。随车记录的数据采用网格和曲 线图两种方式显示，并提供故障报警。系统采用d e l p h i 开发管理平台， s q l s e r v e r 2 0 0 0 数据库。底层软件功能结构如图2 1 0 所示。 图2 1 0 底层软件功能结构图 北京交通大学硕士论文 第3 章车载检测系统硬件设计 在本章里，着重介绍均流信息采集系统的硬件设计方案。硬件结 构可分为传感器选型，信号采集处理系统，数据转储设计，以及通讯 接口和人机接口这五个部分。针对大电流信号特点，系统分析后选择 了适当的电流传感器。系统还介绍了单片机、存储器及其他外围芯片 的电路设计方案，对转储通讯接口和人机接口也进行了探讨。系统详 细的结构框图如图3 - 1 所示。 一覃匣 3 1 传感器选型 图3 1 系统硬件结构框图 传感器在系统中担负着采集信息的重要任务，传感器的准确度和 可靠性的高低，将决定系统的成败。霍尔传感器以它无触点，体积小， 结构简单等优点得到了广泛的应用。 自1 8 7 9 年美国物理学家e d w i nh e r b e r th a l l 发现霍尔效应以来， 霍尔技术被越来越多地应用于工业控制的各个领域。随着元器件工艺 技术的发展，由霍尔器件应用开发的霍尔电流、电压传感器的性能也 有了很大提高，特别是闭环霍尔电流、电压传感器的研制成功，大大 车载检测系统硬件设计 地扩展了该项技术的应用领域。 3 1 1 霍尔电流传感器工作原理 3 1 1 1 霍尔效应及霍尔器件 霍尔效应是霍尔技术应用的理论基础。当通有小电流的半导体薄 片置于磁场中时，半导体内的载流子受洛伦兹力的作用发生偏转，使 半导体两侧产生电势差，该电势差即为霍尔电压v h ，v h 与磁感应 强度b 及控制电流i c 成正比，经过理论推算有式3 - 1 关系。 v h = ( g 4 d ) x b x i c 式中：r h 为霍尔系数； d 为半导体厚度； 占为磁感应强度； 圮为控制电流。 式3 1 式3 - 1 中，若保持控制电流i c 不变，在一定条件下，可通过测量 霍尔电压推算出磁感应强度的大小，由此建立了磁场与电压信号的联 系。根据这一关系式，人们研制出了用于测量磁场的半导体器件，即 霍尔器件。 3 1 1 1 霍尔电流传感器工作原理 对于霍尔输出电压信号v i i 的处理，人们设计了许多种电路，但 总体来讲可分为两类，一类为开环( 或称直测式、直检式) 霍尔电流 传感器：另一类为闭环( 或称零磁通式、磁平衡式) 霍尔电流传感器。 开环霍尔电流传感器是使磁场经软磁材料聚集后，用霍尔器件来 检测，将霍尔器件的输出电压用运算放大器直接进行信号放大，得到 所需要的信号电压，由此电压值来标定原边被测电流大小。由于它们 有良好的线性，因此可用标定后的霍尔输出来测出电流的大小。 开环霍尔电流传感器的原理如图3 2 所示。 北京交通大学硕士论文 奇矿丽“ ； 檬尔毁成酊 图3 2 开环霍尔传感器 为了克服开环传感器 的不足，上世纪8 0 年代末 期，便出现了闭环霍尔电 流传感器。闭环霍尔电流 传感器的工作原理是磁平 衡式的，如图3 3 所示，即 原边电流所产生的磁场， 通过一个副边线圈的电流 所产生的磁场进行补偿， 使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。当原副边补偿电流产生 的磁场在磁芯中达到平衡时， 坳勿+ n s i s = 0 式3 2 式中：u p 为原边匝数；舾为副边匝数：加为原边电流；i s 为副 边电流。 由式3 2 可以看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过 测量副边补偿电流i s 的大小，即可推算出原边电流i p 的值，从而实 现了原边电流的隔离测量。 24 铁棼壤壤磕扬 图3 - 3 闭环霍尔电流传感器 车载检测系统硬件设计 在实际应用闭环霍尔电流传感器时，通过测量外接电阻上的电压 来间接求出i s ，从而得到电流i p 。 3 1 2l e m 模块主要特性 l e m 电流传感器是一种霍尔效应电流传感器，它是模块化的有源 电子传感器，它的