d1-东风8B型内燃机车电力传动概述

1、第一章东风8B型内燃机车电力传动概述第一节内燃机车电力传动装置的作用内燃机车是用柴油机作为动力的。从柴油机曲轴至机车动轮之间的一整套机械能 -电能 -机械能的变换和传递装置，叫做电力传动系统。它的任务是使柴油机工作特性适合于机车特性的要求。一、内燃机车电力传动装置的作用（一）柴油机特性与机车特性对机车而言，要求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扣除辅助功率输出的牵引功率，其表达式为：（NeNf）·=F·V/3600（11）式中：F机车牵引力（ N）V机车速度（ km/h）Ne柴油机输出功率（ kW ）Nf机车辅助功率（ kW ） 机

2、车传动装置的总传动效率按照公式（ 11）绘制内燃机车理想牵引特性，如图 11 所示。在理想牵引特性曲线内，大部分区段牵引力 F 与速度 V 呈等边双曲线关系，即 F· V=C（C 为常数）。由图可见，在机车按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，也就是说柴油机功率能被充分利用。图 1 1 内燃机车理想牵引特性曲线图 12柴油机转矩特性和功率特性和所对应的柴油机功率曲线实际上，机车最大速度 Vmax 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 Fmax 受机车动轮与钢轮之间粘着牵引力的限制和电机温

3、升等的限制。柴油机的工作特性见图 12。图中，曲线为柴油机转矩特性 M=f(n)，曲线为功率特性 N=f(n) 。由机车特性和柴油机特性可以看出两者之间有诸多不能直接匹配之处：1柴油机转速的变化，有最低工作转速 nmin 和最高工作转速 nmax。当转速低于 nmin 时，柴油机便会“熄火”，停止工作；当转速高于 nmax 时，便会造成柴油机的机械损坏，因此，柴油机转速变化较窄。对机车而言，具有宽广的速度变化范围，它的最低速度为“ 0”；最高速度可达机车的最高速度 Vmax。由此可见，柴油机转速 n 与机车速度 V 两者的工作情况根本不同。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

4、，当不调节柴油机高压油泵齿条的位置（供油量不变）时，柴油机转矩 M 不随转速 n 变化；而机车牵引力 F 与机车速度 V 成反比的变化。可见，以上两种关系之间有着本质的区别，不能直接对应。3柴油机输出功率 N 随转速 n 的增长和降低，基本上两者呈直线变化；而机车功率 P 与机车运行速度 V 没有固定的关系，由此可见，柴油机功率 N 与转速 n 之间的关系和机车功率 P 与速度 V 的关系，两者有本质的区别。4柴油机要无负荷起动；而机车要在牵引大量列车情况下，有负荷起动，两者亦具有本质的不同。5柴油机只能单一方向旋转，而机车要能够前、后两方向运行。柴油机与机车不能直接偶合。6机车运行中，在输出

5、功率不变的情况下，受线路的影响，机车速度 V 在很大的范围内，随时变化；而此时，不允许柴油机转速 n 超出名义转速，即外界环境条件不断的在影响机车速度V，而不影响柴油机转速 n。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不适应性和矛盾。为解决上述柴油机与机车之间的诸多问题，东风8B 型内燃机车采用交直流电力传动装置。（二）东风8B 型内燃机车电力传动装置的主要作用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

6、和利用。此外，机车应具有足够高的起动牵引力。2电阻制动利用直流电机的可逆性原理，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和势能，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。这个制动作用称为电阻制动。传动装置应能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操纵控制按照机车电路图的设计要求和工作程序，自动或手动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

7、机车能正常进行牵引、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、显示某些必要的参数。当机车某部出现故障时，能自动显示或采取有效措施，以尽量维持机车运行和避免事故的扩大。此外，还要求机车电力传动装置各个环节，最大限度的实现结构紧凑、工作可靠、重量轻、维修方便。二、东风 8B 型内燃机车电气系统概述东风 8B 型内燃机车的主传动采用交直流电传动。由16V280ZJA 型柴油机经大圆薄板联轴节和联接箱分别与同步主发电机 F 转子和定子相连接。电机轴伸端通过弹性柱销法兰、万向轴（一）、前变速箱带动起动发电机QD、感应子励磁机 L 及测

8、速发电机 1CF。柴油机起动工况时，起动发电机QD 作为直流串励电动机，由蓄电池 XDC 供电，驱动柴油发电机组。柴油机运转工况时，起动发电机作为他励直流发电机，经微机辅助电压调节系统输出机车辅助电压直流 110V，向机车控制电路、照明电路及各辅助电机供电，同时向蓄电池充电。当微机辅助电压调节系统故障时，可手动闭合固定发电开关10K，转入固定发电状态。机车牵引工况时，同步主发电机F 产生的三相交流电经主硅整流柜 1ZL 三相桥式全波整流后，供给 6 台并联的直流牵引电动机 1D6D，再由牵引齿轮驱动轮对，从而使机车运行。从1ZL 到 1D6D 之间的电路由 6 个主接触器1C6C 分别控制。方

9、向转换开关 HKF 转换牵引电动机励磁绕组的电流方向，从而改变牵引电动机的转向，控制机车前进或后退。为扩大机车的恒功率运行速度范围，除了同步主发电机有一定的恒功率调压范围外，还采用一级磁场削弱。磁场削弱接触器 XC 由微机控制，当微机发生故障时可通过转换开关XKK 手动过渡和返回。机车设有电阻制动。工况转换开关 HKG 将牵引电动机改接成他励直流发电机， 6 台牵引电动机主极绕组串联，由同步主发电机F 经 1ZL 、制动接触器 ZC 供给励磁，牵引电动机电枢通过齿轮由轮对驱动，切割主极磁场，将列车运行动能和坡道势能转化为电能，分别消耗在制动电阻1RZ 6RZ 上，转化为热量，再由轴流式通风机将

10、热量吹散到大气中。转为发电机的牵引电动机16D，发电过程中产生的反转矩作用于机车，实现电阻制动。为改善机车在低速时的电阻制动性能，机车设置二级电阻制动。当机车速度降至25km/h 时， 1RZC6RZC 分别将制动电阻 1RZ6RZ 短接一半电阻，一级电阻制动转换到二级电阻制动，从而增大牵引电动机制动电流和制动力；反之，机车速度上升至 30km/h 时， 1RZC 6RZC 断开，即由二级电阻制动返回一级电阻制动。当机车需要做自负荷试验时，将主电路中 1C6C 断开，合上自负荷开关 ZFK ，通过 HKF 、 HKG 使制动电阻 1RZ 6RZ 分别与 1D6D 的主极绕组串联后，再 6 路并

11、联，将柴油发电机组发出的电能经 1ZL 整流后消耗在制动电阻上。同步主发电机 F 的励磁是由励磁机 L 发出的三相交流电经励磁整流柜 2ZL 整流后供给的。机车采用两种励磁方式：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、仪表，实现机车各种工况的励磁控制、保护、故障显示及诊断功能。在机车牵引工况，可实现各档位的恒功励磁、限流、限压、防空转；在自负荷工况可实现各档位的功率调节；在电阻制动工况，可实现恒励磁、恒制动电流、高速线性制动限流、防滑行控制、一级和二级电阻制动的过渡与返回控制。励磁二：柴油机联合调节器自动调节油马达驱动的调整电阻 Rgt，改变测速发电机 1

12、CF 的励磁，从而改变励磁机 L 的励磁以满足机车牵引工况和自负荷工况的基本要求。由于励磁二没有设置电阻制动恒流控制、电阻制动高速线性限流、一级和二级电阻制动转换等功能，故在励磁二工况不允许使用电阻制动。励磁一和励磁二的工况转换是通过万能转换开关WZK 手动转换的。柴油机的转速调节：通过设在操纵台上的编码型司机控制器主手柄控制调速器驱动装置 WTQ ，以控制柴油机联合调节器中的步进电机实现柴油机有档无级调速。机车主电路中设有过流、接地和制动电阻风机失风保护电路。司机操纵台上设有电表模块（机车双针速度表、电测量双针仪表、状态指示灯）、风表模块(双针压力表、数码显示器、语音箱 )等监视仪表及故障集

13、中显示装置、监控数码显示器、微机诊断屏。监控数码显示器和微机诊断屏向司机提供各种运行数据及故障信息。在电表模块内装有语音装置，可以发出监控、轴温等语音报警。机车电气设备还有照明、采暖（热脚炉、电取暖器）、电烤箱 (饮水机 )、电冰柜、预热锅炉控制及驱动系统、牵车外接直流电源插座和外接三相交流电源插座。机车司机室还设有空调系统，其电源由机车110V 辅发电源经空调电源提供。第二节机车电传动调节系统及原理一、恒功率调节（一）概述恒功率调节的主要任务是，机车运行中，司机控制器主手柄不变，柴油机在一定的转速下，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。

14、恒功率调节可分为以下二种工况：1.联合调节器油马达电阻单独工作；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主硅整流柜输出的电功率之间的关系，可用下式表示：PF=（NeNf） F Z=UFI F10 3（12）式中：PF同步主发电机经主硅整流柜的输出功率（kW ）Ne柴油机输出功率（ kW ）Nf机车辅助功率（ kW ） F同步主发电机的效率 z主硅整流柜的效率UF同步主发电机经主硅整流柜的输出电压（V ）IF同步主发电机经主硅整流柜的输出电流（A ）机车辅助功率 Nf 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

15、时，最大辅助功率可近似认为是常数。同步主发电机的效率 F 与负载电流有关，在恒功范围内 F 的变化不大，而主硅整流柜的效率 Z 的变化也很小，可以认为是不变的。从公式（ 12）中可以看出，要保持柴油机额定功率 Ne不变，当机车辅助功率 Nf一定时，同步主发电机经主硅整流柜输出的功率PF=UFIF 应接近一恒值，即其外特性应是等边双曲线。同步主发电机理想外特性曲线，见图 13。恒功率的最高电压愈高，机车的恒功率速度愈高；恒功率的最大电流愈大，机车的恒功率牵引力就愈大，这是机车牵引性能所要求的。实际上，因为同步主发电机和主硅整流柜都有最高电压值和最高电流值的限制，因此，同步主发电机经主硅整流柜的理

16、想外特图 13同步主发电机理想外特性性就不是无限延伸的双曲线，而是如图 1 3 中ABCDE 所示，其中，线段 AB 表示受最高电压限制，线段DE 表示受最大电流限制，线段BCDRgt，实现对表示恒功率区域。 B 点相对应的电压，称恒功率范围内最高电压UFmax，所对应的电流称恒功率范围内最小电流 I Fmin。D 点相对应的电流为恒功率范围内最大电流IFmax，所对应的电压为恒功率范围内最小电压 UFmin。C 点所对应的电压称额定电压Ue，相应的电流称额定电流Ie。当柴油机转速改变时，同步主发电机也相应的具有不同的理想外特性曲线。柴油机转速愈低，柴油机功率愈低，其理想外特性曲线愈向座标原点

17、靠近。东风 11 型内燃机车通过对电机励磁系统的调节，使同步主发电机按理想外特性曲线工作。（二）恒功率调节系统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（主要是坡道阻力），同步主发电机经整流后输出电压的大小与电机转速以及励磁磁通成正比。在固定转速（ n=常数）时，且唯一可以人为调节的，就是同步主发电机励磁磁通 FL，而磁通 FL 取决于励磁电流 I FL （ FLIFL），因此，同步主发电机实现恒功率特性的调节，实质是对其励磁电流的调节。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，一旦外界扰动使柴油机的负载发生变化时，机组原来的平衡位置遭到破坏，负载阻

18、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。通过测量机构把这一转速的变化反映出来，再通过放大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，即柴油机的功率恒定不变。图 14 中， ABKDE 所示为同步主发电机在转速恒定（ n=常数）、励磁电流恒定（ I FL 常=数）时的输出特性。与图 13 中 ABCDE 所示理想外特性相比，它们的限压、限流部分较为接近。但恒功率部分差异很大，所以可以利用其限压、限流部分。而在恒功率区，则对同步主发电机的励磁电流进行调节，从而得到较为理想的外特性。图15 中还示出了不同励磁电流时

19、的输出外特性（ n=常数）。其中， IFL4 I FL3I FL2I FL1。图 15 所示为同步主发电机的调节特性 IFL=f( I F) 。为了使同步主发电机具有恒功率特性，调节特性在不同负荷电流时的励磁电流值具有马鞍形的形状。同步主发电机 F图 14 同步主发电机经牵引整流装置图 15同步主发电机的调整特性的励磁的自然外特性与恒功率特性绕组是由经三级放大的励磁系统供电的。第一级是由辅助发电供电，通过柴油机联合调节器油马达驱动整流子式可调电阻测速发电机 CF 励磁绕组的控制。第二级由测速发电机 CF 供电，经放大的电流向励磁机 L 的励磁绕组励磁。第三级是由励磁机 L 供电，发出经过放大的

20、三相交流电，经励磁整流柜 2ZL 整流后，向同步主发电机 F 的励磁绕组提供励磁。最后同步主发电机 F 发出三相交流电经主硅整流柜 1ZL整流后，向六台牵引电动机供电，实现机车牵引运行。所以，同步主发电机 F 的工作状态，取决于油马达带动的功调电阻 Rgt的控制和联合调节器的调控性能。柴油机转速调节和功率调节，是靠联合调节器实现的。为了实现柴油机恒转速和恒功率（实质是定供油刻线），在联合调节器中设有转速调节和功率调节机构，其工作原理见东风 8B 型内燃机车运用维修保养手册柴油机分册有关章节。当柴油机工作在 1000r/min 时，它有最大供油量，柴油机发出装车功率；当柴油机工作在司控器 1 档

21、位时，转速为 400r/min，相应有最小供油量，柴油机发出最小功率。提司控器主手柄时，柴油机转速升高、柴油机发电机组励磁增加，柴油机喷油泵供油量增加，最后联合调节器联合杠杆达到新的暂时平衡状态。反之，同理。机车恒功率调节过程简述如下：柴油机在一定转速工作时，假如恒功率工作点为图 14 中 A 1 点，此时 PF=UF1I F1，同步主发电机励磁电流为 IFL3 。如机车上坡运行，此时由于牵引力小于运行阻力，则机车速度减慢，牵引电动机转速 nD 下降，根据公式：ID =（UD Ce· D·nD ）/R可知，随着 nD 下降，反电势 E 也降低，所以牵引电动机负载电流I D

22、增加。当负载电流I F（ =6ID ）增加至 I F2时，由于同步主发电机转速不变，其励磁电流不变，其功率不变，由于牵引电动机电流增加，工作点将移至 A 3 点，此时虽然输出电压 UF 有所降低，仍高于恒功率值 A 2 点，即输出功率将大于柴油机功率，则柴油机过载，转速下降，联合调节器伺服马达（动力活塞）下方增加油压，供油杠杆往增加燃油量方向移动，联合杠杆悬挂点上移，功率滑阀上移，开放功调伺服器（油马达）的油路，使油马达向减载位移动，功调电阻Rgt 阻值增大，测速发电机励磁电流I CF 下降， UCF 降低，励磁机励磁电流I L 降低，对同步主发电机进行调整。则同步主发电机的IFL及 UF 都

23、降低，使工作点回到了恒功率曲线上的 A 2 点。这样，同步主发电机经主硅整流柜输出电流 IF 增加，电压 UF 下降，发电机功率 PF 保持不变，实现了恒功。机车运行过程中，既使司控器主手柄位置不变，也有各种因素影响柴油机的功率恒定，从而促使联合调节器滑阀动作，不断进行调节，以使柴油机保持功率恒定。除上述联合调节器功调系统（即励磁二）之外，机车上装有微机控制系统（即励磁一），对柴油机 -主发电机组的功率进行调控。该系统设有数字量输出板、励磁控制板、数字量输入板、传感器输入板、模拟量扩展I/O 板、频率输入板、 CPU 板、存储器板等功能插件。微机系统接受由功调电阻滑臂提供的电压信号。当滑臂停留

24、在最大增载极限位时，功率基准为 CHEC 功率的100%；随着滑臂向减载方向移动，功率基准线性减低；当滑臂停留在减载极限位时，功率基准为 CHEC 功率的 80%。当柴油机转速小于等于 640r/min 时，功调电阻不起负载调节作用，微机控制只维持主发电机恒功。总之，机车运行过程中，微处理器接收柴油机转速信号n、发电机电压信号 UF、电流信号 IF 和机车速度信号 V 等信号，并随时将这些信号与微处理器中储存的各种基准值进行比较，根据逻辑判断的结果， CPU 进行 PI 运算，输出合适的信号，控制励磁系统电流，将同步主发电机工作电流、电压和输出功率均限制和控制在规定的范围之内，实现对柴油机发电

25、机组恒功率调节。微机控制系统的详细工作情况，请见本书第七章有关内容。二、机车速度自动调节对电传动的内燃机车而言，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。而自动调节的主要任务，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，尽量扩大机车恒功率的速度范围，充分利用柴油机功率。（一）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：nD =（UDID ·R）/Ce·D（13）式中：UD牵引电动机端电压（ V ）I D牵引电动机负载电流（A ） R牵引电动机内电阻（）Ce电机的电势常数Ce=PN/60aa电机并联支路对数P电机极对数 N电枢导体数

26、D牵引电动机每极励磁磁通（Wb ）从式（ 1 3）可以看出，由于牵引电动机是串励的，负载电流 I D 不变时，励磁磁通 D 也保持不变，此时，牵引电动机的转速 nD 与端电压 UD 近似成正比。牵引电动机的转速 nD 与 UD、 D、 ID 三个变量有关。其中电动机负载电流 I D 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 nD 只有改变 UD 和D 来实现。1改变牵引电动机端电压UD对于串励牵引电动机，当负载电流 ID 不变时，励磁磁通也保持不变。此时牵引电动机的转速 nD 与端电压 UD 成正比。东风 8B 型内燃机车的六台牵引电动机是并联的，同步主发电机经主硅整流柜的输出

27、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，而在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 D由于依靠提高 UD 来提高机车速度，受到同步主发电机最高电压的限制，因此，机车速度的进一步提高采用磁场削弱办法。根据特性，当端电压UD 一定时，转速 nD 与励磁磁通 D 成反比关系。减少牵引电动机的励磁磁通 D 来增加转速，这种调速方法称为牵引电动机的磁场削弱。牵引电

28、动机励磁磁通D 取决于它的励磁磁势（ IW），其关系如图16。励磁磁势 IW 的大小是励磁绕组匝数与所通过电流的乘积。因此改变励磁绕组的安匝数，就能改变其励磁磁通。因为不易改变励磁绕组的匝数 W,所以在内燃机车上，通常是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。被并联的电阻称为磁场削弱电阻。图 1 6励磁磁势与磁通的关系图17牵引电动机磁场削弱（二）励磁率牵引电动机磁场削弱的程度，用励磁率 W 表示，它的含义是： ×100（）式中： 牵引电动机电枢电流； 牵引电动机励磁绕组电流。（三）东风8B 型内燃机车磁场削弱概况东风 8B 型内燃机车采用牵引电动机磁场一级削弱的

29、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54。图 1-7 中只画出一台牵引电动机， XC 是磁场削弱接触器， 1RX 是磁场削弱电阻。图 (1)是磁场削弱之前的状态，由于XC 没有闭合，因此 1RX 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。图 (2)是 XC 闭合， 1RX 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。由全磁场转向削弱磁场的过程，称“正向过渡”。由削弱磁场转向全磁场的过程，称“反向过渡”。磁场削弱接触器 XC 由微机控制，当微机发生故障时，可通过转换开关XKK 手动过渡和返回。；柜

30、由于磁场削弱前后同步主发电机均在恒功率曲线上工作，所以牵引电动机磁削前后的功率和器电转矩都是不变的。此时，如果机车运行阻力不变，机车速度仍可继续提高。随着机车速度的提压低高，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8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；备了充分利用柴油机最大功率的速度范围。但磁场削弱不能太深，否则电枢反应严重，电机换向困设难。全安东风 8B 型内燃机车当速度为 54km/h 时正向过渡，当速度为车48km/h 时反向过行渡。7第三节东风；。8B型内燃机车电气设备的总体布置及改进台调纵空东风

31、 8B 型机车电气设备总体布置如图18 所示，主要特点如下：操机14司；置一、司机室电气布置6； 装柜阻电从东风 8B031 号机车开始，在、机司机室内分别装有规范化司机操纵台。在司机操纵流动整制台上装有暗式安装的 JZ7 制动机、推杆式带夜光司机控制器、电表模块、风表模块硅、微机状态图磁总3诊断屏、监控显示器、扳键开关、万能转换开关、按钮等。在操纵台的中间装有电冰箱，1在操纵备励；，正司台正、付司机支脚空间内还装有热脚炉。在正、付司机的侧壁上装有带电取暖器的侧壁5箱设；气机机侧壁箱上装有带夜光的辅助司控器、无线电台控制盒、风喇叭按扭等。在司机室后壁上装有电电池微电烤箱（饮水机）、电取暖器。在机车前窗玻璃上装有电动洗涤。室