模块7 直流传动内燃机车电力传动系统《列车电力传动与控制》教学课件

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直流传动内燃机车电力传动系统第7章直流传动内燃机车电力传动系统

7.1内燃机车电力传动装置的功能7.2同步牵引发电机7.3恒功率调速系统7.4采用联合调节器的恒功励磁控制系统7.5电子恒功率励磁控制系统—CHEC系统7.6微机控制的恒功率励磁系统7.7牵引电动机磁场削弱第7章直流传动内燃机车电力传动系统内燃机车目前是以柴油机作为动力，属于自备能源的机车，其传动方式主要以电力传动为主，由柴油机拖动牵引发电机运转，将燃料的化学能转换为电能输出，通过一套电气设备完成电力的转换、分配与控制，将适合的电能供给牵引电动机，驱动动轴旋转，在轮轨之间产生牵引力，驱动列车运行。在内燃机车中，柴油机的工作性能直接影响着机车的牵引性能。由于受能源动力供给总量的限制，如何充分发挥有限能源的作用，实现柴油机恒功率运行是关键。7.1内燃机车电力传动装置的功能内燃机车通常是以柴油机作为动力。由于柴油机的特性不能满足列车牵引的要求，因此从柴油机曲轴输出端到机车轮对2024/8/225之间需要一套速比可调的中间环节，这一中间环节称之为传动装置。由一套电气设备组成的传动装置，称之为机车电力传动装置。机车在运行时为能经常利用其动力装置的额定功率，这就要求机车的牵引力与机车的运行速度按反比例关系变化，以保持恒功率运行。若机车牵引力为F、速度为v，柴油机的额定功率为PN，自柴油机至机车轮对间的效率为，则有（7-1）

根据恒功率运行要求，机车运行时应保持柴油机额定功率不变，暂设=C，则有Fv=C，即机车牵引力与速度的乘积等于常数，可用一条等边双曲线来表示，最大牵引力受机车轮对和钢轨间粘着牵引力的限制，最大速度受机车构造速度的限制，如图7-1所示。该曲线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7-1中P=f(v)曲线所示。

1.直接驱动的内燃接车如果将柴油机曲轴与机车动轴之间通过速比不变的齿轮直接相连，不采用传动装置而构成直接传动机车。其运行速度v、柴油机转速n、轮轴牵引力F和柴油机扭矩T之间的关系，可用下式表示（7-2）

2024/8/227（7-3）

式中D——机车动轮直径；n——柴油机转速（r/min）；T——柴油机扭矩（kN.m）；

——柴油机与机车动轴之间的传动比；——柴油机与机车动轴之间的传动效率。由式（7-2）、（7-3）可知，若忽略的变化，可用柴油机扭矩T与转速n之间的关系来代替直接驱动的内燃机车牵引特性。直接驱动内燃机车牵引特性和柴油机功率的变化曲线如图7-2所示，显然，它不符合图7-1所示的理想牵引特性曲线的要求。这是因为柴油机输出功率与它的转速近似呈正比变化，柴油机只有当它的转速达到额定值时才发出额定功率。也就是说，采用直接驱动的机车，只有在柴油机额定转速对应的速度运行时，柴油机功率才能得到充分利用，低于该运行速度柴油机的功率得不到充分发挥，而且机车速度愈低，柴油机功率的利用率也愈低。此外，柴油机运转受最低稳定工作转速和最高工作转速限制，低于最低稳定工作转速和高于最高工作转速都不能工作。柴油机也不能带负载起动，而且承受过载的能力很差，因此直接驱动的内燃机车不能使列车起动。内燃机车采用直接传动方式，还有其它不能满足理想牵引特性要求的问题，以上几点足以说明，在内燃机车上采用直接2024/8/229传动方式是不行的。为此，必须要在柴油机与机车动轴之间设置专用的传动装置。为了使内燃机车在宽广的速度范围内能充分、经济地利用柴油机功率，要求传动装置必须实现：不论机车在额定功率或部分功率运行，都应保证柴油机的功率恒定。因此，能够保证柴油机恒定功率运转的传动装置，称为“内燃机车恒功率调速装置”。

2.电力传动装置的任务电传动内燃机车运行性能的好坏取决于电力传动装置性能的优劣。电力传动装置通过调节同步牵引发电机的外特性来保证对柴油机的恒功率控制，为此对电力传动装置提出以下要求，即电力传动装置应完成的任务：2024/8/2210当机车运行在需要柴油机发挥额定功率时，电力传动装置应能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；当机车仅需部分功率时，传动装置应使柴油机按其经济特性运行。电力传动装置应保证柴油机在无负载情况下起动。机车起动时，传动装置应保证有足够大的牵引力，机车起动加速迅速，同时应保证机车起动过程平稳、无冲击。电力传动装置除应具有较高的效率外，必须工作可靠，质量轻、体积小、维修方便，造价便宜。3.电力传动装置的特点电力传动装置能够尽可能地利用机车的粘着质量，扩大机车牵引力和运行速度的变化范围，以便满足列车的运行需要。2024/8/2211能够充分利用柴油机的功率，使柴油机始终工作在最佳状态。可利用牵引电动机短时过载能力强的特点，提高机车承受过载的能力。电力传动装置的传动效率高，工作较可靠。自动化程度随着控制技术的发展在不断提高，控制功能也在不断扩充中，控制方式实现了网络控制。内燃机车具备了完备的自动故障诊断、处理、预警及及记录等功能，柴油机采用燃油电子喷射技术，实现了精细化控制。采用了高灵敏度的防空转、防滑行及轴重转移调节控制系统，充分利用了电力传动装置的资源。2024/8/22127.2同步牵引发电机同步电机是交流电机的另一个品种，其特点是在稳定运行时，转速与定子电流的频率之间存在固定不变的关系，即

（7-4）式中n1——旋转磁场转速（同步转速）。同步电机之名由此而来。同步电机既可作电动机运行，也可作发电机运行，目前主要作发电机运行，所有发电系统几乎都采用同步发电机。内燃机车牵引发电机就是采用同步发电机，由柴油机驱动产生三相交流电能，为机车提供牵引动力。7.2.1同步牵引发电机的结构与工作原理

1.同步牵引发电机的基本结构按照结构型式，同步发电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。旋转电枢式结构的同步发电机其电枢装在转子上，主磁极装在定子上，这种结构在小容量同步发电机中应用较多。旋转磁极式结构主要应用在高压、大容量的同步发电机中，由于励磁部分的容量、电压较电枢小得多，把主磁极装设在转子上，电刷和集电环的负载将大为减轻，工作条件得以改善。目前，旋转磁极式结构已成为中、大型同步发电机的基本结构。2024/8/2214在旋转磁极式发电机中，电枢绕组设置在定子上。按照主磁极的形状，又可分为隐极式和凸极式，如图7-3所示。隐极式转子作成圆柱形，气隙均匀；凸极式转子有明显突出的磁极，气隙不均匀。对于高速同步发电机(n1≥3000r/min)，从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组考虑，采用隐极式结构较为适宜，将使励磁绕组均匀分布在转子表面铁心槽内，以减小离心力的作用。对于低速发同步电机(n1≤1000r/min)，转子承受的离心力较小，一般采用凸极式结构，将励磁绕组集中安放，制造工艺简单。牵引发电机采用旋转凸极式结构。旋转凸极式同步发电机主要由定子和转子两部分组成。定子是能量交换的中心，电枢绕组装在定子上，起着产生旋2024/8/2215转磁场、输出电功率的作用。其结构形式与异步电动机相似，由定子铁心、三相对称绕组和机座等组成；转子由磁极、铁心、转轴以及集电环等部件组成。2.同步牵引发电机的工作原理同步牵引发电机的工作原理也是基于电磁感应定律，当原动机拖动由直流励磁的转子旋转至同步转速n1时，定子绕组与转子磁场之间出现相对运动，根据电磁感应定律，在定子绕组内将产生感应电势（也称为励磁电势），用E0表示。由于定子上的三相绕组结构参数相同、匝数相等，且在空间互差120°电角度，因此在定子三相绕组中产生的感应电势为三相对称电势，其大小相等，相位互差120°电角度。如图7-4所示。同步牵引发电机空载运行时，其输出电压U0=E0。改变励磁电流If的大小可相应地改变空载电势E0的大小。当同步牵引发电机定子绕组接入三相对称负载时，定子绕组（电枢绕组）中流过对称的三相电流，将产生一个以同2024/8/2217步转速旋转的合成旋转磁场。在稳定状态下，转子转速等于同步转速，定子旋转磁场与转子上的主极磁场保持相对静止，这时转子磁场磁极是拖动者，定子合成磁场磁极是被拖动者，转子主磁场的轴线超前于定子合成磁场轴线，功率角＞0。由于功率角的存在，定、转子磁场之间产生了磁拉力且相互作用形成电磁转矩，此时转子上将受到一个与其旋转方向相反的制动性电磁转矩。为克服这一制动性的电磁转矩，必须要从转子上吸收（输入）机械能，转子磁极依靠磁拉力拖动定子合成磁场磁极一起同步旋转，将机械能转换为电能从电枢绕组（定子）上输出，实现机电能量转换，这就是三相同步牵引发电机的工作原理，如图7-4(c)所示。功率角的大小表明了两磁场之间切向磁拉力的大小，即2024/8/2218电磁转矩的大小，也意味着牵引发电机所转换功率的大小。如果逐步减少发电机的输入功率（机械功率），根据功率平衡关系，这时发电机中所产生的电磁功率以及输出的电功率将相应地减少，磁拉力减小，功率角也逐渐减小。7.2.2同步牵引发电机的磁场同步牵引发电机在空载和负载运行时，气隙磁场差别较大，电磁过程也有所不同，在此需要分别讨论。

1.空载运行时的气隙磁场由原动机拖动同步发电机到达同步转速，在励磁绕组中通入直流励磁电流，使电枢绕组开路时的运行状态称为空载运行。（1）空载磁场空载运行时，同步发电机的气隙磁场就是主极磁场，它由2024/8/2219励磁电流通过励磁绕组而建立的。由于磁路不同，主极磁通由主磁通和漏磁通两部分组成。主磁通通过气隙与定子绕组交链，参与能量的转换，是发电机的工作磁通。主磁通经过的磁路叫做主磁路，它包括了气隙、电枢齿、电枢磁轭、主极铁心和转子磁轭等五部分；漏磁通不通过气隙，只与励磁绕组相交链，它不参与能量的交换。（2）空载特性当转子以同步转速旋转时，主极磁场将在气隙中建立一个旋转磁场，它“切割”定子三相对称绕组，在定子绕组中将感应产生一个频率为f的三相对称电势，即励磁电势，表示为（7-5）

2024/8/2220若忽略高次谐波的影响，励磁电势的有效值为，其中为每极主磁通。改变直流励磁电流If的大小，便可得到相对应的主磁通和励磁电势E0

。将励磁电势E0与励磁电流If之间的关系称为同步发电机的空载特性，即E0

=f(If)，空载特性曲线如图7-5所示。空载特性是同步发电机的一条基本特性，其意义、性质以及测取方法与直流发电机一样。同步发电机空载运行时，其端电压U0=E0。从空载曲线上可以看出，当励磁电流较小时，磁路尚未饱和，励磁电势与励磁电流之间成比例变化（线性关系）。随着励磁电流的增大，铁心逐渐饱和，特性曲线开始弯曲，空载电势的增加速度变慢。

2.对称负载时的磁场（1）电枢反应同步牵引发电机带上三相对称负载后，定子绕组（电枢绕组）中将流过三相电流，电枢绕组将产生电枢磁势Fa，其基波磁势与转子同步旋转。此时，电枢磁势Fa与励磁磁势Ff相互作用，形成了气隙合成磁势，并以此建立负载时的气隙磁场。尽管励磁电流和励磁磁势未变，但气隙磁场却发生了变化，使得发电机定子绕组中的电势也发生了变化，输出端电压已不再是E0了，也就是说，负载时电枢磁势会对发电机主磁场以及感应电势产生很大影响。2024/8/2222同步发电机各电磁量都是按照正弦规律分布与变化的，三相同步发电机在对称负载下，电枢磁势基波分量对励磁磁势的影响称为电枢反应。由此可见，同步发电机也是由定、转子双边励磁的电机，在这一点上和直流电机相同，它不同于异步电动机的仅定子单边励磁，所以，从空载到负载，其气隙磁场将会发生显著的变化。电枢反应的性质取决于电枢磁势和励磁磁势（主极磁势）在空间的相对位置。分析表明，此相对位置取决于励磁电势和负载电流之间的相位差角，相位差角也叫做内功率因数角。在此按照和同相位和异相位两种情况分别来进行讨论。(2)——和同相位时2024/8/2224图7-6a表示一台两极同步发电机的示意图。为分析简单，图中每相电枢绕组用一个集中绕组来表示，和的正方向规定为从绕组首端流出、从尾端流入。在图7-6a所示瞬间，主极轴线与电枢A相绕组的轴线正交，所匝链的主磁通为零。因为电势滞后于感生它的磁通90°，故A相励磁电势的瞬时值达到正的最大值，其方向为从X端流入、A端流出；B、C两相的励磁电势和分别滞后于A相励磁电势120°和240°，如图7-6b所示。设电枢电流与励磁电势相位相同，即内功率因数则在图7-6b所示瞬间，A相电流亦将达到正的最大值，B相和C相电流分别滞后于A相电流120°和240°。根据多相交流绕组产生旋转磁场理论可知，在对称三相绕组中通以对称三相电流2024/8/2225时，若某一相电流达到最大值，则在此瞬间，三相基波合成磁势的幅值将与该相绕组的轴线重合。如图7-6a所示瞬间，电枢基波合成磁势Fa的轴线应与A相绕组的轴线和转子磁势交轴重合。由于Fa与转子均以同步转速旋转，所以在其他瞬间，Fa的轴线恒与转子磁势交轴重合。由此可见，时，

Fa是一个交轴磁势，即交轴电枢磁势所产生的电枢反应称为交轴电枢反应。由于交轴电枢反应,使气隙合成磁场B与主磁场B0在空间形成一定的相位差,如图7-6d所示。对于同步发电机，当时，主磁场将超前于气隙合成磁场，于是主极上将受到一个制动性质的电磁转矩。所以，交轴电枢磁势与产生电磁转矩（7-6）

2024/8/2226及能量转换直接相关。从图7-6a、b可见，当用电角度表示时，主磁场B0与电枢磁势Fa之间的相位关系，恰好与匝链A相的主磁通和A相电流之间的时间相位关系相一致，且图7-6a的空间矢量与图7-6b的时间相量均为同步旋转。这样若把图7-6b中的时间参考轴与图7-6a中A相绕组的轴线取为一致，就可以把图7-6a和图7-6b合并，得到一个时-空统一的矢量图，如图7-6c所示。由于三相电势和电流均为对称，所以在统一矢量图中，仅画出A相一相的励磁电势、电流和与之匝链的主磁通，并把下标省略，写成、和。在统一矢量图中，Ff既代表主极基波磁势的空间矢量，也表示时间相量的相位；既代表A相电流相量，又表示电枢磁势Fa

的空间相位。2024/8/2227(3)——和不同相位时在图7-7a所示瞬间，A相绕组的励磁电势达到正的最大值。若电枢电流滞后于励磁电势某一相位角(),则A相电流在经过这段时间后才达到其正的最大值，也就是说，在秒后，电枢磁势的幅值才与A相绕组的轴线重合。所以电枢磁势Fa

应在距离A相轴线电角度处，即Fa

滞后于励磁磁势（主极磁势）Ff已（）电角度。由于Fa与Ff同向、同速旋转，所以它们之间的相对位置将始终保持不变。此时Fa可分解成两个分量，即交轴电枢磁势Faq和直轴磁势Fad，故其中，，。（7-7）

2024/8/2229交轴电枢磁势所产生的交轴电枢反应，其作用已在前面作了分析。直轴电枢磁势所产生的直轴电枢反应，对主极而言，其作用可为去磁，亦可增磁，这要视角的正、负而确定。从图7-7a、b可看出，若电枢电流滞后于励磁电势，则直轴电枢反应呈去磁性；若电枢电流超前于励磁电势，直轴电枢反应呈增磁性，如图7.7（c）所示。

直轴电枢反应对同步发电机的运行性能影响很大，若同步发电机单独供电给一组负载时，呈去磁或增磁性的直轴电枢反应将使气隙内的合成磁通减少或增加，从而使发电机的端电压发生变化。若同步发电机接在电网上，其无功功率和功率因数是超前还是滞后，与直轴电枢反应的性质密切相关。2024/8/22307.2.3同步牵引发电机的运行特性同步牵引发电机的稳态运行特性包括外特性、调节特性和效率特性。根据这些特性可以确定标志发电机性能的基本数据，它包括发电机的电压调整率、额定励磁电流和额定效率。

1.外特性外特性是指发电机的转速为同步转速，且励磁电流和负载功率因数不变时，发电机的端电压与电枢电流之间的变化关系，即当同步发电机的转速n、励磁电流If不变时，同步发电机的感应电势E0也恒定不变。当负载的功率因数（负载的性质）不变时，随着负载电流I的变化，发电机的漏阻抗压降将随之变化，故发电机的输出电压也将发生变化。也就是说，对于不同功率因数的负载，发电机输出电压的变化是不同的，因此同步发电机将有不同的外特性。当同步发电机带有感性负载或电阻性负载时，外特性是下降的，这是由于电枢反应的去磁作用和漏磁阻抗压降所引起的；当同步发电机带有电容性负载且内功率因数角超前时，即＜0，这时电枢反应的增磁作用、容性电流的漏抗压降上升，使得外特性可能呈上升趋势。从外特性可求出发电机的电压调整率。调节发电机的励磁电流，使电枢电流为额定电流、功率因数为额定功率因数、端电压为额定电压，此励磁电流为发电机的额定励磁电流IfN，然后保持励磁电流为IfN、转速为同步转速，卸去负载(I=0)，此时端电压升高的百分数即为同步发电机的电压的调整率，用表示，即（7-8）对于凸极同步发电机，通常控制；对于隐极同步发电机，由于电枢反应较强，一般控制。在电传动内燃机车上，同步牵引发电机的输出电压频率较高，它输出的三相交流电通过硅整流装置整流成直流电后供给直流牵引电动机，电流的脉动分量较小。由于牵引电动机作为感性负载，其主极、换向极以及电枢绕组具有较大的电感，对整流电流的脉动分量产生较大的电抗，起到平波的作用，故整流电流的脉动分量将变得更小，可以看作是稳定的直流。绕组的电抗对直流电流是仅呈现电阻作用而不起阻抗作用，因此从整流器端看牵引电动机，它相当于一个纯电阻负载。整流装置自身的电感很小，所以，同步牵引发电机的负载基本上是电阻2024/8/2233性的，。同步牵引发电机负载电流I总是滞后于感应电势E0，内功率因数＞0，电枢反应中总存在着呈去磁作用的直轴分量。随着负载的增加（负载等效电阻减小），也在增大，使得电枢反应的去磁作用更加强烈，发电机磁路开始离开饱和区进入线形区，这时发电机输出电压下降更快，其外特性呈凸起的下降曲线。所以，同步牵引发电机应是具有强烈电枢反应去磁作用的发电机，这样可使牵引发电机稳态短路电流不会很大。在电传动内燃机车上，为了满足柴油机恒功率运行的要求，必须要对同步牵引发电机的外特性（自然外特性）进行调节，使其满足恒功率的需要。在牵引发电机设计中，采用了较小的气隙、磁路比较饱和等措施，使发电机自然外特性2024/8/2234呈凸起下降的曲线。如果同步发电机具有较强的电枢反应，随着负载的增加，去磁作用逐步加强，这有利于减小对自然外特性的调节范围，使其特性更接近于恒功率所要求的人为特性，而又使发电机稳态短路电流不致太大，有利于机车电气系统的安全保护。在内燃机车中，同步牵引发电机的人为外特性随着转速、励磁电流的变化而变化着，但曲线形状相似。转速越低、励磁电流越小，特性曲线也逐步下移，特性变低。同步牵引发电机的相电压U、相电流I与整流后的直流电压、UF、电流IF之间存在着一定的比例关系，因此通常采用三相整流后的直流电压UF与直流电流IF之间的关系来代替发电机的外特性，即UF=f(IF)，如图7-8所示。2024/8/22362.调整特性调整特性表示发电机的转速为同步转速、端电压为额定电压、负载功率因数不变时，励磁电流与电枢电流之间的关系，即。图7-9表示带有不同功率因数的负载时，同步发电机的调整特性。由图可见，在感性负载和纯电阻负载时，为补偿电枢电流所产生的去磁电枢反应和漏阻抗压降，随着电枢电流的增加，必须相应地增加励磁电流，此时调整特性是上升的。在容性负载时，调整特性也可能是下降的。从调整特性上可确定额定励磁电流。2024/8/22373.效率特性效率特性是指转速为同步转速、端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，发电机的效率与输出功率的关系，即同步牵引发电机的基本损耗包括电枢的基本铁耗pFe、电枢基本铜耗pcu、励磁铜耗pcuf

和机械损耗。电枢的基本铁耗是指主磁通在电枢铁心齿部和轭部中交变所引起的损耗。电枢基本铜耗是指折算到基准工作温度时，电枢绕组的直流电阻损耗。励磁铜耗包括励磁绕组的基本铜耗、电刷的电损耗以及励磁设备的全部损耗。机械损耗包括轴承、电刷的摩擦损耗和通风损耗。杂散损耗包括电枢漏磁通在电枢绕组和其它金属结构部件中所引起的涡流损耗，高次谐波磁场掠过主极表面所引2024/8/2238起的损耗等。确定了总损耗后，效率可按下式确定

内燃机车用同步牵引发电机额定效率一般在96%~96.5%之间。（7-9）无刷同步牵引发电机JF222，4200kVA，1170V，2070A；1000rpm，150Hz，6P；励磁72V、7A；PF=0.95，H/H，Y0/y0，6140kgJF208A，2911kVA、425/770V，3955/2183A，1000rpm/150Hz，cosφ0.95H/H，三相四线；励磁73/80V，6.5/7.1A，H/H，ZD109E额定功率630kW，最大值：1000V/1260A/2465rpm；额定值：755V/900A/855rpm；质量2950kg，串励，H/HJF208A同步牵引发电机JF208A，2911kVA、425/770V，3955/2183A，1000rpm/150Hz，cosφ0.95H/H，三相四线；励磁73/80V，6.5/7.1A，H/H励磁系统----在牵引发电机定子上端部装设了12只磁极，由此构成一台小容量固定磁极式三相同步发电机，作为牵引发电机的励磁机。励磁机输出三相额定100Hz交流电源经固定在电枢输出端的三相桥式整流器整流成直流电，直接为旋转磁极式牵引发电机提供励磁。三相桥式整流器采用旋转二极管相集成模块，且并联一个压敏模块，模块采用无锡飞航电力电子有限公司生产的ZXQ200-12、MMY20K-750V。

整流模块ZXQ200-12技术参数通态平均电流200A；通态峰值压降<1.8V；反向重复峰值电压1200V；反向重复峰值电流≤4mA；绝缘耐压>2500V压敏模块MMY20K-750V。2024/8/22407.3恒功率调速系统交-直流电力传动内燃机车上，电力传动装置主要由同步牵引发电机及直流牵引电动机构成。同步牵引发电机由柴油机拖动产生交流电，经硅整流器整流后供给直流牵引电动机，牵引电动机将电能转换为机械能，驱动动轮旋转，在轮轨之间产生牵引力，牵引列车运行。在此主要介绍交-直流电力传动装置实现恒功率调速的方法及原理。在交-直流电传动的内燃机车上，其恒功率条件下的运行速度变化是通过调节牵引电动机的电压及磁通来获得。牵引电动机电压的调节一般总是通过调节牵引发电机的输出电压来实现，也可通过改变主电路联接方式来达到。牵引电动机磁通的调节，一方面由于机车采用的是串励牵引电动机，其2024/8/2241磁通可随着牵引电动机电枢电流的变化而自动调节；另一方面还通过对牵引电动机磁场削弱的方法来获得更为宽广的恒功率运行速度范围。因此，需重点讨论交-直流恒功率调速中的三个主要问题：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.为获得牵引发电机理想外特性而采用的励磁控制系统。3.牵引电动机采用扩大恒功率调速范围的方法---磁场削弱、串并联转换。2024/8/22427.3.1同步牵引发电机的理想外特性在内燃机车中，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，就需要能改变输出电压以满足机车起动及调速的要求；作为柴油机的负载，在改变输出电压时要保持柴油机功率不变。也就是说，当机车运行在需要柴油机输出满功率时，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运转，既不过载也不欠载；当机车运行在需要柴油机输出部分功率时，应使机车在规定的运行速度范围内保证柴油机按其经济特性运转。所有这些主要是通过调节牵引发电机的外特性来实现。

1.牵引发电机的理想外特性在内燃机车上，柴油机所发出的功率除小部分供给机车辅2024/8/2243助设备外，绝大部分都供给同步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为式中PF——牵引发电机直流侧的功率，kW；Pc——柴油机有效功率，kW；Pf——由柴油机所驱动的辅助设备消耗的功率，kW；——发电机的效率；——硅整流器的效率；UF——整流后牵引发电机电压(整流器输出电压)，V；IF——整流后牵引发电机电流(整流器输出电流)，A；（7-10）

2024/8/2245机车各辅机消耗功率总和约占柴油机功率的10%~15%。辅机功率的大小与它们的工况有关，与机车运行工况关系不大。牵引发电机、整流器的效率变化不大，先假设辅机功率不变，忽略效率的变化，则保持柴油机功率恒定不变的要求就转变为发电机功率（整流器直流侧功率PF=UFIF）保持不变，即牵引发电机在电压、电流变化时仍要保持输出功率不变。反映到外特性上就是要按等边双曲线输出，这一曲线通常叫做牵引发电机的恒功率外特性曲线，如图7-10所示。由于受UPmax和IPmax的限制，理想外特性曲线可分为三个区段。a-b段为限压区，d-e段为限流区，b-d段为恒功率区，其中b-c段为持续工作区，它可持续长时期运行，c-d段为短时工作区，牵引发电机只能作短时运行。2024/8/2246柴油机在满负荷（最高手柄位）输出时，发电机理想外特性上的c点就是发电机的额定工作点，其对应的电压、电流值分别为发电机的额定电压UFN（低压额定电压）和额定电流IFN（持续电流）。恒功率曲线上的d点电压称为恒功率最低电压UPmin，相应的电流称为恒功率范围内的最大电流IPmax。恒功率曲线上持续工作区内的b点电压称为高压额定电压UPmax，相应的电流称为恒功率范围内的最小电流IPmin。高压额定电压与低压额定电压之比称为牵引发电机的调压比KPU，即KPU=UPmax/UFN，它是衡量牵引发电机恒功率范围大小的重要参数。调压比越大则机车的恒功率范围越宽，即调速范围也越宽。调压比的大小受到牵引发电机自身因素（绝缘强度、冷却能力等因素）的制约，故不可能无限制地2024/8/2247增大。当务之急是如何在现有技术条件下，扩大牵引发电机的调压比，这是电传动内燃机车控制系统急需解决的一个问题。当牵引发电机在UPmin~UPmax之间运行时，牵引电动机相应地在一定的转速范围内运行，同时柴油机是在某一固定不变的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运行的恒功率区段内，牵引发电机在限流区及限压区工作时，柴油机功率有所降低，但限流区段通常仅是机车在起动阶段时运行的区段，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段工作，有些机车在高速运行时才有可能进入限压区段。图7-10所示的理想外特性是在假设辅机功率Pf不变时得到的，但实际上机车运行时，Pf会有所变化，理想外特性也将随着Pf的变化有一定的变化幅度，从Pf最大值到最小值之间变化，理想外特性曲线的变化情况如图7-11所示。

当机车辅助功率发生变化时，相应的牵引发电机理想外特性总是在区域之内。由此可见，为维持柴油机功率不变，牵引发电机的理想外特性并不是唯一的，而是随着Pf的变化在一个区域内变化。在设计牵引发电机的励磁调节系统时，需要考虑Pf的变化。但是，Pf的变化相对于柴油机的额定功率而言是比较小的，为了分析问题的方便，可以不考虑Pf的变化，因此相对应于柴油机某一功率下的牵引发电机理想恒功率曲线仅为一条。由于在电传动内燃机车上，柴油机一般都采用全制式联合调速器来调节柴油机的转速，因此司机控制器的每一级位与柴油机的一个转速相对应。司机各手柄位下的理想外特性，如图7-12所示。柴油机在不同转速（手柄位）时对应的发电机理想外特性，同样由恒功率、限流、限压区段组成，其构成、形状与额定转速下的理想外特性相似，且低于额定转速下的理想外特性。最高手柄位时牵引发电机理想外特性中恒功率区段的功率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与柴油机各转速下经济特性曲线上的功率相对应。2024/8/2250低手柄时理想外特性曲线中的限流值应该根据机车起动要求来确定，因为机车的起动牵引力是由各手柄位的限流值所决定的。一般来说，限流值在第一位时可选得小一些，但在低手柄位范围内限流值增加较快，到高手柄位范围内增加较慢些，这样处理可使机车起动快而平稳，并能有效地控制起动时的空转打滑。各手柄位的限压值主要取决于牵引发电机励磁绕组的发热情况。这里所讨论的牵引发电机外特性均是指硅整流器直流侧的电压和电流之间的关系，由于硅整流器的交流输入与直流输出之间具有固定的比例关系，因此硅整流器直流侧的电压和电流间的关系即反映了牵引发电机交流侧的外特性，这两者之间没有根本的区别。2024/8/22512.同步发电机的调整特性为了得到同步发电机的理想外特性，必须使其励磁电流随着负载的变化而变化。当保持柴油机的转速不变时，牵引发电机的励磁电流随着负载电流的变化关系，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利用图解法求得。同步牵引发电机在某一转速n下，对应于不同励磁电流的自然外特性如图7-13所示。图7-13中给出了励磁电流分别为IFL1、IFL2、IFL3时的三条自然外特性，其中IFL1＞IFL2＞IFL3。在该转速下，牵引发电机的恒功率理想外特性曲线为abcde，其中abcde各点分别为恒功率曲线与各自然外特性的交点或切点，这些交点或切点对应的发电机负载电流为IFa、IFb、IFc、2024/8/2252IFd、IFe。a点e与点在IFL1对应的自然外特性上，b点与d点在IFL2对应的自然外特性上，c点则在IFL3对应的自然外特性上，将abcde各点对应的励磁电流和负载电流值绘制在IFL-IF坐标中，连接各点，即可得到转速为n时同步牵引发电机的调整特性，如图7-14中曲线所示。按照同样的方法，可求出理想外特性上的限压和限流区段的调整特性em、ka。由于同步牵引发电机理想外特性的限压段和限流段与最大励磁电流对应的自然外特性很接近，其励磁电流基本不变，故在调整特性上对应的这两个区段可近似为直线，调整特性曲线呈马鞍形。同步牵引发电机在不同的转速下，具有不同的自然外特性，它所对应的理想外特性也不同，所以发电机应有不同的调节特性，但各调整特性的变化规律相似，曲线形状也为马鞍形。2024/8/2254调整特性反映了同步牵引发电机励磁电流的基本变化规律，它是励磁调节系统设计中元件参数选择的重要依据。在一些恒功率控制系统中，牵引发电机在各转速下的限压值和限流值是通过限制发电机的励磁电流来实现的，这时各转速下的最大励磁电流可通过相应的调整特性来确定。7.3.2恒功率励磁系统能使牵引发电机按理想外特性运行的励磁系统称为恒功励磁系统。从自动控制原理的角度上来看，恒功率励磁系统应属于无静差调节的闭环控制系统。

1.恒功励磁系统的组成恒功励磁系统是基于“检测偏差，纠正偏差”的原理工作。在内燃机车上，基本都是以控制同步牵引发电机功率恒定为目标，典型的恒功率励磁系统图7-15所示，它主要由以下几个环节组成2024/8/2256给定信号单元——由它发出机车各手柄位时的功率给定信号Pg，从而给出了各手柄位时柴油机或牵引发电机的功率值，给定信号也叫基准信号。检测单元——由它检测柴油机或牵引发电机的实际功率。检测单元输出的检测信号Pj与柴油机或牵引发电机实际输出功率成正比。比较环节——它的作用是将功率检测信号Pj与功率给定信号Pg进行比较，得出偏差信号Pi（Pi=Pg-Pj）送往调节器。调节器——调节器将偏差值转换为执行元件的驱动信号，其性能与整个励磁系统的动、静态性能有很大关系。常用的调节器有比例放大器、积分器、比例积分器等。执行元件——用以调节牵引发电机励磁电流的装置，也2024/8/2257叫励磁调节装置。它可由变阻器、直流斩波器或可控整流器等组成。被调对象——在恒功励磁系统中，被调对象是柴油机或牵引发电机。牵引发电机功率的恒定是通过调节牵引发电机励磁电流来实现，而励磁电流是通过执行元件来调节的。根据励磁调节装置与励磁电源所处地位的不同，励磁系统一般可分为两类。（1）直接控制的励磁系统将励磁调节装置直接设置在牵引发电机励磁回路中，直接调节牵引发电机的励磁电流，这样的系统称为直接控制的励磁系统，其工作原理如图7-16所示。在该系统中，励磁机与同步牵引发电机TF均由柴油机驱动。当柴油机转速一定时，励磁机的输出电压恒定。励磁机可由直流发电机或交流发电机担当，若励磁机采用交流发电机，首先应通过整流器将交流整流成直流，这时励磁调节装置应具备整流和调节双重功能。励磁调节可采用可控整流装置，通过调节可控元件的导通角完成整流和调节功能，也可采用固定整流方式，然后再采用直流斩波器或其它调节装置来调节牵引发电机的励磁电流。2024/8/2259图7-17表示ND2型内燃机车励磁系统原理图。它采用他励直流发电机作为牵引发电机，其励磁电源直接利用辅助发电机输出电压UFf，励磁调节装置通过调节串入他励绕组中的功调电阻Rgt，实现对他励发电机输出电压的调节。在直接励磁控制系统中，因为是直接调节牵引发电机的励磁电流，故调节电流较大，对调节元件的容量要求也较大，但调节过程时间常数较小。（2）间接控制的励磁系统将励磁调节装置设置在励磁机的励磁回路中，励磁发电机采用交流发电机，通过对励磁机的励磁进行调节，达到间接地调节牵引发电机励磁电流的目的，这种调节系统称为间接控制系统，其工作原理如图7-18所示，图中2ZL为励磁机的整流器。在间接控制的励磁系统中，通过励磁调节装置对励磁机的励磁电流进行控制和调节，使励磁机的电压按同步牵引发电机的励磁要求变化，而励磁机则起中间放大作用。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，但调节过程中的被调节电流较小，调节单元所需容量很小，特别适合于电子调节装置。目前，这类间接调节系统广泛地应用于各种大功率内燃机车上。2024/8/22612.恒功励磁系统的工作原理恒功励磁系统的工作过程可简述如下：假设牵引发电机已工作在恒功率曲线上的a点，则功率给定信号Pg与检测信号Pj相等，即Pg=Pj。因为Pg=Pj，所以比较环节输出的偏差信号Pi等于零。假定调节器采用积分器，则零值的偏差信号输入到调节器时，调节器输出的调节信号T不变（积分器属于无静差的调节系统。不包含积分元件的调节系统均为有静差调节系统，即需要存在一定值的偏差信号，可使系统得到一定值的调节信号Pi=Pg-Pj）。因此，由调节信号T控制的执行元件将保持牵引发电机的励磁电流不变，从而使牵引发电机点的工况不变。当因某种原因，例如机车在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，2024/8/2263由于此瞬间牵引发电机励磁电流未变，牵引发电机工作点将沿其自然外特性acb上升到c点。这时，c点的功率大于恒功率曲线上任一点的功率，所以通过检测元件得到c点的功率检测信号Pj将大于功率给定Pg信号。由于Pj>Pg，因而经比较环节得到一个偏差信号Pi=Pg-Pj<0,将负的偏差信号输入给调节器，使调节器输出的调节信号值下降，则执行元件使牵引发电机励磁电流减小，即牵引发电机输出功率随着自然外特性的变化而下降。这一调节过程一直要进行到牵引发电机新的工作点重合在恒功率曲线上时为止。此时，检测信号Pj与给定信号Pg相等，偏差信号Pi=Pg-Pj=0，调节器输出值将不再变化，励磁电流相应地也不再变化，整个励磁系统才处于平衡状态。另一种情况是当机车运行过程中因某种原因使牵引发电机工作点的功率低于2024/8/2264恒功率曲线上的功率时，则Pj<Pg，比较器输出的偏差信号Pi=Pg-Pj>0，此偏差信号将使调节器输出信号值增大，从而使牵引发电机励磁电流增加，牵引发电机的输出功率也将随之增大，直至输出功率达到恒功率曲线上的功率时为止。由上述调节过程可看出，只要牵引发电机的输出功率值与给定信号对应的功率值不相等时，比较环节就会输出一个偏差信号。由于偏差信号的存在，调节系统就不断地进行调节，直到消除偏差信号时为止。因此，调节系统处于平衡状态时，功率检测信号必等于功率给定信号，此结论适合于任何采用积分器作为调节器的闭环控制系统。所以，在闭环控制系统中，给定功率值的大小规定了柴油机或牵引发电机输出功率值的大小，改变Pg值，就可改变被调对象的输出值。2024/8/2265由上述调节过程可看出，只要牵引发电机的输出功率值与给定信号对应的功率值不相等时，比较环节就会输出一个偏差信号。由于偏差信号的存在，调节系统就不断地进行调节，直到消除偏差信号时为止。因此，调节系统处于平衡状态时，功率检测信号Pj必等于功率给定信号Pg，此结论适合于任何采用积分器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Pg的大小规定了柴油机或牵引发电机输出功率值的大小，改变值Pg，就可改变被调对象的输出值。（2）动态性能动态特性通常有很多度量指标，如稳定性、过渡过程时间、超调量等。2024/8/2266对于恒功率励磁系统，过渡过程时间是衡量系统性能好坏的一个重要指标。当机车运行阻力变化、辅助装置功率变化或牵引电动机磁场削弱时，牵引发电机的工作点将偏离恒功率曲线，即扰动（凡是使柴油机功率偏离稳定值运行的因素统称为扰动）发生，使柴油机输出功率偏离稳定值而发生过载或欠载，恒功率励磁系统的调节作用又将使柴油机输出功率恢复到原稳定值。由扰动发生到被调量又回到稳定值的这一段变化过程称为过渡过程，过渡过程所经历的时间称为过渡过程时间。过渡过程时间越短，控制系统的动态性能越好。过渡过程时间短的励磁控制系统将使柴油机能经常工作在稳定功率值下。超调量是衡量系统动态性能的另一重要指标。扰动发生时，励磁系统使柴油机功率恢复到稳定功率的过程中，可能会2024/8/2267发生一些过冲（过调）现象，即超调。超调量过大将使柴油机过载严重，同时使机车牵引力出现波动、产生较大的冲击，对粘着条件产生很严重的破坏作用，影响机车的稳定运行且容易出现空转、打滑。一般而言，超调量越大过渡过程时间越长。

3.恒功率励磁系统的分类

恒功率励磁系统按所采用调节装置不同可分为两大类，即采用液力调节装置的恒功率励磁系统；采用电子调节装置的恒功率励磁系统，包括集成元件、计算机控制。(1)采用液力调节装置的恒功率励磁系统液力调节装置的恒功率励磁系统是一种依靠液力元件来实现恒功率励磁调节的系统。该系统在上世纪五十年代开始广泛2024/8/2268的应用，六十年代已达到了非常成熟的地步。由于受结构的制约，完成恒功率励磁调节任务的液力元件与柴油机的调速器组合在一起，组成联合调节器，也叫做采用联合调节器的恒功率励磁系统。我们国家生产的DF系列内燃机车几乎都采用联合调节器的恒功率励磁系统。联合调节器的恒功率励磁系统的特点是以柴油机的供油量和转速为控制对象，进行了恒供油量和恒转速的控制。为了控制柴油机输出功率恒定，必须要检测柴油机的输出功率。目前还不能直接检测出柴油机的输出功率，只能采取间接的方法来检测。在电力传动内燃机车柴油机上，一般都装有全制式调速器，通过调速器的调节作用，柴油机能精确地保持各手柄位下的转速不变。此时，就可以柴油机供油量信号作为柴油机的输出功率信号。当规定转速下的供油量恒定时，则对应转速下的柴油机输出功率也将保持恒定。采用联合调节器的恒功率励磁系统的工作原理，如图7-20所示。2024/8/2270采用联合调节器的恒功率励磁系统是一个双闭环系统，它由供油量闭环和转速闭环组成。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。供油量闭环是以柴油机供油齿条的位置作为供油量检测信号，它与由手柄决定的供油量给定信号相比较，得到一个差值以驱动功调伺服器，改变功调电阻Rgt的阻值，从而调节牵引发电机的励磁，改变柴油机的负载，一直到供油齿条的位置（即实际供油量）符合给定供油量要求为止。由于在这个闭环系统中采用的调节器是由液力驱动的积分式伺服器，故该闭环系统属于无静差调节系统；转速闭环是以柴油机的转速作为检测信号，将它与手柄给定转速信号比较，输出偏差信号使液力供油伺服器动作，带动柴油机供油齿条移动改变供油量，达到改变柴油机功2024/8/2271率、转速之目的。若柴油机转速高于给定转速，即负载功率小于柴油机输出功率时，比较器输出一负偏差信号，液力供油伺服器驱动供油齿条朝着减小供油量的方向移动，使供油量减小，直到柴油机转速恢复到给定转速值为止。若柴油机转速低于给定转速，这时比较器输出一正偏差信号，液力伺服器驱动供油齿条朝着增加供油量的方向移动，使供油量增加，从而将柴油机的转速（功率）恢复到给定值。显然这两个闭环系统是相互独立但又有联系的闭环系统。转速控制系统是当负载发生变化时，通过改变供油量的大小以维持柴油机转速恒定；供油量控制系统是当供油量偏离给定值时，通过改变牵引发电机的励磁电流，以改变发电机输出功率（柴油机负载）使供油量恢复到给定值。由此可见，维持柴油机转速和供油量的恒定就是2024/8/2272保持柴油机输出功率的恒定。由于两个闭环系统同时存在，所以在机车运行时，因扰动而产生的调节过程比较复杂。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的变化，而供油量变化将引起牵引发电机的励磁调节系统动作，调节发电机的功率使柴油机负载趋于恢复恒定值。当调节过程结束系统处于平衡状态时，柴油机必定处于给定转速、给定供油量下工作，所以柴油机的功率恒定不变。图7-20中虚线框内的元件均已组合到联合调节器内，其中有两个液力伺服器，一个叫供油伺服器，另一个叫功调伺服器。执行元件为功调电阻Rgt，Rgt相当于一个可调节电阻，它是由功调伺服器的输出量来改变其电阻值。（2）电子恒功励磁系统电子恒功励磁系统通常是以调节牵引发电机输出功率恒定为目标，系统框图如图7-21所示。电子恒功率励磁控制系统需要检测牵引发电机的输出电压和输出电流值，将检测结果送入乘法器便得到牵引发电机的输出功率值。把这个实测功率与给定功率相比较，得出偏差值送2024/8/2274入调节器。常用的调节器为比例调节器(P)或比例积分（PI）调节器。由调节器输出调节信号，通过执行元件调节励磁电流，以达到控制牵引发电机的功率。执行元件一般采用直流斩波器，斩波器元件采用可控硅、大功率晶体管或大功率MOSFET。直流斩波器有脉宽调制型（定频调宽）和定宽调频型两种形式。在电子恒功率系统中，各参量一般都采用电压量。根据闭环系统工作原理，对于采用无静差调节系统，当调节系统处于平衡状态时，检测功率应等于给定功率，即UPj=Upg。因此，只要确定了各手柄位的功率值UPg，UPj值也将保持恒定，牵引发电机就可获得理想的外特性曲线。与此同时由于电子调节控制系统的响应速度很快，该系统具有良2024/8/2275好的动态性能。需要指出的是，电子恒功系统一般只保证了牵引发电机输出功率恒定，尽管牵引发电机输出功率占柴油机输出功率的绝大部分，但并不保证柴油机功率恒定。因此对于采用电子恒功率励磁控制的系统而言，必须要考虑辅助装置功率的转移问题，即如何使牵引发电机的励磁随着辅助系统功率的变化而调节，以维持柴油机的功率恒定。实现辅助系统功率转移的方法有两种。★设置检测环节检测辅助装置功率此方案设置了一套辅助功率检测环节，通过此环节来检测辅助装置功率，原理框图如图7-22所示。将检测到的辅助装置功率信号UPfj与牵引发电机功率检测信号UPj相加，即2024/8/2276(UPfj+UPj)，以此作为功率反馈信号加至励磁调节系统。系统稳定时UPg=UPfj+UPj，当UPg不变时，则（UPfj+UP）也不变。若辅助功率增加时，辅助功率检测信号UPfj相应增加，牵引发电机输出功率将减小，其检测信号UPj也减小；同理，若辅助功率减小时，牵引发电机输出功率将增加，这样就可以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，当辅助装置均采用电力驱动方式时，较容易实现。若采用其他非电力驱动方式，如由柴油机直接驱动时，辅助功率的检测相对要困难一些，检测手段较复杂，此方案实施有一定的难度。★通过联合调节器实现辅助功率转移此方案利用联合调节器上的功调电阻Rgt来修正功率给定信号，使牵引发电机功率给定信号随辅助装置功率的变化而变化，从而达到稳定柴油机输出功率的目的。当辅助系统功率增大时，通过修正Rgt值使牵引发电机功率给定信号UPg减小，避免柴油机过载，维持柴油机功率恒定。当辅助系统功率减小时，及时修正Rgt值使牵引发电机功率给定信号UPg增大，保持柴油机功率恒定不变。目前大多数采用电子恒功率励磁装置的内燃机车，不论采用何种方式，基本上都依靠联合调节器上的功调电阻来修正功率给定信号。尽管采用功调电阻修正功率给定信号这一形式相同，但在应用不同的电子恒功率方式时对功调电阻的依赖程度却大不相同。2024/8/2279（3）两种恒功率励磁系统的性能比较电子恒功率励磁系统与采用联合调节器的恒功率励磁系统相比，具有诸多优点，主要表现在动态性能、控制特性精确度、系统的可扩展性和系统通用性等方面。在动态性能方面，电子恒功率励磁控制系统具有明显优势。采用联合调节器的恒功率励磁系统因调节过程需要通过柴油机-发电机组这个惯性很大的环节，因而调节系统过渡过程时间较长，在机车实际运行中，由于负载的频繁变化，所造成的功率波动较大。电子恒功率励磁系统由于直接用牵引发电机输出的电功率信号作为反馈信号，反馈到励磁调节系统中去，调节过程不需经过柴油机-发电机组的转速反馈，而且各个环节的元件全部采用电子器件，因此整个调节系统惯性很小、反应2024/8/2280很灵敏，动态性能好。在电子恒功率励磁系统控制下，机车运行时柴油机几乎不受机车负载变化的影响，始终工作在规定的功率值上。良好的动态性能是电子恒功率励磁系统的一个主要优点。在特性控制精确度方面，由于受结构限制，联合调节器上供油量给定信号与柴油机转速之间是一个近似线形关系，因此柴油机转速与功率之间的配合，并不一定符合牵引发电机理想外特性的要求。同时在各手柄位时的限压、限流值的控制，往往也不能达到牵引发电机理想外特性的要求。对于电子恒功率励磁系统而言，由于各手柄位下功率给定信号、限压、限流给定信号均采用电模拟量或数字量，因而可以比较容易地按照牵引发电机理想外特性要求进行控制。2024/8/2281在控制功能扩展方面，采用联合调节器的恒功率励磁系统，可扩展可能性很小。若需要进行其他项目的控制，则必须要重新设置新的控制系统，这样势必要增加系统的复杂性。而电子调节系统可以方便地综合各种信号进行控制，不同控制要求的各系统可以综合在同一系统内，因而在电子恒功率励磁系统中，功能可扩展能力较强，只要增加少量环节就同时能进行电阻制动的恒电流、恒励磁控制，也可方便的实施牵引电动机的空转保护等。电子恒功率励磁系统通用性较好，同样的装置几乎可应用到任何功率等级的电传动机车上。同时采用电子恒功率励磁控制的机车，控制精度高、调节方便，几乎不用进行水阻试验就可以调整各参数，系统还可实现状态自检，这给现场使用带来2024/8/2282了极大的方便。与采用联合调节器的恒功率励磁系统相比，电子恒功率励磁系统在辅助功率转移方面存在明显的不足或缺点，主要表现在：采用联合调节器的恒功率励磁系统能方便地实现机车辅助功率的转移，而对于电子恒功率励磁系统，当辅助功率变化时，需要相应地改变牵引发电机的功率给定信号，以维持柴油机功率不变。由于辅助功率的检测比较复杂，因此解决辅助功率的检测往往又会增加系统的复杂性，所以目前大多数采用电子恒功率励磁系统的机车，仍采用联合调节器来实现辅助功率的转移。对于柴油机来说，当运行较长时间后，由于高压油泵、喷2024/8/2283油器的性能将下降，即使在同一供油量下，实际输出功率也有所下降，供油量与输出功率之间的匹配关系发生了变化。这时应在供油量不变的情况下，及时调整柴油机输出功率，相应地降低柴油机功率，以避免因部件性能下降对柴油机运行带来不利影响。采用联合调节器的恒功率控制系统，本身就是以保持供油量恒定为控制目标，柴油机能够自动适应变化，这是它的优点。电子恒功率控制系统并不具有这一特点，必须通过附加的装置来修正功率给定信号。一般功率给定信号通过功调电阻进行修正，可以方便地解决辅机功率转移及供油量调节的问题。可靠性问题，这在机车上是一个特别重要的问题。美国作为内燃机车技术的强国，在电子恒功率控制方面，特别是在微机控制方面应用十分普遍，从运行可靠性来看绝不低于采用联2024/8/2284合调节器的恒功率系统。在我国电子恒功率控制系统的应用还不是很普遍，可靠性还有待提高，应用经验还不多，各主机厂和科研单位应在此方面加大研发力度，采用新技术、新工艺以提高可靠性。通过上述分析可知道，电子恒功率控制系统尽管存在着一些不足，但从总体性能上来看，具有明显的技术优势，是内燃机车恒功率控制发展的方向，广泛采用计算机控制技术，可使恒功率控制系统的性能更加完善，保证柴油机在最佳工况下运行。7.4采用联合调节器的恒功励磁控制系统目前，采用联合调节器的恒功励磁控制系统仍然在广泛应用，主要采用间接恒功励磁控制，在小信号端进行调节，通过电路逐级进行放大，达到对牵引发电机励磁电流的控制。我国主型内燃机车DF4、DF8、DF11系列均采用两级放大的间接恒功励磁控制系统，在功调电阻和励磁机之间加入了一级中间放大装置-测速发电机，以减小功调电阻的容量和提高放大倍数，如图7-23所示。2024/8/2286牵引发电机TF的励磁由励磁机L提供，励磁机依靠直流测速发电机CF对其励磁。测速发电机采用他励方式，由柴油机拖动，功调电阻Rgt串接在其他励回路中，Rgt受联合调节器的控制。在采用联合调节器的内燃机车柴油机上，其工作特性是依靠联合调节器的调节作用而得到，故联合调节器作为该类恒功率调节系统的核心元件，对柴油机以及机车性能的影响很大。7.4.1联合调节器的基本功能柴油机可以工作在最低稳定转速与额定转速之间，也可以运行在额定功率与部分功率以至空载之间。国产内燃机车柴油机最低稳定转速一般为400～500r/min、额定转速为1000r/min。柴油机转速的控制是通过司控器来实现的，在额定转2024/8/2287速以下，功率、转矩随着转速的下降而下降。根据柴油机原理，一定的供油量对应一定的输出转矩，因此对于某一确定的手柄位置（即确定的供油齿条位置），柴油机都有一个确定的转速、功率和供油量。根据柴油机油耗曲线，油耗率是随着转速的升高而降低，也就是说，在高转速时油耗率较低，从经济角度考虑，柴油机运行在较高的转速时较为有利。柴油机的这些特性需要通过调节来实现。联合调速器已由A型发展到了D型，调速性能有了很大提高，其基本结构、系统功能相同。在DF11部分新造车上装用了调速性能优良的PGMV型调速器，取得了很好的效果。PGMV调速器是在美国WoodWard公司生产的PGEV调速器基础上，为适应中国铁路市场与机车接口的变形产品，它保留了PG类2024/8/2288调速器滑阀调整系统、补偿系统，采用了联合调节器的配速机构，其外形接口、安装尺寸和联合调节器相同，可以和联合调节器互换安装。但其转速调节性能要优于联合调节器。PGMV调速器反馈补偿系统设计合理，需要调整的环节不多，其调整过程比联合调节器要简单。联合调节器具有稳速、配速和功率调节三个功能，其原理如图7-24所示。1.稳速（基本调速）功能为了分析问题方便，暂不考虑功率调节作用，假定司控器手柄位置不变，即宝塔弹簧高度不变。在这里按柴油机稳定工作、减载和增载三种工作情况来分别讨论。（1）柴油机稳定工作情况2024/8/2290当柴油机负载不变时，其转速也不变，这时飞铁所受的离心力和宝塔弹簧的压力相平衡，飞铁处于垂直位置，调速滑阀中阀盘将通往供油伺服器的油路封闭，供油伺服器中的动力活塞下方的油压也正好与动力弹簧的压力相平衡，动力活塞则静止不动，共油齿条的位置也不变，调速器稳定在平衡位置，如图7-24所示状态。（2）柴油机负载减少时的工作情况当柴油机的负载减小时，如辅助系统功率减小等，柴油机转速将迅速增加，使得飞铁转速也相应增大，飞铁所受的离心力大于宝塔弹簧的压力，飞铁开始向外展开，使托盘上升压缩宝塔弹簧，进而带动调速滑阀柱塞上移，通往供油伺服器的油路打开，其动力活塞下部的压力油卸载，动力活塞2024/8/2291下部背压减小，在动力弹簧的作用下，动力活塞和供油齿条下移，使供油量减少。由于供油量的减少使转速下降，飞铁所受离心力减小，开始由张开位置向垂直位置收拢，宝塔弹簧开始伸长，调速滑阀柱塞下移、工作阀盘将通向供油伺服器的油路逐渐封闭，直到飞锤处于垂直位置调节过程结束。经过如此调节后，柴油机转速保持不变，但由于供油量减小使得输出功率也相应地减小，适应负载的变化。（3）柴油机负载增加时的工作情况当柴油机负载增加时，转速下降，调节器的调节过程与负载减小时的调节过程相反。随着转速下降，飞铁因离心力减小而合拢，宝塔弹簧伸展、托盘及调速滑阀柱塞下移，与供油伺2024/8/2292服器之间的油路被打开，压力油进入供油伺服器动力活塞的下部，从下部对动力活塞施加压力，使其压缩动力弹簧开始向上移动，拉动供油齿条朝增加供油量的方向移动。与此同时，由于供油量增加柴油机转速上升，使得飞铁离心力增大，飞铁由最初的合拢状态开始向垂直位置变化，调速滑阀中稳速柱塞上移、通向供油伺服器间的油路被封闭，终止压力油的供给使动力活塞停止移动、供油齿条保持在此位置上，飞铁已恢复到垂直位置（平衡位置），整个调整过程结束。此时，柴油机转速恢复到了原来的转速，供油量有所增大，输出功率相应增加以适应负载的增加。通过上述分析，在不是人为地进行功率调整的前提下，当柴油机负载减小或增加时，经过调节器的调节，使供油量减少2024/8/2293或增大，柴油机的功率也相应地减小或增加，而柴油机转速保持不变，达到了稳定转速的目地。在实际应用中，调节器的调节过程不是一次能完成的，需要经过几次波动后才使得柴油机的转速恢复到原来的稳定转速。当然希望调节过程越短越好。稳速调节是在司控器位置不变、宝塔弹簧高度一定时，以转速作为检测信号，供油量作为输出控制信号，通过转速闭环控制系统，以改变供油量为代价，最终使转速恢复到稳定值、输出功率适应负载变化，柴油机在新的负载状态下稳速运转。

2.配速（转速给定）功能（1）司控器主手柄由低速位向高速位改变时的工作情况当主手柄由低速位移向高速位时，联合调节器中的宝塔弹2024/8/2294簧被压缩，宝塔弹簧与飞铁之间的平衡关系被破坏，宝塔弹簧所受压力将大于飞铁离心力，飞铁开始向内收拢带动调速滑阀稳速柱塞下移，压力油进入供油伺服器动力活塞的下部，从下部对动力活塞施加压力，使其压缩动力弹簧开始向上移动，拉动供油齿条朝增加供油量的方向移动。与此同时，由于供油量增加柴油机转速上升，使得飞铁离心力增大，飞铁由最初的合拢状态开始向垂直位置变化，稳速柱塞开始上移，工作阀盘将通向供油伺服器的油路封闭，切断压力油通路，终止压力油的供给使动力活塞停止移动、供油齿条保持在此位置上，飞铁已恢复到垂直位置（平衡位置），整个调整过程结束。此时，柴油机在较高的转速及供油量下输出较高的功率稳定运行。202