（车辆工程专业论文）电传动内燃机车恒功调速系统的研究与分析.pdf

a b s t r a c t e l e c t r i c d r i v i n gd i e s e l l o c o m o t i v ed e m a n d sd i e s e l e n g i n er o t a t es t e a d i l yi n a l l k i n d so fg e a r s a n dl o c o m o t i v ep o w e rk e e ps t a b l e a no ft h e s ed e m a n d sw i nb em e t w i t hb ya d d i n gas p e c i a la p p a r a t u s s p e e da d j u s t e ra u t o m a t i c a l l yr e g u l a t et h ed i e s e l e n g i n es p e e dt oas t a b l es t a t e w i t ht h ev a r i a t i o no ft h ee x t e r n a ll o a d a l t h o u g ht h e r e a r em a n yd i f f e r e n tk i n d so f r e g u l a t i n gm o d e sf o rc o n s t a n t - - p o w e ra d j u s t i n gs y s t e m ，t h e u l t i m a t ei sc o n t r o l l i n gt h er o t a t i o ns p e e do f t h ed i e s e le n g i n eb yt h es p e e da d j u s t e r ，a n d i t sm o d er e a l i z e sb yc o n t r o l l i n gf u e l - o i la m o u n tp r o v i d i n gf o rc y l i n d e r ，w h i l et h e i n t e r a c t i o n sb e t w e e ns p e e da d j n s t e ra n dd i e s e l 锄g i n en e e dt or e g u l a t es u p p l y i n g - o i l a m o u n tb yo i l - b l a s tp u m p t h ef t i s tc h a p t e ri nt h i sa r t i c l ei st h es u m m a r i z a t i o n ，i nw h i c his i m p l yi n t r o d u c e t h ee l e c t r i c - - - d r i v i n ga p p a r a t u sf o rt h ed i e s e ll o c o m o t i v e t h es e c o n dc h a p t e rd e s e r i p t s t h e c o m p o s i t i o n a n d w o r k i n gp r i n c i p l e o ft h e c o n s t a n t - p o w e ra d j n s t i n g s y s t e m c o m b i n i n gw i t hs p e c i f i cl o c o m o t i v et u p e s ，i nt h et h i r dc h a p t e r ，ic a r r yo u t d e e pa n a l y s i so ft h ec o n s t a n t - p o w e ra d j u s t i n gs y s t e m a p p l y i n gt ot h ec u r r e n tm a i n e l e c t r i c - d r i v i n gd i e s e ll o c o m o t i v e i nc h a p t e rf i v e ，im a k ec o m p l e t ea n a l y s i so f t h e s eq u e t i o n e sa b o u tl o c o m o t i v ea d j u s t i n gs y s t e mb r i n g i n go u td u r i n gu s u s a lo p e r a t i n g o fm a i ns t r e a md f 7 、d f 4 c 、d f 4 dl o c o m o t i v ei nm ye n t e r p r i s e ，a n dp u tf o r w a r d a p p r o p r i a t ei m p r o v e m e n t s t h ea r t i c l ee l a b o r a t e st h ea d j u s t i n gs y s t e mf o re l e c t r i c - d r i v i n ga p p a r a t u so fd i e s e l l o c o m o t i v ei no i j zc o u n t r y ，a n dd i s s e c td e e p l yt h ew o r k i n gp r i n c i p l e so ft h ea d j u s t i n g s y s t e mo fe l e c t r i c d r i v i n gd i e s e ll o c o m o t i v e ；t h e n ，i ta n a l y s e sa n dc o m p a r e st h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe o n m a n t - p o w e r 删u s t i n gs y s t e mo fe l e c t r i c - d r i v i n g d i e s e ll o c o m o t i v e ，w h i c ha r eu s e dw i d e l yi nm a n ys i t e si no u rc o u n t r y ，a n dp o i n t so u t t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o ni sm i c r o - c o m p u t e rs y s t e ma sc o n t r o l l i n gm e a n s a tt h ee n d ， f o rt h eq u e s t i o n e sa r i s ei no v e r h a u la n da p p l i c a t i o no fm a i ns t r e a md f 7 、d f 4 c 、 d f 4 dl o c o m o t i v ei nm ye n t e r p r i s e ，ia n a l i y s i sd e t a i l e d l ya n dp u tf o r w a r ds o l v i n g m e t h o d s f o rt h eq u e s t i o n e sa r i s ei nt h ec o n d i t i o no f r e s i s t a n c eq ) r a k i n gw o r k i n gs t a t e ， w h i c hi n f l u e n c et h el o c o m o t i v eo p e r a t i n gs a f t y ，ic a r r yo u tc o m p l e t ea n a l y s i s ，a n dp u t f o r w a r dc o r r e s p o n d i n gc i r c u i ti m p r o v e m e n ts c h e m e ，s p e c i f i cm e t h o da n de m e r g e n c y b r e a k d o w np r o c e s s i o n k e y w o r d s ：d i e s e ll o c o m o t i v e ；p o w e r ；a p p a r a t u s s p e e d ；e l e c t r i c - d r i v i n g 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字e t 期：年月 e t签字e t 期：年月 e t 致谢 本论文的工作是在我的导师宋雷鸣教授的悉心指导下完成的，宋雷鸣教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 宋雷鸣老师对我的关心和指导。 宋雷鸣教授悉心指导我们完成了论文课题的工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向宋老师表示衷心的谢意。 宋教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的 感谢。 在撰写论文期间，王克明、董亚更、耿继武等同学对我论文中的励调器研究 工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人刘敏，她的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业， 在工作岗位完成课题的研究与实验。 j e 塞窑道太堂童些亟堂焦迨毫i i宣 引言 现代电传动内燃机车励磁控制系统多采用电子励磁或微机控制方式，电子恒 功励磁系统较之传统的联合调节器励磁系统具有优良的动态性能及很高的控制精 度，然而它完全是由模拟电子电路实现的模拟控制系统，使其存在诸多不足，主 要是线路结构较复杂、单元电路调试不便、成本较高、抗干扰性能较差以及不便 于系统扩展等缺点。 自从2 0 世纪7 0 年代诞生了微机，为工业控制系统带来了革命性的变革。微 机控制能更方便地综合多种信号，实现各种复杂的逻辑控制及各种特殊规律的控 制，微机能完成各种控制算法，从而实现系统的最优控制。所以采用微机控制不 仅可使控制系统结构简化、调试容易、成本降低、抗干扰能力增强，而且能获得 更多更复杂的控制功能，更好的调节品质及控制精度。可以说，内燃机车装备微 机系统是现代化机车的重要标志。 控制系统的自动化给机车运用带来了很大的便利，然而控制手段的先进对铁 路基层维修工作者的专业素质也提出了很高的要求，在铁路现场高学历、高技能 人才相对短缺，对电子及微机励磁控制系统产成的故障进行排查处理能力相对薄 弱，对控制原理的了解也比较肤浅，这种现状大大降低了机车运用的效率，铁路 现场工人对电子及微机励磁控制系统出现的故障常常不知所措，检修手段往往采 用换件修理，对故障产生的原因分析不深入、不透彻。无针对性地换件一是加大 了检修工作量，二是降低了机件的可靠性，三是遗留了事故隐患，危及行车安全。 本文通过对电传动内燃机车励磁系统的深入分析，发掘各控制方式的内在本 质联系，即虽然恒功率调节系统调控方式多种多样，但最终的控制对象还是通过 调速器控制柴油机的转速，其方式是通过供给气缸的燃油量实现的，而调速器与 柴油枫的相互作用需要通过喷油泵齿条进行供油量的调节。文章通过对调速系统 原理进行的分析，对我单位主型机车d f 7 、d f 4 c 及4 d 励磁控制系统在检修及运 用中出现的问题进行了剖析，并提出了改进措施，通过运用实践，取得了良好的 效果。 j b 塞窑堕友堂童些亟堂焦监塞电篮动由毖扭至翅速丕缠煎述 1 电传动内燃机车调速系统概述 1 i 电传动内燃机车的分类 内燃机车电力传动是柴油机带动一台牵引发电机，牵引发电机向安装在机车 转向架上的数台牵引电机供电，牵引电机再通过车轴齿轮箱驱动机车的动轮使机 车运行。可见内燃机车电力传动装置中的两个最主要的部件是牵引发电机和牵引 电动机。按照在两种电机所用的电流制不同，电传动装置可分为三大类，即直流 电力传动、交一直流电力传动和交流电力传动。 1 1 1 直流电力传动 这种传动方式是采用直流牵引发电机和直流牵引电动机，又称为直一直流电 传动，如图1 1 所示，柴油机直接驱动一台直流牵引发电机g ，将柴油机的机械能 转变为电能，并供给数台直流牵引电动机m 。牵引电动机又将电能转变为机械能， 并通过传动齿轮箱驱动机车动轮。 图1 1 直流电力传动 直流传动的特点是调速方法比较简便，通常用改变直流电动机端电压的方法 即可达到调速的目的。由于直流串励电动机的转速特性较软，适合于机车牵引， 因此在直流电传动中，牵引电机一般都采用直流串励电动机。在内燃机车发展的 初期，由于牵引电动机是直流电机，因而就很自然地配用直流牵引发电机作为供 电电源。这种传动方式沿用了很长的一段时间，例如我国的d f 型、d f 2 型、d f 3 型以及进口的n d l 型、n d 2 型等机车都属于这种传动形式。 但是从2 0 世纪6 0 年代以来，内燃机车不断向大功率发展，柴油机的功率和 转速不断提高，而直流牵引发电机的功率则受到换向条件和机车限界的限制，使 单机组直流电力传动内燃机的功率几乎限制在2 2 0 0 k w 以下。 1 1 2 交一直流电力传动 a e 丞塞垣盔堂童些亟堂僮途塞电佳动囱缝扭奎逦逵丕统摆述 这种传动方式是采用交流牵引发电机，通过大功率硅整流器使交流电变为直 流电，然后供给数台直流牵引电动机，如图1 2 所示。 在这种传动方式中，一方面保留了直流电动机作为牵引电动机的特点，另一 方面又采用交流牵引发电机通过整流器取代了直流牵引发电机，以克服制造大功 率直流牵引发电机时所出现的困难。由此可见，交一直流传动和直一直流传动两 者同属于直流调速系统。但交流发电机与直流发电机相比，前者无换向器，故结 构简单，运用可靠、省铜，质量轻且维护简便。在功率相等的条件下，交流牵引 发电机的质量约为直流牵引发电机的一半。因此在同等质量或体积下，它的功率 可以做得远比直流牵引发电机大。在机车交流牵引发电机的功率可以不受2 2 0 0 k w 的限制。 图1 2 交一直流电力传动 从2 0 世纪6 0 年代开始，国内外生产的大功率电力传动内燃机车普遍采用了 交一直流传动方式。我国生产的d f 4 型、d f 5 型、d f 6 型、d f 7 型、d f 8 型、d f 9 型、d f i o 型、d f l l 型、d f l 2 型内燃机车以及进口的n d 4 型、n d 5 型内燃机车 都属于这种传动形式。 1 1 3 交流电力传动 这种传动方式采用交流牵引发电机和交流牵引电动机，因两者都是交流电机， 故称为交流电力传动。 直流串励牵引电动机虽然具有良好的调速性能，但其主要缺点使结构上有换 向器，不仅质量和尺寸大、费铜，而且故障率高，维护保养麻烦，特别在直流牵 引电动机大负荷，高转速工作时换向器易出故障。由于交流电机没有换向器，故 不存在直流电机所具有的这些缺点。特别是鼠笼式异步交流电动机，具有结构简 单、体积小、运行可靠等优点，应用于内燃机车上，不但可以提高单节机车的功 率，而且由于交流电动机的硬特性使机车具有良好的防空转的性能。 交流异步电动机的转速主要决定于它的供电电源的频率。当电源频率一定时， 由于其机械硬特性，它的转速变化范围是很小的，必须对其供电电源的频率进行 大范围的调节，才能适应机车牵引速度变化范围大的要求。在机车上，交流牵引 发电机的频率取决于柴油机的转速，而柴油机在一定功率下工作时它的转速是不 变的，所以在一定的功率下发动机的频率也是不变的。因此交流电力传动的关键 是在交流牵引发动机和交流牵引电动机之间设置一个功率大、调频范围宽的变频 装置，以满足交流牵引电动机的调速要求。过去由于半导体技术不成熟，2 0 世纪 5 0 年代的交流传动仅限于旋转机组来实现变频调速，而这种笨重、复杂且低效的 变频机组使交流传动没有得到更多的发展。2 0 世纪6 0 年代以来，随着电力电子及 半导体技术的发展，大功率可控硅变频装置应运而生，为在内燃机车上采用交流 电力传动提供了技术条件，并已成功地应用于内燃机车上。 按变频方式，交流电力传动又可分为两种形式： ( 1 ) 交一直一交电力传动 具有中间直流环节的间接变频的交流电力传动，称为交一直一交流电力传动， 柴油机驱动交流牵引发电机，所产生的三相交流电经硅整流器z 整流为直流电， 再经过可控硅逆变n ( 可设一个或数个逆变器) ，将直流电转变为频率可调的交流 电，供给数台交流牵引电动机。这样的间接变频，使逆变器输出的三相交流电的 频率与牵引发电机发出的三相交流电的频率没有任何关系。在机车启动和调速的 整个工作范围内，交流牵引电动机的三相电源的频率都能平滑的调节。 ( 2 ) 交一交流电力传动 图1 3 交一直一交流电力传动 z 一硅整流n 一可控硅逆变器 图1 4 交一交流电力传动 b p 一变频装置 没有中间直流环节的直接变频的交流电力传动，称为交一交流电力传动，由 交流牵引发电机发出的三相交流电经一个或数个变频装置变频后，直接变为频率 可调的三相交流电，供给交流牵引电动机。 由于交一交流变频装置输出的频率要低于输入频率，一般最高输出电源频率 4 只能达到输入电源频率的三分之一，因而要求交流牵引发电机具有较高的频率。 因而交一交流传动比较适合于原动机转速较高的设备( 如燃气轮机) ，至于装设低、 中速柴油机的内燃机车，目前没有实用的交一交流传动的方案。 1 2 电传动内燃机车装置的功用 内燃机车的原动机是柴油机。从柴油机到机车轮对之间需要一套速比可变的 中间环节，即传动装置。由一套电气设备组成的这个中间环节，称为电力传动装 图1 5 内燃机车的理想牵引特性曲线和所对应的柴油机功率曲线 置，其任务是使柴油机的工作特性适合于机车牵引特性的要求。对于任何机车的 要求是机车在运行时能经济利用其动力装置的额定功率。 令f 为机车在速度v 时的牵引力，柴油机的额定功率为n e ；自柴油机至机车 轮周的传动效率为r l ，则 n e ：些( 1 ) 。3 6 式中，n e 为柴油机功率( 肼) ；f 为机车牵引力( 1 ( n ) ； v 为机车速度( 1 ( i t i h ) ；t l 为传动装置效率。 根据上述要求，机车运行时应保证柴油机额定功率不变。暂假设传动效率q 不变时，由上述可知，f v = 常数，即要求机车的牵引力f 与机车的速度v 成反比 的变化关系，如图i 5 所示。对机车牵引特性的主要要求是尽可能扩大这种恒功 率特性的调速范围，但实际上，最大牵引力f m a x 受机车动轮与钢轨之间粘着牵引 力( 阴影线段) 的限制，最高速度v m a x 受机车构造速度的限制。这一曲线通常称 为内燃机车理想牵引特性。柴油机的功率与速度的关系如图n = f ( v ) 曲线。由图1 5 可见，当机车按理想牵引特性曲线运行时，柴油机功率在机车主要的运行速度范 围内都应保持恒定，也就是说柴油机功率经常能够被充分利用。 如果在内燃机车上不采用任何传动装置，而将柴油机曲轴直接通过传动比不 变的机构与机车动轴连接，即构成所谓直接驱动机车。如此一来，机车运行速度v 与柴油机转速n 、轮周牵引力f 与柴油机扭矩m 之间有着直接的关系。 6 j e 立窑踅态堂童些亟堂焦监塞宝篮动由拯扭至迈速丞统援述 n 图1 ，6 直接驱动的内燃机车牵引特性_ 摹柴油机功率变化曲线 若忽略传动效率n 的变化，则可用柴油机扭矩m 和转速r l 之间的关系来代表直 接驱动的内燃机车牵引特性，它和柴油机特性完全相同。 柴油机的扭矩特性( 即扭矩与转速之间的关系) 和功率特性( 即功率与转速 之间的关系) 如图1 6 所示，该图也即直接驱动的内燃机车牵引特性和柴油机功 率变化曲线。显然，它不符合图1 5 所示的理想牵引特性的要求。当柴油机转矩m 几乎不随转速n 的改变而改变，因此柴油机的功率n 与其转速n 近似成正比变化， 柴油机只有在额定转速n 。运行时才能发出额定功率n e 。也就是说，采用直接驱动 的机车，只有在对应柴油机额定转速的最高运行速度时柴油机功率才能得到充分 利用，低于这个运行速度，柴油机功率得不到充分发挥，而且机车的运行速度较 低，柴油机的利用也越低。 此外，柴油机的转速变化范围很窄，不能带负荷启动；而且承受过载能力很 差，当转速低于最小工作转速n 。时，就会“熄火”而停止运转；当超过最高工作 转速n - 。时，会造成柴油机机械损坏：柴油机曲轴只能单方向旋转。因此直接驱动 的内燃机车不能使列车启动和低速运行，不能改变运行方向，机车的运彳亍速度范 围和负载的变化受到限制。 内燃机车采用直接驱动方式还存在其他不满足理想特性要求的问题，上述几 点已足以证明在内燃机车上不能采用直接驱动方式。为此必须在柴油机与机车动 动轴之间设置专门的传动装置。柴油机在工作过程中应以降低燃油消耗量，提高 经济性能为目标。为此，在柴油机最小工作转速与最高转速的工作范围内，其输 出的功率应按经济特性进行标定，即柴油机某一转速对应某一最经济的输出功率。 所以，为了使内燃机车在宽广的速度范围内能充分、经济地利用柴油机的功率， 传动装置的主要任务是：不论机车在额定功率还是部分功率运行，都应当保持柴 油机在某一转速下的功率恒定( 对应的柴油机转速恒定) ，我们称这种传动装置为 7 “内燃机车恒功率调速装置”。由于内燃机车运行性能的好坏直接取决于传动装置 性能的好坏，因此对传动装置的要求除了进行恒功率调速外，还应具有其他功能。 对传动装置的要求一般可概括如下： ( 1 ) 当机车运行在需要柴油机发挥额定功率情况时，电力传动装置应该使机 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 ) 电力传动装置应保证柴油机在无负载情况下启动。 ( 3 ) 机车启动时，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工程平稳而无冲动。 ( 4 ) 电力传动装置应该具有较高的效率。 ( 5 ) 电力传动装置必须工作可靠、质量轻、体积小、维修方便。 1 3 电传动内燃机车电路的组成 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。电力传动内燃机车上的电路，按其作用可以分为主电路、励磁电路、辅助电 路和控制电路四大系统。 主电路将产生机车牵引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。因此主电路性能的优劣， 在很大程度上决定了机车性能的好坏、投资的多少及运行费用的高低等主要技术 经济指标。 在交一直流传动中，励磁电路通常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。 励磁调节系统应尽可能扩大牵引电机的恒功率范围，使机车在宽广的速度范围内 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。 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。 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。控制电路包括各种控制开关、 继电器和电空阀等。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( 接通或断开) ，从而使机车按照司机的操作意图运行。 随着电子技术、计算机技术的发展，电子控制系统及计算机控制系统已经应用于 机车，实现了机车的自动控制。这些现代控制技术的应用提高了机车的牵引性能 和运行的安全可靠性，也是提高机车各项技术经济指标的有效措施之一。 9 1 4电传动内燃机车的发展特点 从目前国内外情况来看，大功率内燃机车电力传动发展的特点主要有以下几 个方面。 ( 1 ) 普遍采用交一直流传动方式并发展交流传动方式 目前国内外生产的大功率内燃机车大部分都采用交一直流传动方式。尽管在 一定功率和一定速度范围内，直流牵引电动机的调速性能仍将保留其简单、经济 等特点，但是随着交流传动技术的发展成熟和生产成本的合理解决，交流传动无 疑将是电传动内燃机车传动方式的主要发展方向。 ( 2 ) 广泛采用新型电子技术和微机控制技术 牵引发电机励磁系统的自动调节，是保证充分利用柴油机功率，实现比较理 想的牵引特性的关键。应用电子技术和微机控制技术可以准确、迅速、可靠地实 现机车恒功率励磁调节。自动调速、自动制动。同时微机控制系统还能综合各种 信号进行控制，实现各种自动保护，如机车防空转、防滑自动保护、接地自动保 护、过流过压自动保护等。此外微机系统还可以实施故障监视、检测、诊断、处 理、显示和记录等功能，以便迅速发现故障和查找故障点 ( 3 ) 改进工艺，提高可靠性并使检修方便 在国外机车上已普遍注意机组的组件化和控制系统组件化。过去庞大的接触 器和继电器及其相互连接的导线，已被微小的电子元件及插件所取代，这些插件 上有供检查用的插孔，通过插孔可对组件的性能进行检查。每种组件都安装在密 封电器柜内，可成组地安装和拆下组件，方便了检修工作，也易于发现故障，从 而提高了可靠性。 ( 4 ) 统一化和通用化 在各种不同功率乃至不同类型的机车上采用统一的、通用的零部件，可以实 现集中生产，提高产品质量，降低生产成本。而且还可大大简化运用部门和检修 部门的工作，降低运用和维修费用，其经济效果是很显著的。 2 恒功调速系统的基本工作原理 2 1 恒功调速系统的组成 任何闭环控制系统均是基于“检测偏差，纠正偏差”的原理工作的。典型的 恒功率励磁系统如图2 1 及图2 2 所示。其中2 1 所示的系统是以控制柴油机恒功 率为目标：而图2 2 所示的系统是控制牵引发电机恒功率为目标。它们主要由下列 各个环节组成。 至 q l 臣叵卜4 鎏卜熏恶p 帆 i 执行元件l输出电功率 l i 图2 1 控制柴油机输出功率恒定的励磁系统 甲2 i 圆 图2 2 控制牵引发电机输出功率恒定的励磁系统 ( 1 ) 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，给定信号有时也称基准信号。 f 2 ) 检测单元 由它检测柴油机或牵引发电机输出的实际功率。检测单元输出的检测信号j 与柴油机或牵引发电机实际输出功率成正比。 ( 3 ) 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 j e 塞窑适盔堂童些亟堂僮迨塞垣功遢速丕箍鳆基奎王往厦堡 p j 删- - g j ) 送往调节器。 ( 4 ) 调节器 它根据偏差值p i 发出调节信号t 去控制执行元件。励磁系统的动态和静态性 能一般均取决于调节器的性能。它有多种类型，常用的有比例放大器、积分器和 比例积分器等。 ( 5 ) 执行元件 用于调节牵引发电机励磁电流的装置，所以又称励磁调节装置，它可以由可 变电阻、直流斩波器或可控整流器等组成 ( 6 ) 被调对象 在恒功率励磁系统中，被调对象应该是柴油机或牵引发电机。但是柴油机功 率的调节也是通过调节牵引发电机功率来达到的，因此只需把牵引发电机看作被 调对象。而功率检测信号既可从柴油机上取出( 图2 1 ) ，也可以从牵引发电机上取 出( 图2 2 ) 。 根据励磁调节装置在励磁系统中的位置不同，励磁系统大致可分为两类。 ( 1 ) 直接控制的励磁系统 励磁调节装置直接置于牵引发电机的励磁回路里，直接调节牵引发电机的励 磁电流，这个系统称为直接控制的励磁系统，其原理图如图2 3 所示。在这种系统 本 1 z l 电动机 图2 3 直接控制的励磁系统原理图 中，励磁机l 与同步牵引发电机g 均由柴油机带动，当柴油机转速一定时，励磁 机输出电压恒定。励磁机可以是直流发电机，也可以是交流发电机。若为交流发 电机，这时励磁调节装置应该兼有整流和调节双重作用。励磁调节装置可以采用 可控整流装置，通过调节可控硅的导通角进行整流和调节；也可以先经二极管整 流器整流，然后再采用斩波器或其他励磁调节装置来调节牵引发电机的励磁电流。 在直接控制系统中，因为是直接调节牵引发电机的励磁电流，所以调节过程 时间常数较小，有利于提高动态调节性能。但是，流过励磁调节元件的电流较大， 对调节元件的容量就要求大。 ( 2 ) 间接控制的励磁系统 有时为了减小执行元件的容量，常在执行元件和牵引发电机励磁绕组之问加 入一级或者两级中间放大环节。常用的中间放大环节有电机和磁放大器等。图2 4 2 韭塞銮适叁兰童些亟堂焦监塞垣麴遢鎏丞筮鳆垂奎王往厦垄 所示为采用电机作为中间放大环节的原理图，励磁调节装置置于励磁机的励磁回 路里，通过对励磁机的励磁电流调节来间接地调节同步牵引发电机g 的励磁电流， 这种励磁系统称为间接控制系统，励磁机起中间放大作用( 图中2 z l 为励磁机整 流柜) 。 + 动机 图2 a 问接控制的励磁系统原理图 这种间接控制的励磁系统，虽然调节过程的时间常数相对较大，但是流过励 磁调节元件的电流减小很多，可以采用小容量的元件，特别适用于电子调节装置。 2 。2 恒功调速系统的工作原理及分类 2 2 1 恒功率励磁系统的工作原理简述如下： 只要牵引发电机或者柴油机的输出功率与给定信号的功率值不相等时，就会 出现偏差信号。由于偏差信号的存在，调节系统就不停地进行调节，直到消除偏 差为止。因此调节系统处于平衡状态时，功率检测信号j 必等于功率给定信号g 。 这一结论适用于任何以积分型器件作为调节器的闭环控制系统。所以在闭环控制 系统中，给定功率值g 的大小决定了柴油机或牵引发电机输出功率值的大小，改 变g 值，就能改变柴油机或牵引发电机的输出功率值。 恒功率励磁系统中各环节的信号采用何种物理量，只有根据各控制环节所采 用的元件类型来决定，通常采用的有电模拟量和机械位移量。 2 2 2 、恒功调速系统的分类 尽管各种恒功率励磁系统的各个组成环节基本相同，但由于采用的调节器类 型不同，使系统的结构形式和性能会很不相同。因此按调节器的性质分类，可分 为下列三类： ( 1 ) 采用液力调节器( 联合调节器) 的恒功率励磁系统； ( 2 ) 采用电子调节装置的恒功率励磁系统( 简称电子恒功率励磁系统) ： ( 3 ) 采用微机控制的恒功率励磁系统。 1 4 3 直流恒功调速系统的理论分析及研究 3 1 交流牵引发电机的理想外特性 作为内燃机车的传动装置，主要应当完成下述三项任务： ( 1 ) 当机车运行在需要柴油机发出满功率时，应使机车在规定的运行速度范 围内保证柴油机在额定功率下工作，既不过载也不欠载； ( 2 ) 当机车仅需柴油机以部分负荷运行时，应使机车在规定运行速度范围内 保证柴油机能按其经济特性运行； ( 3 ) 机车应有良好的起动性能。 在交一直流传动系统中，以上三项任务主要依靠调节牵引发电机的外特性来 达到。 在内燃机车上，牵引发电机既是柴油机的负载，又是牵引电动机的电源。作 为牵引电动机的电源，就需要改变输出电压以满足机车起动及调速的要求：作为 柴油机负载又要求在输出电压变化时维持柴油机功率不变。为此，需首先研究满 足上述要求的牵引发电机的理想外特性。 3 1 1 、牵引发电机的理想外特性 在机车上，柴油机所发出的有效功率除少部分供给机车辅助设备外，绝大部 分都用来供给同步牵引发电机作为牵引之用，因此牵引发电机的输出功率与柴油 机有效功率之间的关系可用下式表示： p f = 等) ) o z = u f l f ( 2 ) 式中，p f 为牵引发电机直流侧的功率( w ) ；n e 为柴油机有效功率( k w ) ：n 旬为 由柴油机所驱动的辅助设备所消耗的功率( i ；) f 为牵引发电机的效率；) z 为硅 整流器的效率：u f 为整流后的牵引发电机电压；i f 为整流后的牵引发电机电流 ( a ) 。机车上辅助设备所消耗的总功率约占柴油机功率的1 0 ，并只决定于它们自 己的工况，与机车运行情况关系不大。_ f 和口z 虽然与负载电流有关，但变化很小。 为讨论问题方便起见，先假设n o 不变，并忽略效率的变化，则上述保持柴油机功 率恒定不变的要求就成为牵引发电机直流侧电流和电压的乘积( u n 0 保持不变，即 牵引发电机的电压与电流呈反比变化而保持其输出功率不变。从外特性曲线上看， 就是牵引发电机应具有等边双曲线的外特性，如图3 1 中的b e d 所示。这一双曲线 通常称为牵引发电机的恒功率外特性曲线。但是，这一恒功率曲线并不能沿坐标 轴无限延伸下去，因为任何一个发电机的最高电压和最大电流总是受到电机本身 参数的限制而不能无限增大。恒功率曲线上最高点b 相应的电压成为恒功率范围 内的最高电压u f p m a x ，相应的电流称恒功率范围内的最小电流i f p m i n ；恒功率曲 线上最低点d 相应的电流称恒功率范围内的最大电流i f p m a x ，相应的电压称恒功 率范围的最低电压u 审r a i n 。 由于受到u f p m a x 和i f p m a x 的限制，因而可得图3 1 a b c d e 曲线，这条曲线称 为牵引发电机的理想外特性曲线。该曲线分为三个部分，曲段称为限压区，d e 段 称为限流区，b e d 段称为恒功率区。图中对应a b e , d e 各段的柴油机功率的变化如曲 线o f g e 所示。 需要指出的是，牵引发电机的电流值是按额定电流设计的。当牵引发电机电 流等于或小于额定电流时，牵引发电机可以持续运行；而当牵引发电机电流大于 额定电流时，电机仅能作短时运行。因此，牵引发电机的理想外特性曲线由额定 c ， 口 【，枷 u f “ u r n , _ 作区域 图3 1 牵引发电机的理想外特性 电流值分界，可分为短时工作区域与持续工作区( 见图6 ，7 ) 。逯常将持续工作区内 与额定电流相对应的电压称为额定低电压u f d e ，而额定电流又称为低压额定电流 i f d e 。最高电压u f p m a x 与额定电压u f d e 的比值称为牵引发电机的调压比k p u ， 即k p u = u 8 m a x u f d e 。调压比是衡量牵引发电机恒功率曲线范围大小的重要参 数。调压比值越大，则机车在恒功率持续运行工况下的调速范围越宽，但调压比 的增大，受到牵引发电机自身参数的影响，且使电机造价增大，故不能无限制增 大。因此恒功率曲线范围通常总是根据机车运行要求以及机车造价等因素综合考 虑的。 当牵引发电机在u 币m m u 币m a x 范围内运行时，牵引电动机相应是在一定 的转速范围内运行，同时柴油机是在某一固定不变有效功率值下稳定运行，这就 达到了恒功率调速的目的。通常机车运行的主要速度范围是在发电机持续工作的 恒功率区段内。牵引发电机在限流区及眼压区工作时，柴油机功率均有所降低， 但是限流区段通常仅是机车在启动阶段时运行的区域，而限压区段是机车运行中 1 6 j b 塞窑壅太堂童些亟堂焦监塞童远垣功调蕉丕筮鲣理迨盆扭厘班宜 不希望进入的区域。有些机车在整个运行范围内，牵引发电机不会进入限压区工 作，有些机车则在高速运行范围内才有可能进入限压段。 以上是假设辅助功率n f j 不变时得到的理想外特性曲线，但实际上机车运行时 n 巧也会有所变化。图3 2 为n 巧值从最大到最小之间变化时理想外特性曲线变化 的情形。机车上辅助装置功率交化时，相应的牵引发电机理想外特性曲线总是处 在b c d d c b 区域之内。可见，为维持柴油机功率不变，牵引发电机的理想外特性 曲线并不是惟一循着b c d 曲线变化，而是随着n o 的变化而有所变化，在设计牵引 发电机励磁系统时，需要考虑n f i 值的变化。但是n o 值的变化与额定功率相比是 比较小的，为了叙述问题方便起见，可以忽略n 6 的变化，此时相应某一柴油机功 率下的牵引发电机理想恒功率曲线仅为一条。 以上讨论了相应于柴油机某一功率下的牵引发电机理想外特性，下面进一步 讨论在司机控制器各手柄位时的理想外特性曲线。 由于在电力传动内燃机车上，一般均采用全制式调速器调节柴油机转速， 图3 2 n 6 变化时的牵引发电机理想外特性 图3 3 牵引发电机各手柄位时的理想外特性曲线 因此司机控制器的每一手柄位与柴油机的每一转速一功率值相对应。司机各 手柄位下的理想外特性曲线如图3 3 所示，其中每一手柄位的理想外特性曲线同样 都由恒功率、限流、限压区段所组成。根据对电力传动装置的要求，最大手柄位 时牵引发电机理想外特性中恒功率区段的功率应与柴油机额定功率相对应，低手 柄位时各恒功率区段的功率应与柴油机各转速下的经济特性曲线上的功率相对 应。 低手柄位时理想外特性曲线中的限电流值应该根据机车起动要求来选择，因 为机车的启动牵引力是由各低手柄位置的限流值所决定的。一般来说，限流值的 选择应该在第一手柄位时较小，但在低手柄范围内限流值增加较快，到较高手柄 的范围内增大慢一些，这样可使机车起动既快速又平稳，并能较好控制机车起动 1 7 时容易发生的轮对打滑现象。各手柄位时的限压值主要受牵引发电机的最大励磁 电流所引起的励磁绕组发热所限制。 顺便指出，这里所讨论的牵引发电机外特性均是指直流侧的电压和电流之间 的关系。但由于硅整流器的交流输入与直流输出之间基本上具有固定的比例关系， 因此硅整流器直流侧输出的电压和电流之间的关系即反映了同步牵引发电机交流 侧的外特性，两者没有根本区别。 3 1 2 、同步牵引发电机的调整特性 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。当保持柴油机的转速不变时，牵引发电机的励磁电流i f l 随负载电流i f 的变化关系，称为牵引发电机的调整特性，即m - - f 0 0 。 牵引发电机的调整特性可通过它的自然外特性用图解法求得。同步牵引发电 机在某转速n 时的自然外特性如图3 4 所示。图中绘出三条曲线，每条自然外特性 圉3 4 同步牵引发电机调整特性的图解法图3 5 同步晕弓i 发电机的调整特性 对应的励磁电流分别为i f l l 、i l l 2 、i l l 3 ，其中i f l l i t l 2 1 t 1 3 。图中同时也绘出该 转速时牵引发电机应维持的恒功率曲线a b e d e ( 恒功率值为p ) ，其中a 、b 、c 、d 、e 各点分别为恒功率曲线与各自然外特性曲线的交点( c 点为切点) 。发电机负载电流 为i f a ，发电机励磁电流为i f l l ，由此可在图3 5 中所示的调整特性上定出对应于工 况点a 的位置。同理，可以求的工况点b 、c 、d 、e 时的负载电流i f b 、i f c 、i f d 、i f e 和对应的励磁电流i f l 2 、i f l 3 、i f l l ，并相应在调整特性上定出b 、c 、d 、e 各点的 位置。连接各点，即可求得同步牵引发电机转速为n 、功率为p 时的调整特性曲线 a b e d e ( 见图3 5 ) 。 用同样的方法也可求出理想外特性曲线上限压和限流区的调整特性。图3 5 中 线段m e 和a k 是对应于限压区和限流区段的调整特性。因为同步牵引发电机理想 外特性上的限压和限流线与其自然外特性曲线接近重合，所以与调整特性上对应 的这两个区段基本上是两条水平直线，即励磁电流近似保持不变。 同步牵引发电机在不同的转速时，具有不同的自然外特性，同时它所应维持 的恒功率值p 也不同。所以在不同的手柄位置时，发电机对应有不同的调整特性， 但各调整特性曲线形式大致相似，均呈一“马鞍”形曲线。 调整特性为我们展示了同步牵引发电机励磁电流大致的调节规律。在设计牵 引发电机的励磁控制系统中，通常需要根据调整特性来正确选择元件参数。在某 些恒功率励磁控制系统中，牵引发电机在各手柄位下的限流值、限压值就是由限 制牵引发电机的励磁电流值来达到的，这时各手柄位下的最大励磁电流值就可由 调整特性确定。 韭枣至重态堂童些亟堂焦监塞直逾垣功迈速丕缍鳆堡迨筮扭厘鲤荭 3 2 联合调节器恒功率调速系统 3 2 1 、基本原理 d f 4 型机车采用这种系统，是以控制柴油机恒功率为目标。但是，直接检测 柴油机的输出功率比较困难，只能采用间接的方法来检测。在机车柴油机上，一 抗动 图3 6d f 4 型机车恒功率励磁控制系统结构图 般均通过全制式调速器进行恒转速控制，使柴油机能精确地维持各手柄位下的转 速恒定，此时，柴油机供油量信号就可作为柴油机的功率信号。当规定转速下的 供油量恒定时，则该转速下的功率值也为恒定。这样，通过对柴油机恒转速和恒 供油量的控制来实现柴油机恒功率的控制。 联合调节器式恒功率励磁系统结构如图3 6 所示。 这是一个双闭环系统。图中下半部分是一个恒转速闭环，它检测柴油机的转 速信号j n ，并与司机主手柄给定的转速信号g n 相比较，输出偏差信号，使供油伺 服器动作，供油伺服器通过传动机构带动柴油机供油齿条移动，以改变供油量， 直到柴油机转速恢复到给定值为止。若柴油机负载( 由牵引发电机及辅助装置所消 耗的功率来决定) 减小，则柴油机转速升高而高于给定转速，供油伺服器带动供油 齿条减小供油量；反之，当柴油机负载增大，则柴油机转速下降而低于给定转速， 供油伺服器使供油齿条移动增大供油量，从而使柴油机转速恢复到给定值。图中 上半部分为一个恒供油量闭环。供油量给定信号g y ，是由柴油机转速给定信号 g n 通过函数变换器得到的，函数变换器应给出符合柴油机经济特性曲线的转速与 供油量给定信号之间的关系曲线。用反映柴油机供油量大小的供油齿条的位置作 为供油量检测信号与由司机手