恒功率励磁调节

内燃机车交一直流恒功率调速系统|曰回内燃机车交一直流恒功率调速系统（AC-DCconstantpowerspeedregulatingsystemfordiesellocomotive）满足交一直流传动内燃机车牵引性能要求，实现恒功率调速的励磁控制系统。直流H_Uyl/口月史牵引电动机的转速公式为厂叽 （1）式中，nd为牵引电动机转速（r/min）；UD为牵引电动机的端电压（V）；Ce为电势常数；0D为励磁磁通（Wb）；ID为电枢电流（A）；RD为电机绕组电阻值（。）。调节牵引电动机的端电压UD及励磁磁通0°，即可改变电机的转达n°，从而改变机车的运行速度。在交一直流电传动内燃机车上，一般是通过调节牵引发电机的输出电压或者通过改变主电路的连接方式来达到对牵引电动机电压的调节。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向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。在内燃机车上，牵引发电机既是柴油机的负载，又是引电动机的电源。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恒定。由此可见，要实现机车理想的牵引特性必定要求有与之相匹配的牵引发电机理想外特性。牵引发电机的理想外特性在机车上，牵引发电机经整流后的输出功率Pf与柴油机输出功率七之间的关系可用下式表示Pf=1000（Ne-Nfj）nFnZ=UF•IF （2）式中，UF为牵引发电机经整流后输出的直流电压（V）；IF为输出的直流电流（A）；机车上辅助设备所消耗的总功率Nfj约占柴油机功率的8%〜10%；牵引发电机的效率nF和硅整流器的效率nZ与负载电流有关，但变化很小。先假设Nfj不变，并忽略效率的变化，则由上式可知，要保持柴油机功率恒定就要求牵引发电机直流侧的输出电压和电流的乘积（UF・IF）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，应具有等边双曲线的外特性，通常称为牵引发电机的恒功率外特性曲线，如图1中bcd所示。但是，这一恒功率曲线并不能沿坐标轴无限延伸下去，而要受到牵引发电机木县参数所决定的最高电压Umax和最大电流IFPmax的限制。因此，在图1中的曲线由限压段ab、恒功率段bcd和限流段de组成，这条曲线称为牵引发电机的理想外特性曲线。图1中对应的柴油机功率Ne的变化如曲线ofge所示。需要指出的是，牵引发电机的电流值是按额定电流IFe（c点）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。图1牵引发电机的理想外特性牵引发电机的低压大电流区段对应于机车的低速运行范围，其高压小电流区段对应机车的高速运行范围。通常机车运行的主要速度范围是在牵引发电机持续工作的恒功率区段内。牵引发电机在限流区和限压区工作时，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，其限流值的大小决定了机车起动牵引力的大小，而限压区段是机车运行中不希望进入的区域。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。实际上机车运行时铺助装置功率Nfj会有所变化。由公式（2）可知，为维持柴油机功率恒定，牵引发电机的理想外特性曲线并不是惟一地按6cd曲线变化，而是随着Nfj的变化而有所变化（也称为辅助装置功率转移），见图2。当Nfj值从最大到最小之间变化时，相应牵引发电机理想外特性曲线总是处在6cddC6'区域之内。可见，在设计牵引发电机励磁系统时，需要考虑N值的变化。fj图2Nfj值变化时，牵引发电机的理想外特性由于在电力传输内燃机车上，一般均采用全制式调速器调节柴油机转速，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。根据对电力传动装置的要求，最大手柄位（加16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。司机各手柄下的理想外特性曲线见图3，其中每一手柄位的理想外特性曲线同样都由恒功率、限流、限压区段组成。各低手柄位的限电流值应该根据机车起动牵引力的要求来确定。一般来说，限流值的选择应该在第一手柄位时较小，但在低手柄范围则值增加轻快，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现象。各手柄位的限压值主要由牵引发电机的最大励磁流所引起的励磁绕组发热所限制。

图3牵引发电机各手柄位时的理想外特性牵引发电机的调整特性在交一直流电传动内燃机车上，牵引发电机一般采用三相同步交流发电机，称为同步牵引发电机。当司机控制器主手柄位一定时，柴油机转速n恒定，若同步牵引发电机的励磁电流Ifj保持不变，则所得到同步牵引发电机的自然外特性为一条近似凸起下降的抛物曲线，如图4中虚线所示。因比，当转速n恒定时，为了获得同步牵引发电机的理想外特性，就必须使励磁电流Ifj随着负载电流IF的变化而变化。这种变化关系，称为牵引发电机的调整特性，即IFL=?(IF)。该调节系统称为牵引发电机恒功率励磁系统。图4同步牵引发电机理想外特性的励磁调节法牵引发电机的调整特性与理想外特性的关系见图4。理想外特性恒功率曲线与三条励磁电流分别为I心，Ifl2和Ifl3（Ifli>Ifl2>Ifl3）的自然外特性曲线（虚线所示）相交或相切，所得到的e，d，c，b，a等点即是调整特性曲线（图5）中励磁电流Ifl随负载电流If相应变化的对应点。由于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，所以在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示变，由些得对应牵引力电机理想外特性的限压段、恒功率段和限流段的调整特性曲线medcbak，呈一“马鞍”形。在不同的手柄位下，柴油机转速不同，所应维持的恒功率值也不同，所以牵引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。图5同步牵引发电机的调整特性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，是设计牵引发电机的励磁控制系统、正确选择元件参数的重要依据。在某些恒功率励磁控制系统中，牵引发电机在各手柄位下限流值、限压值就是限制牵引发电机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。牵引发电机恒功率励磁系统使牵引发电机按照理想外特性运行的恒功率控制系统属于闭环控制系统。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。由于系统是以控制柴油机恒功率为目的，并且当辅助装置功率不变时，牵引发电机也应保持恒功率，因此可采用两种典型的恒功率励磁系统，其系统结构见图6和图7。其中图6是系统以控制柴油机恒功率为目标，而图7的系统是以控制牵引发电机恒功率为目标，但该系统要解决辅助装置功率的问题。图6控制柴油机输出功率恒定的励磁系统图7控制牵引发电机输出功率恒定的励磁系统恒功率励磁系统的主要环节组成功率给定信号单元，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；功率检测单元，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(也称反馈信号)与柴油机或牵引发电机实际输出功率率成正比；比较环节，其作用是将功率检测信号J与功率经定信号C进行比较，得出偏差信号Pj(Pj=G-J)送往调节器；调节器，根据偏差值Pj发出调节信号T去控制励磁调节装置，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，常用的有比倒放大器、积分器、比例积分器等;励磁调节装置根据调节信号来调节牵引发电机激磁电流，从而调节了牵引发电机的输出功率，调节装置一般由可变电阻、直流斩波器或可控整流器等组成；柴油机或牵引发电机为被调对象，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节对象。恒功率励磁系统的工作原理当功率给定信号G与功率检测信号J相等时，比较环节输出的偏差信号Pj等于零。对于积分型的调节器，则零值的偏差信号输入调节器时，调节器输出的调节信号T维持不变，所以由调节信号控制励磁调节装置将保持牵引发电机的励磁电流不变。当某种原因，例如机车运行中因阻力变化、工况变化或系统其他干扰等因素，都将使功率检测信号J偏离功率给定信号G，从而引起系统调节作用。例如，当功率检测信号J大于给定信号G时，得到一个负值的偏差信号，即耳=G一JV0，游人调节器，使调节器输出的调节信号T值下降。T值下降，通过励磁调节装置使牵引发电机励磁电流减小，从而使牵引发电机输出功率下降。这一调节过程一直要进行到牵引发电机输出功率达到给定功率值为止，只有此时，G=J，Pj=0，励磁电流不再变化，励磁系统才处于平衡状态。若出现功率检测信号J小于给定信号G的情况，调节过程正好相反。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明显不同。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（一般为联合调节器）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（简称电子恒功率励践系统）；③采用微机控制的恒功率励磁系统。联合调节器功率励磁控制系统一种主要依靠液力元件来完成恒功率励磁调节任务的系统，国际上曾在20世纪50年代大量发展并采用，目前尚在中国电传动内燃机车上普遍应用。由于在结构上将完成恒功率励磁调节任务的液力元件与柴油机调速器组合在一起，称为联合调节器，所以这种系统就称为采用联合调节器的恒功率励磁系统。该系统控制柴油机恒功率为目标。由于目前没有简便的方法能地直接检测出柴油机的输出功率，因此只能通过间接的方法来检测。机车柴油机一般均装有全制式调速器，通过它的控制作用，柴油机能精确地维持各手柄位下的转速不变。在转速恒定的情况下，柴油机供油量的多少就决定了其输出功率的大小，柴油机供油量信号就可以作为柴油机的功率信号。当规定转速下供油量恒定时，则该转速下的功率值也为恒定。因此，只要控制柴油机的转速恒定和供油量恒定就可实现柴油机恒功率。采用联合调节器的恒功率励磁系统见图8，图中虚线方框内的元件均组合在联合调节器内，这是一个双闭环系统。图8下半部分是一个速度闭环。它检测柴油机的转速信号Jn，并与司机手相位给定转速信号Gn相比较，输出的偏差信号Pn去驱动一个液力伺服器，称为供油伺服器；由供油伺服器带动柴油机供油齿条动作，改变供油量大小，以调节柴油机转速。例如柴油机负载（由牵引发电机及辅助装置消耗的功率所决定）减小，则柴油机转速升高而高于给定转速，供油伺服器就使供油齿条减小供油量；当柴油机负载增大，柴油机转速就会降低而低于给定转速，供油伺服器就使供油齿条加大供油量，直到柴油机转速恢复到给定值为止。图8上半部分是一个供油量闭环。以柴油机供油齿条的位置作为供油量信号Jy，并与由司机手柄位所决定的供油量给定信号Gy，相比较，其偏差值Py使另一个液力伺服器一一功调伺服器动作，去调节功调电阻的电阻值；电阻值变化信号通过励磁调节装置（一般为励磁发电机）又去调节牵引发电机的励磁电流Ifl，使牵引发电机功率发生变化，从而改变了柴油机的负载；为维持转速恒定，供油量随之调节，一直到供油齿条的位置符合给定供油量为止。显然这两个闭环控制是既相对独立而又相互联系的闭环系统。转速闭环控制系统当负载变化时，改变供油量大小以维持柴油机转速恒定；供油量闭环控制系统当供油量偏离给定值时，通过改变励磁电流来改变牵引发电机的功率，以使供油量恢复到给定值。由于两个闭环调节系统的相互联系，使调节过程比较复杂。机车运行时，因扰动而产生的调节过程首先是柴油机负载变化而引起转速变化，由转速变化引起供油量变化，而供油量变化引起牵引发电机的励磁调节作用，从而使柴油机负载趋向于恢复给定值。当调节过程完毕，调节系统处于平衡状态时，则柴油机必定既处于给定转速值下，又在给定的供油量下工作，柴油机功率保持不变。图8采用联合调节器的恒功率励磁系统方框图柴油机转速给定信号Gn由司机控制手柄通过联合调节器配速机构所组成的转速信号给定单元给出。供油量给定信号Gy则由柴油机转速给定信号Gn通过函数变换器一一联合杠杆来得到，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。采用联合调节器的恒功率励磁系统，以控制柴油机转速及供油量恒定为目标，实现柴油机的恒功率运转，并能自然地实现辅助装置功率的转移，稳态工作性能较好。在较高手柄位的范围内，功调电阻完全能被调节，使牵引发电机能获得近似理想的外特性曲线。整个励磁系统结构简单，工作比较可靠，但由于其结构上的原因，主要存在三方面问题：柴油机各转速下的供油量给定值是通过线性关系的函数变换器（即联合杠杆）给出的，因此在调整符合柴油机经济特性要求的非线性功率曲线（也称柴油机牵引特性）时受到线性关系及其他因素的限制，往往不尽如人意，在较高手柄位的范围可使牵引发电机获得完整的理想外特性，而在较低手柄位的范围则难以达到；由于是靠限制各手柄位的最大励磁电流来确定牵引发电机的起动电流值，最大励磁电流又受到各手柄位下柴油机转速的影响，因此难以满足机车对各手柄位起动电流的要求，使机车起动性能不理想，起动加速较缓慢；由于联合调节器本身是靠反应速度较慢的液力伺服器进行调节，并且调节信号传递过程中必须通过柴油机一发电机组这一很大的机械惯性环节，致使功率励磁系统的动态性能较差，过渡过程时间校长，在机车运行时，由于负载的经常变化将造成功率波动较大，特别是电动机磁场削弱的过渡过程中，将会引起牵引发电机和柴油机较严重的过载，出现燃油消耗率高及冒黑烟等不良状况。由于以上原因，从20世纪60年代开始，各国都相继开展了电子调速器和电子恒功率或微机恒功率励磁控制系统的研制，现已得到推广运用和发展。电子恒功率励磁控制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。机车柴油机的主要负载是牵引发电机。在机车运行过程中，外界负载经常变化，因而要随时对牵引发电机输出功率进行调节。而采用联合调节器的恒功率励磁调节系统在调节信号传递过程中，由于要通过柴油机一发电机组这一较大的机械惯性环节，并且液力伺服机构的反应速度较慢（均为机械位移量），致使系统的动态性能较差，过渡时间较长。可以设想，若对牵引发电机直接进行恒功率快速调节，使牵引发电机随时保持恒功率运转，则在辅助装置功率不变的情况下柴油机自然保持恒功率运转，此时联合调节器基本处于稳态，克服了通过联合调节器进行励磁调节的缺点。这种快速调节的方法是随着电子技术的发展才得以实现的。国际上从20世纪60年代开始，出现了主要采用电子装置来完成恒功率调节任务的励磁系统，中国80年代中期从美国GE公司引进的ND5型机车就属这种系统的典型机车。中国铁路系统有关科研机构及高等院校从20世纪70年代开始了这方面研制工作，经过试验、样车试运阶段，于80年代初投入批量生产，制造出新一代电子恒功率励磁控制的东风7型内燃机车，现已形成东风7系列产品。此后生产的东风5型、东风9型内燃机车也采用了电子恒功率励磁控制装置。电子恒功率励磁系统方案见图9。通常以调节牵引发电机输出功率恒定为目标，这是因为发电机输出功率比较容易检测并变换为电信号，而柴油机功率一般不易直接检测。电子恒功率励磁系统中各个环节均由电子元件组成，各环节间传递的信号一般均采用电模拟量。它由以下各个环节组成：功率给定信号单元，由它给出机车各手柄位时的牵引发电机功率给定信号upg；功率检测信号单元，由它检测牵引发电机的输出功率，一般由电压检测环节、电流检测环节和模拟运算法器构成，电压检测环节得到正比于牵引发电机电压uf的电压检测信号uuj，电流检测环节得到正比于牵引发电机电流if的电流检测信号Ujj，uuj,和Ujj经乘法器作乘法运算，输出正比于牵引发电机功率PF(PF=UF-IF)的功率检测信号Upj；比较环节，实际上是一个减法器，它输出功率偏差信号(Uppi=Upg—Upj)；调节器，根据偏差信号发出调节信号UT，常用的有比例放大器、比例积分器等，在实际电路中，比较器与调节器总是组合在一起的；励磁调节装置，由输入的调节信号控制来改变牵引发电机的励磁电流IFL，从而调节牵引发电机的输出功率PF，常用的有品体管斩波器、品闸管波器、可控整流器等。根据闭环控制系统的工作原理，当调节系统处于平衡状态时，实测功率值应当等于功率给定值，即Upj=Upg。因此只要设定了各手柄位的功率给定值，牵引发电机就获得各手柄位下的理想外特曲线。由于整个电子系统的响应速度快，使系统具有良好的动态性能。%乘岫史测卜迎 监土-城丽｝ 图9电子恒功率励磁系统控制方案电子恒功率励磁系统一般只保证牵引发电机输出恒功率。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，即当机车上辅助装置功率变化时，相应改变牵引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，将检测到的辅助装置功率信号ufpj与牵引发电机功率检测信号upj相加后作为反馈信号加至控制系统。显然，因为系统平衡时upg=upj+Ufpi，所以当柴油机的功率给定信号upg不变时，则upj+ufpi不变，即当辅助装置增加时，发电机输出功率将相应减少，反之则相应增加，这样就能维持柴油机功率不变。由于这一方案需要检测辅助装置所消耗的功率，所以当辅助装置采用电力驱动方式时，比较容易实现。而采用其他驱动方式时，所采用的检测手段相对比较复杂。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。例如，当辅助功率增大时，相应使牵引发电机的功率给定值信号upg减小，反之则增大，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，一般多数利用联合调节器实现辅助功率转移，即通过联合调节器上的功调电阻来修正牵引发电机的功率给定信号。微机控制恒功率励磁系统进入20世纪80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。机车也开始应用了微机，并逐步完善和增强微机功能，也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、比较及调节的功能。实际上，微机的作用远不止于此，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。微机控制与模拟电子控制的最大以区别在于，在微机控制中许多复杂的控制功能都通过软件编程、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结合多种信号，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。此外，微机控制系统还能方便地实现机车运行参数的实时检测、门自动显示、存储、打印及故障报警等功能。微机控制系统包括硬件电路及软件设计两部分。硬件通常可采用市场上成熟的标准机型及接口电路，软件则要根据控制要求进行设计。它的一个重要优点是，系统的功能改变及扩展十分容易，通常只要改变软件设计就能达到，因此更具有通用性。微机恒功率励磁方案见图10，图中虚线框内为微机部分。功率给定值由司机操纵主手柄确定，可以是主手柄位的编码信号通过微机并行口输入，也可以采集反应手柄位的柴油机转速脉冲信号由计算机高速输人口输入。微机根据采集到的当前手柄位所对应的柴油机转速值在内存中查找出功率给定值Dpg，按照柴油机经济特性曲线所确定的各手柄位功率给定值与转速值的对应关系已预先存储于微机内存中。牵引发电的电压检测信号uuj和电流检测信号*经隔离放大后输入微机。由于微机只能进行数字运算，所以必须将电模拟量uuj和七经模数转换器（A/D）转换为数字量Duj和D/。一般A/D芯片前可连接多路转换开关芯片，在满足采样频率的条件下；各模拟量通过多路开关分时切换进入，共用一片A/D芯片进行A/D转换。将数字量Duj和Dij进行乘法运算即得到功率检测值DPj，与功率给定值DPg进行比较（减法运算）得到功率偏差值DPj。根据偏差值，按照特定的控制规律（控制算法）进行运算，计算出控制量DK，这里的控制算法起到调节器的作用。控制量DK的输出可有多种方式，视励磁控制电路的形式和要求而定，一般要求以模拟量或脉宽调制信号输出。因此，应将数字控制量Dk经数模转换器（D/A）转换为模拟量UT，或者直接利用微机的PWM口转换输出，输出信号也要进行隔离。微机与外电路的隔离输出的主要是出于对微机安全性及抗干性的考虑。将D/A转换器输出的模拟控制信号或PWM信号进行放大后去控制励磁调节装置（如励磁斩波器），从而控制了牵引电机的输出功率，使其保持与功率给定值相一致。图10微机恒功率励磁系统控制方案牵引电机磁场削弱调速 由直流牵引电动机的转速公式--皿G%一可知，调节牵引电动机的端电压UD及励磁磁通①D，即可改变电机的转速nD，从而改变机车的运