內(nèi)燃機(jī)車電力傳動控制

內(nèi)燃機(jī)車交流傳動及其控制系統(tǒng)1、概述電力傳動系統(tǒng)的各項功能是通過一定形式的電路驅(qū)動各種電氣設(shè)備得以實現(xiàn)的，電傳動內(nèi)燃機(jī)車上的電路，按其作用可以分為主電路、調(diào)節(jié)電路、輔助電路和控制電路四大系統(tǒng)。主電路將產(chǎn)生機(jī)車牽引力和制動力的各種電氣設(shè)備連成一個系統(tǒng)，實現(xiàn)機(jī)車的功率傳輸，是電傳動機(jī)車最重要的組成部分之一，不但決定電傳動機(jī)車的類型，而且在很大程度上決定該型機(jī)車的基本特性。因此主電路性能的優(yōu)劣，在很大程度上決定了機(jī)車性能的好壞、投資的多少及運行費用的高低等主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。調(diào)節(jié)電路在交-直流傳動中通常是內(nèi)燃機(jī)車上保證柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組恒功率運行的勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它包括牽引發(fā)電機(jī)的勵磁回路及恒功率勵磁調(diào)節(jié)回路等；在交-直-交流傳動中則是指保證柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組恒功率運行的牽引發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)和逆變器變壓變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)。調(diào)節(jié)電路應(yīng)盡可能擴(kuò)大牽引電機(jī)的恒功率范圍，使機(jī)車在寬廣的速度范圍內(nèi)都能充分發(fā)揮柴油機(jī)的功率，獲得良好的經(jīng)濟(jì)運行特性，滿足內(nèi)燃機(jī)車牽引性能的要求。輔助電路將機(jī)車上的各種輔助電氣設(shè)備和輔助電源連成一個系統(tǒng)，成為保證機(jī)車正常運轉(zhuǎn)不可缺少的電氣裝置。機(jī)車上的輔助電氣設(shè)備包括：通風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、油泵等的拖動電機(jī)、起動輔助發(fā)電機(jī)、蓄電池、照明設(shè)備等。輔助傳動系統(tǒng)通常為直流傳動，由輔助發(fā)電機(jī)在電壓調(diào)整器（或微機(jī)）的控制下向輔助電路提供110V的直流電，再由各種直流電動機(jī)驅(qū)動輔助裝置運轉(zhuǎn)。由于是恒定的110V直流電壓供電，各輔助直流電動機(jī)基本不能調(diào)速，只能按工況以一定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)或停止，使輔助系統(tǒng)并非保持在最佳工況下運轉(zhuǎn)，工作效率不高。另有一部分輔助裝置則是由機(jī)械或液壓驅(qū)動，工作效率同樣不高。因此，為提高機(jī)車整個輔助系統(tǒng)的性能及效率，近年來開始發(fā)展輔助交流傳動系統(tǒng)，輔助裝置的拖動電機(jī)為交流電動機(jī)，能夠根據(jù)工況的變化進(jìn)行變頻或變極調(diào)速，使輔助系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)及工作效率。控制電路將控制主電路和輔助電路各電氣設(shè)備的控制電器、信號裝置和控制電源連成一個電氣系統(tǒng)，實現(xiàn)對機(jī)車的操縱和控制?？刂齐娐钒ǜ鞣N控制開關(guān)、繼電器和電空閥等。司機(jī)通過控制電路的作用，可以控制主電路和輔助電路的各種電器按照一定的順序動作（接通或斷開），從而使機(jī)車按照司機(jī)的操作意圖運行?，F(xiàn)代機(jī)車的控制電路已從復(fù)雜的繼電器邏輯電路開始過渡到可編程邏輯控制器（PLC）或微機(jī)邏輯控制系統(tǒng)，使控制電路趨于簡單可靠。隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子控制系統(tǒng)及計算機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)車，實現(xiàn)了機(jī)車的自動控制。這些現(xiàn)代控制技術(shù)的應(yīng)用提高了機(jī)車的牽引性能和運行的安全可靠性，也是提高機(jī)車各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的有效措施之一。2、電力傳動控制通過對機(jī)車電傳動系統(tǒng)的控制實現(xiàn)機(jī)車起動、調(diào)速運行、動力制動的全過程。內(nèi)燃機(jī)車起動控制由于列車起動時存在較大的摩擦阻力，并且需要較大的起動加速度以保證列車起動加速快、運行平穩(wěn)，因此，機(jī)車應(yīng)以較大的恒定牽引力起動，對牽引電動機(jī)及機(jī)車動輪來說稱為恒轉(zhuǎn)矩起動。機(jī)車的起動牽引力是由司機(jī)控制器主手柄位所決定的，每個手柄位的起動牽引力恒定。機(jī)車起動時，從低手柄位開始提升手柄，隨著手柄位的提高，牽引力也隨增大，使列車能夠快速平穩(wěn)地達(dá)到正常的運行速度。機(jī)車的起動牽引力與其牽引噸位及坡道有關(guān)，當(dāng)牽引重載列車在上坡道上起動時，需要較大的起動牽引力方能起車,但要防止超過輪軌之間的最大黏著牽引力而出現(xiàn)輪對空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在內(nèi)燃機(jī)車交-直流傳動系統(tǒng)中，司機(jī)控制器各手柄位的起動恒轉(zhuǎn)矩是通過控制各手柄位的最大起動電流來實現(xiàn)直流牽引電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩恒定。同步牽引發(fā)電機(jī)經(jīng)整流裝置向牽引電動機(jī)供電，控制各手柄位下牽引發(fā)電機(jī)的勵磁電流即可控制輸出電流恒定。根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的外特性，也可直接控制各手柄位的最大勵磁電流恒定來限制最大起動電流，從而近似達(dá)到恒轉(zhuǎn)矩控制。按照機(jī)車起動加速快及平穩(wěn)的原則，要求從最低手柄位開始起動，各手柄位的最大起動電流逐位增加，在較低手柄位電流增加幅度較大，而在較高手柄位電流增加較緩。在內(nèi)燃機(jī)車交-直-交流傳動系統(tǒng)中，司機(jī)控制器各手柄位的起動恒轉(zhuǎn)矩是通過控制中間直流電壓和逆變器輸出電壓、頻率的變化規(guī)律來實現(xiàn)的。當(dāng)手柄位一定時，通過調(diào)節(jié)牽引發(fā)電機(jī)勵磁電流使中間直流電壓恒定（電壓源逆變器所要求），通過脈寬調(diào)制控制使逆變器輸出的電壓與頻率近似呈正比變化，并保持轉(zhuǎn)差頻率恒定，即可使異步牽引電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩恒定。為了較精確地控制轉(zhuǎn)矩恒定，可加入恒電流控制，根據(jù)電流偏差信號對輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)。隨著手柄位的提高，中間直流電壓增加，逆變器輸出電壓正比于頻率的變化率也增加，異步牽引電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩隨之增大。內(nèi)燃機(jī)車恒功率調(diào)速控制為了充分發(fā)揮柴油機(jī)的功率，并使柴油機(jī)按其經(jīng)濟(jì)特性運行，司機(jī)控制器每給定手柄位都對應(yīng)柴油機(jī)的規(guī)定轉(zhuǎn)速及其輸出功率，當(dāng)手柄位一定時，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速及輸出功率應(yīng)恒定。機(jī)車在起動時，柴油機(jī)欠功率工作；機(jī)車起動完成后，柴油機(jī)應(yīng)按恒功率工作。機(jī)車柴油機(jī)一般都裝有全制式調(diào)速器進(jìn)行恒轉(zhuǎn)速控制，而其輸出功率則取決于負(fù)載，因此，只要負(fù)載恒功率運行就能保證柴油機(jī)恒功率運行，能同時完成柴油機(jī)恒轉(zhuǎn)速和恒功率調(diào)節(jié)任務(wù)的控制器通常稱為聯(lián)合調(diào)節(jié)器。柴油機(jī)的直接負(fù)載是牽引發(fā)電機(jī)、變流裝置及輔助裝置，通過控制牽引發(fā)電機(jī)或變流裝置可實現(xiàn)柴油機(jī)恒功率。在恒功率工作狀態(tài)，機(jī)車的速度與牽引力呈反比關(guān)系，機(jī)車牽引力要隨列車運行阻力變化而變化，以達(dá)到力的平衡，機(jī)車速度也隨之變化。當(dāng)列車阻力小于機(jī)車牽引力時，剩余牽引力將對列車加速，使機(jī)車速度隨之提高，牽引力也隨之減少，直到與列車阻力平衡時為止；當(dāng)列車阻力大于機(jī)車牽引力時，將引起機(jī)車減速，牽引力也隨之增大，直到與列車阻力平衡時為止。在內(nèi)燃機(jī)車交-直流傳動系統(tǒng)中，其變流裝置一般為不可控的硅整流裝置，只能通過調(diào)節(jié)牽引發(fā)電機(jī)的勵磁電流使其輸出外特性。=f(I)按恒功率的要求變化，向牽引電動機(jī)提供按此規(guī)律變化的電壓和電流。當(dāng)柴油機(jī)負(fù)載功率增加時，控制系統(tǒng)根據(jù)功率偏差信號使勵磁電流減小，牽引發(fā)電機(jī)輸出功率隨之減??；當(dāng)柴油機(jī)負(fù)載功率減小時，則勵磁電流增大，牽引發(fā)電機(jī)輸出功率隨之增大，從而維持柴油機(jī)輸出功率恒定。因此，該系統(tǒng)又被稱為恒功率勵磁控制系統(tǒng)。由于牽引發(fā)電機(jī)的功率較大，其勵磁電流也較大，因此一般由專門的勵磁發(fā)電機(jī)(簡稱勵磁機(jī))提供勵磁電流，通過控制勵磁機(jī)來實現(xiàn)牽引發(fā)電機(jī)恒功率。勵磁機(jī)一般為交流發(fā)電機(jī)，其輸出的交流電需整流為直流電。有的勵磁調(diào)節(jié)裝置采用可控整流裝置，通過調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角進(jìn)行整流和調(diào)節(jié)，也可先經(jīng)二極管整流器整流，再采用斬波器來進(jìn)行勵磁調(diào)節(jié)。這種直接調(diào)節(jié)牽引發(fā)電機(jī)勵磁電流的方式稱為直接控制的勵磁方式，其調(diào)節(jié)過程的時間常數(shù)較小，動態(tài)調(diào)節(jié)性能較好，但對調(diào)節(jié)元件的容量要求較大。為了減小調(diào)節(jié)元件的容量，有的勵磁調(diào)節(jié)裝置采用間接控制的勵遠(yuǎn)方式，對勵磁機(jī)的勵磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，甚至還加入中間放大環(huán)節(jié)，但調(diào)節(jié)過程的時間常數(shù)相對較大，不利于提高系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)性能。在內(nèi)燃機(jī)車交-直-交流傳動系統(tǒng)中，當(dāng)司機(jī)手柄位一定時，中間直流回路電壓恒定，即牽引發(fā)電機(jī)經(jīng)不可控整流裝置輸出的直流恒定，不可能通過道節(jié)牽引發(fā)電機(jī)勵磁電流來達(dá)到恒功率運行，而是通過牽引逆變器對異步牽引電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速來實現(xiàn)恒功率運行。當(dāng)柴油機(jī)負(fù)載功率增加時，控制系統(tǒng)根據(jù)功率偏差信號使?fàn)恳孀兤鬏敵鲭妷侯l率降低，異步牽引電動機(jī)的轉(zhuǎn)速及功率隨之降低；當(dāng)柴油機(jī)負(fù)載功率減小時，則牽引逆變器輸出電壓頻率提高，異步牽引電動機(jī)的轉(zhuǎn)速及功率隨之增大從而維持柴油機(jī)輸出功率恒定。因此，該系統(tǒng)又被稱為恒功率變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍的方法作為機(jī)車恒功率調(diào)速系統(tǒng)，它有兩個主要問題需要解決：①在機(jī)車運行時（即速度、牽引力變化時）充分利用柴油機(jī)功率的問題。②如何擴(kuò)大這種恒功率運行速度范圍的問題。我們知道，機(jī)車在一定功率（即一定的司機(jī)手柄位）下運行時，機(jī)車運行速度主要取決于外界阻力，它不能人為控制。因此當(dāng)外界阻力變化，使機(jī)車速度超出恒功率范圍時，柴油機(jī)功率將得不到充分利用，此時機(jī)車牽引功率下降，牽引效能減低。為此，我們必須設(shè)法擴(kuò)大機(jī)車恒功率的運行速度范圍，以滿足運行要求。除機(jī)車起動的低速范圍內(nèi)所必需的恒轉(zhuǎn)起動外，核心的問題就是如何擴(kuò)大高速運行的恒功率范圍。在內(nèi)燃機(jī)車交-直流傳動系統(tǒng)中，擴(kuò)大牽引發(fā)電機(jī)恒功率區(qū)段電壓范圍，可以擴(kuò)大機(jī)車恒功率速度范圍，但是采用這種方法會提高牽引力發(fā)電機(jī)容積功率，從而增加牽引電機(jī)制造成本和體積，因而牽引發(fā)電機(jī)恒功率電壓調(diào)節(jié)范圍受到限制。目前采用擴(kuò)大機(jī)車恒功率速度范圍的方法有兩種：牽引電動機(jī)磁場削弱的方法和牽引電動機(jī)串-并聯(lián)換接或牽引發(fā)電機(jī)電樞繞組并-串聯(lián)換接的方法。在機(jī)車上對牽引電動機(jī)一般采用磁場分路的有級磁場削弱方法來提高恒功率速度范圍，即在牽引電動機(jī)勵磁繞組的兩端并聯(lián)一級或數(shù)級分路電阻，當(dāng)分別接通各級分路電阻時，部分電流從分路電阻流過，使勵磁電流減少，從而達(dá)到磁場弱的目的，該方法雖然單，但在磁削瞬間會引起電流沖擊，因此，級數(shù)越多，越有利于減小這種沖擊，但電路則相對復(fù)雜，目前一般不超過三級。有的機(jī)車是先降低牽引發(fā)電機(jī)功率輸出，再進(jìn)行磁場削弱，以免電流沖擊引起柴油機(jī)短時過載。防止電流沖擊的最佳方式是無級磁削弱。另外值得注意的是，磁場削弱不利于電機(jī)換向，因此，為了保證電機(jī)換向的磁場穩(wěn)定性，磁場削弱的深度受到限制。在牽引發(fā)電機(jī)容積功率的范圍內(nèi)，通過牽引電動機(jī)串-并聯(lián)換接或牽引發(fā)電機(jī)電樞繞組并-串聯(lián)換接，可以增加牽引電動機(jī)的恒功率調(diào)壓范圍，從而達(dá)到增大機(jī)車恒功率調(diào)速范圍的目的。在牽引電動機(jī)串-并聯(lián)換接方式中，主電路中每條支路的電機(jī)串聯(lián)臺數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)可以通過換接來加以改變。當(dāng)機(jī)車在較低速度下運行時，需發(fā)揮的牽引力較大，此時牽引電動機(jī)應(yīng)處于低壓大電流工作狀態(tài)，因此電動機(jī)串聯(lián)臺數(shù)較多，并聯(lián)支路數(shù)較少（如3串2并）；當(dāng)機(jī)車運行到較高速度時，牽引力相對較小，此時牽引電動機(jī)應(yīng)處于高壓小電流工作狀態(tài)，通過牽引電動機(jī)串-并聯(lián)換接，使電動機(jī)串聯(lián)臺數(shù)減少，并聯(lián)支路數(shù)增多（如2串3并）。這樣，在保證牽引發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流不超出容積功率所允許的范圍內(nèi)，對每臺牽引電動機(jī)來說，增大了其電壓和電流的恒功率調(diào)節(jié)范圍。在牽引發(fā)電機(jī)電樞繞組并-串聯(lián)換接方式中，牽引發(fā)電機(jī)有兩組電樞繞組。當(dāng)機(jī)車在較低速度下運行時，兩組電樞繞組并聯(lián)，其輸出電壓等于一組電樞繞組的電壓，而輸出電流等于兩組電樞繞組輸出電流之和，牽引發(fā)電機(jī)向牽引電動機(jī)提供低電壓大電流；當(dāng)機(jī)車運行至較高速度時，進(jìn)行電樞繞組并一串聯(lián)換接，使?fàn)恳l(fā)電機(jī)兩組電樞繞組串聯(lián)，其輸出電壓將增加一倍，輸出電流相應(yīng)減少一倍，牽引發(fā)電機(jī)向牽引電動機(jī)提高電壓小電流。這樣將使?fàn)恳l(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)壓比增加一倍。ND5型機(jī)車即采用這種方式。但對于換接的主電路，其電氣線路較復(fù)雜，換接過程中存在牽引力的中斷和沖擊現(xiàn)象，而且在主電路中有串聯(lián)工作的牽引電動機(jī)，當(dāng)機(jī)車動輪發(fā)生空轉(zhuǎn)后，空轉(zhuǎn)電機(jī)端電壓未受到限而隨之升高，使空轉(zhuǎn)現(xiàn)象不易消失，因此這種連接方式在中國內(nèi)燃機(jī)上基本未采用。在內(nèi)燃機(jī)車交-直-交流傳動系統(tǒng)中，由于異步牽引電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)越性，其功率容量比直流牽引電動機(jī)高得多，直流牽引電動機(jī)一般不超過1000kW，而異步牽引電動機(jī)功率可達(dá)1600kW?1800kW，其輸入壓等級可以在1500V以上，電機(jī)轉(zhuǎn)速也可達(dá)4000r/min以上。應(yīng)該說交-直-交流傳動系統(tǒng)可比交-直流傳動系統(tǒng)的恒功調(diào)速范圍做得大，特別在高速區(qū)，不會出現(xiàn)像直流牽引電動機(jī)的諸如高電壓限制、磁場削弱深度限制等問題，因此現(xiàn)代高速機(jī)車一般均