搜索
内燃机车电力传动（一）内燃机车电力传动（三）对电传动内燃机车的调速即是对牵引电动机的调速。根据直流牵引电动机的转速公式：机车在恒功率条件下的运行速度变化可由调节牵引电动机的端电压UD及励磁磁通φD来实现。在交—直流电传动内燃机车上，牵引电动机电压的调节一般是通过调节牵引发电机的输出电压来达到，另外也可通过改变主电路的联接方式来达到。而牵引电动机磁通的调节，一方面由于机车上通常采用的是串励牵引电动机，其磁通随着牵引电动机电枢电流ID的变化而自动调节；另一方面还可采用对牵引电动机磁场削弱的方法来扩大磁通调节范围，从而获得更为宽广的恒功率运行速度范围。因此，在交—直流恒功率调速系统中将涉及以下四个主要问题：（1）为保证机车在恒功率条件下运行，牵引发电机应具有的理想外特性；（2）为使牵引发电机获得理想外特性而采用的励磁控制系统；（3）牵引电动机采用磁场削弱来扩大恒功率调速范围的方法；（4）同步牵引发电机电枢绕组采用并—串联换接或牵引电动机采用串—并联换接扩大恒功率调速范围的方法。DeDDDDCRIUn第一节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—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。一、牵引发电机的理想外特性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：ＰF＝1000（Ｎe－Ｎfj）ηFηZ＝ＵF·ＩFＰF—牵引发电机直流侧的功率（Ｗ）；Ｎe—柴油机有效功率（ｋＷ）；Ｎfj—由柴油机所驱动的辅助设备所消耗的功率（ｋＷ）；ηF—牵引发电机的效率；ηZ—硅整流器的效率；ＵF—整流后的牵引发电机电压（Ｖ）；ＩF—整流后的牵引发电机电流（Ａ）。UFPmaxUFPminUFde(UFge)UFNeIFPmaxIFPminIFeIFabcde0fg持续工作区短时工作区UF·IF=常数(IFch)图3—1牵引发电机的理想外特性假设Ｎfj不变，并忽略效率的变化，柴油机功率恒定，则ＵF·ＩF=常数这一双曲线通常称为牵引发电机的恒功率外特性曲线恒功率范围内的最高电压ＵＦＰｍａｘ限制恒功率范围内的最大电流ＩＦＰｍａｘ限制由额定电流值ＩＦｄｅ分界，可分为短时工作区域与持续工作区辅助装置功率变化的影响UFNeIFab’c’e0图3—2Nfj值变化时，牵引发电机的理想外特性bcd’dNfj值最小时Nfj值最大时实际上机车运行时辅助装置功率Ｎｆｊ会有所变化。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唯一循着bcd曲线变化，而是随着Ｎｆｊ的变化而有所变化，称之为功率转移，在设计牵引发电机励磁系统时，需要考虑Ｎｆｊ值的变化。但Ｎｆｊ值的变化与额定功率相比较小，为便于讨论问题，可以忽略Ｎｆｊ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。司机控制器各手柄位时的理想外特性曲线UFIF246810121416图3—3牵引发电机各手柄位时的理想外特性司机控制器的每一手柄位与柴油机的每一转速-功率值相对应。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。要求在最大手柄位时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。低手柄位时的限电流值应该根据机车起动要求来选择。一般应在第一手柄位时限流值较小，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时容易发生的轮对空转打滑现象。各手柄位时的限压值主要由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。二、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ＩＦＬ随负载电流ＩＦ的变化关系，称为牵引发电机的调整特性，即ＩＦＬ＝ｆ（ＩＦ）。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。调整特性展示了同步牵引发电机励磁电流大致的调节规律，为设计励磁控制系统、正确选择元件参数提供依据。UFIFIFL1IFL2IFL3IFeIFdIFcIFbIFamedcbak0IFLIFIFL1IFL2IFL3IFeIFdIFcIFbIFamedcbak0n=常数P=常数图3—4同步牵引发电机调整特性的图解法图3—5同步牵引发电机的调整特性第二节牵引发电机恒功率励磁系统的基本工作原理一、恒功率励磁系统的组成功率给定调节器执行元件（励磁调节装置）被调对象（牵引发电机）柴油机功率检测辅助装置GJTPiIFL比较环节输出电功率至牵引电动机+-图3—6控制柴油机输出功率恒定的励磁系统图3—7控制牵引发电机输出功率恒定的励磁系统功率给定调节器执行元件（励磁调节装置）被调对象（牵引发电机）功率检测柴油机辅助装置GJTPiIFL比较环节输出电功率至牵引电动机+-励磁系统的分类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２、间接控制的励磁系统+－励磁调节装置LF1ZL至牵引电动机图3—8直接控制的励磁方式励磁调节装置LF2ZL1ZL+－至牵引电动机图3—9间接控制的励磁方式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。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间加入一级或者两级中间放大环节，但调节过程的时间常数相对较大。二、恒功率励磁系统的工作原理abcc’UFIF．．．恒功率曲线12图3—10恒功率励磁系统调节过程1、2—励磁电流分别为IFL1、IFL2时的牵引发电机自然外特性曲线；IFL1＞IFL2。恒功率励磁系统的工作过程：设牵引发电机已工作在恒功率外特性曲线上的某点a，则功率给定信号Ｇ与功率检测信号Ｊ相等，即Ｇ＝Ｊ，偏差信号Pi等于零。若采用了积分型调节器，调节器输出的调节信号Ｔ维持不变。若机车运行中因阻力减小使牵引电动机转速增加，从而使牵引发电机电流减小时，则在此瞬间，励磁电流未变，牵引发电机工作点将按其自然外特性abc上升至ｃ点。显然Pi＝Ｇ－Ｊ＜０，使调节信号Ｔ值下降，励磁电流减小，从而使牵引发电机输出功率随着自然外特性曲线的变化而下降。直到牵引发电机新的工作点c‘重合在恒功率外特性曲线上时为止。此时Pi＝Ｇ－Ｊ＝０，励磁电流不再变化，整励磁系统才处于平衡状态。三、恒功率励磁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、采用液力调节器的恒功率励磁系统结构上，完成恒功率励磁调节任务的液力元件常与柴油机调速器组合在一起，称为联合调节器，所以这种系统也称为采用联合调节器的恒功率励磁系统。其特点是对柴油机实行了以恒供油量及恒转速为目标的控制，从而实现柴油机恒功率控制。该系统为双闭环控制系统，即转速闭环系统和供油量（功率）闭环系统。图3—11采用联合调节器的恒功率励磁系统方框图函数变换器功调伺服器功调电阻牵引发电机柴油机GyJyIFL输出电功率至牵引电动机+-转速信号给定供油伺服器转速信号检测+-JnGn供油齿条位置n联合调节器手柄位函数变换器：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功调伺服器、供油伺服器：积分调节器２、电子恒功率励磁系统主要依靠电子装置来完成恒功率调节任务的励磁系统。由于发电机输出功率比较容易检测，而柴油机功率一般不易直接检测，所以电子恒功率励磁系统通常以调节牵引发电机输出功率恒定为目标。其特点是只要设定了各司机手柄位的功率给定值，牵引发电机就可获得各手柄位下的理想外特性曲线；整个电子系统的响应速度快，具有良好的动态性能。但为了能够保证柴油机恒功率，必须解决辅助装置功率转移的问题。图3—12电子恒功率励磁系统控制方案功率给定调节器执行元件（励磁调节装置）被调对象（牵引发电机）电压检测UpgIFL输出电功率至牵引电动机+-电流检测乘法器UppiUpjUujUijUTUFIF调节器：常用比例放大器、比例积分器等执行元件：常用斩波器、可控整流器等辅助装置功率转移当机车上辅助装置功率变化时，相应改变牵引发电机功率以维持柴油机功率恒定。实现辅助装置功率转移的方法有下述两种：（1）设置辅助装置的功率检测环节图3—13用检测辅助装置功率的方法实现辅助装置功率转移功率给定调节器励磁调节装置牵引发电机牵引发电机功率检测UpgIFL输出电功率至牵引电动机+-辅助装置功率检测加法器UppiUpj+UfpjUfpjUpjUT柴油机辅助装置（2）当辅助装置功率变化时，相应改变牵引发电机的功率给定信号值，以维持柴油机功率不变。改变牵引发电机功率给定信号的办法有多种，一般多利用联合调节器来实现辅助功率转移。３、微机控制恒功率励磁系统进入八十年代以来，微型计算机的制造技术迅速发展，微机成本下降，体积减小，功能提高，因此，越来越多的控制系统采用了微型计算机。机车上也开始应用了微机，并逐步完善和增强微机功能，可以说目前新一代的内燃机车无不采用微机控制装置。对于微机控制的恒功率励磁系统，简单地说就是用微机或微处理器完成功率检测、比较及调节等功能。实际上，微机的作用远不止于此，它还具有许多常规系统无法比拟的复杂功能，使整个内燃机车系统更加完美。在微机控制中许多复杂的控制功能都是通过软件编程、数学运算来实现的，从而大大简化了电路结构。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。微机控制系统还能方便地实行机车运行参数的实时检测、自动显示、存储及故障报警等功能。第三节东风4型机车恒功率励磁系统一、东风4型机车恒功率励磁系统的基本原理联合调节器式恒功率励磁系统的调节过程首先是柴油机的负载变化而引起转速变化，由转速变化引起供油量变化以维持转速恒定；而供油量变化引起牵引发电机的励磁调节作用，使柴油机负载趋向于恢复给定值，进而在控制转速恒定的同时，使供油量趋于恢复给定值。当调节过程完毕，调节系统处于平衡状态时，柴油机必定既处于给定转速值下，又在给定供油量下工作，柴油机功率保持恒定。图3—14东风4型机车恒功率励磁系统方框图函数变换器功调伺服器功调电阻牵引发电机柴油机GyJyIFL输出电功率至牵引电动机+-转速信号给定供油伺服器转速信号检测+-JnGn供油齿条位置n联合调节器测速发电机励磁机及整流器辅助装置扰动司机控制器二、联合调节器的工作原理图3—15联合调节器-C工作原理图图3—15联合调节器-C工作原理图三、恒功率励磁控制系统调节过程三、恒功率励磁控制系统调节过程（一）机车起动：柴油机空载启动后，主手柄从0为提到1位，牵引发电机获得励磁电流而发电，牵引电动机获得电流而驱动机车开始走车。（二）司机控制器主手柄位不变，外界负载有变化：1.恒功率的调节过程：调节牵引发电机励磁电流，使柴油机转速和供油量维持恒定。2.牵引发电机限流、限压：采用了限制各手柄位时牵引发电机最大励磁电流IFLmax的方法。（三）司机控制器主手柄位不变，辅助装置功率变化：相应改变牵引发电机功率，以保证柴油机恒功率运转。（四）升降司机控制器主手柄位：柴油机转速给定