呂娜璽

（天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300240）

HXN3型內(nèi)燃機(jī)車電傳動(dòng)控制系統(tǒng)研究分析

呂娜璽

（天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300240）

本文詳細(xì)闡述了HXN3型內(nèi)燃機(jī)車的各系統(tǒng)的工作原理，主要包括：交流傳動(dòng)系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、空氣制動(dòng)系統(tǒng)等，結(jié)合內(nèi)燃機(jī)車的性能特性分析了目前HXN3機(jī)車電傳動(dòng)的矢量控制、PWM控制等技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊控制的觀點(diǎn)以及方法。

內(nèi)燃機(jī)車；電傳動(dòng)；控制技術(shù)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路運(yùn)輸業(yè)的得到了迅猛發(fā)展，為此機(jī)車“客運(yùn)高速，貨運(yùn)重載”的需求也越來越大，未來提高大功率內(nèi)燃機(jī)車的性能，逐漸將先進(jìn)的交流電傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于HXN3內(nèi)燃機(jī)車，這不僅提高了內(nèi)燃機(jī)車機(jī)車的技術(shù)水平，也提升了鐵路裝備的制造水平。為此，HXN3內(nèi)燃機(jī)車的交流電傳動(dòng)技術(shù)需要更深一步分析研究。近十幾年來交流電傳動(dòng)技術(shù)以及相關(guān)的控制技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)車控制過程，為滿足鐵路運(yùn)輸屬于需求的內(nèi)燃機(jī)車的大功率要求，對(duì)內(nèi)燃機(jī)車的交流電傳動(dòng)技術(shù)以及與之相關(guān)各個(gè)系統(tǒng)的控制技術(shù)進(jìn)行研究和分析，是目前鐵路機(jī)車研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要方向。

2 內(nèi)燃機(jī)車電傳動(dòng)簡(jiǎn)介

2.1直流電傳動(dòng)

直流電傳動(dòng)是電力機(jī)車較普遍應(yīng)用的一種傳動(dòng)方式，再工作過程輸入直流電機(jī)的電能與機(jī)械能進(jìn)行可逆的轉(zhuǎn)換。內(nèi)燃機(jī)通過具有彈性性質(zhì)的聯(lián)軸節(jié)來驅(qū)動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)把內(nèi)燃機(jī)曲軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢哉{(diào)節(jié)控制的直流電能，經(jīng)直流牽引電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩都能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)的機(jī)械能，然后通過聯(lián)軸節(jié)連接齒輪箱，經(jīng)過齒輪箱驅(qū)動(dòng)機(jī)車動(dòng)車輪對(duì)，這樣來實(shí)現(xiàn)牽引控制。這種傳動(dòng)方式的發(fā)電機(jī)和牽引電動(dòng)機(jī)都是釆用直流電機(jī)，所以也稱為直-直電傳動(dòng)。

2.2 交-直流電傳動(dòng)

伴隨內(nèi)燃機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的逐漸提高，內(nèi)燃機(jī)車逐步向大功率方向發(fā)展，但是直流牽引發(fā)電機(jī)的功率輸出由于受到換向以及機(jī)車功率限界等各個(gè)因素的制約限制，單臺(tái)內(nèi)燃機(jī)功率一般被限制在2200KW以內(nèi)，直到上世紀(jì)60年代，大功率機(jī)車的整流技術(shù)逐步成熟，交-直流電傳動(dòng)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。交-直流電傳動(dòng)屬于直流調(diào)速系統(tǒng)，他是采用交流牽引發(fā)電機(jī)，交流牽引發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電，經(jīng)過整流器將交流整流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?，然后再?jīng)過直流牽引電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)來驅(qū)動(dòng)機(jī)車動(dòng)車車輪，直流牽引發(fā)電機(jī)相比，這種交流傳動(dòng)方式的牽引發(fā)電機(jī)具有無換向器的特性，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠，并且維護(hù)簡(jiǎn)單。

2.3 交流電傳動(dòng)

即使串勵(lì)直流牽引電動(dòng)機(jī)具有較好的的調(diào)速性，但是考慮到其自身的一些特性，致使其面臨著以下幾個(gè)難點(diǎn)：第一，串勵(lì)直流牽引電動(dòng)機(jī)的自身結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致其功率難以進(jìn)一步提升。第二，由于串勵(lì)直流牽引電動(dòng)機(jī)功率特性相對(duì)較軟，有時(shí)候?qū)е聶C(jī)車在牽引工況下出現(xiàn)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象或者電阻制動(dòng)工況下出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。第三，同一等級(jí)的直流牽引電動(dòng)機(jī)與交流異步電動(dòng)機(jī)相比，在重量和尺寸上都相對(duì)較大。

3 HXN3型內(nèi)燃機(jī)車電傳動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 交流主傳動(dòng)系統(tǒng)

內(nèi)燃機(jī)車的交流主傳動(dòng)系統(tǒng)不但擔(dān)負(fù)著分發(fā)揮內(nèi)燃機(jī)輸出功率的任務(wù)，也是內(nèi)燃機(jī)車性能的最關(guān)鍵的部分之一。內(nèi)燃機(jī)車的能量轉(zhuǎn)化和輸入與輸出是由交流電傳動(dòng)系統(tǒng)來完成的。在HXN3機(jī)車上，其內(nèi)燃機(jī)具有以架控和矢量控制特點(diǎn)的大容量IGBT的逆變器作為主傳動(dòng)系統(tǒng)，是能量傳輸以及電量轉(zhuǎn)化的最關(guān)鍵載體，該大功率交流牽引系統(tǒng)，具有高調(diào)速比、大單軸功率以及少維護(hù)率的貼點(diǎn)，并且具有較高的牽引特性，這些特點(diǎn)是HXN3機(jī)車的核心優(yōu)勢(shì)之一。

內(nèi)燃機(jī)車的主傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括主發(fā)電機(jī)、整流單元、牽引逆變器、牽引電機(jī)以及制動(dòng)電阻裝置等構(gòu)成。主發(fā)電機(jī)所發(fā)出的三相交流電經(jīng)過牽引整流單元轉(zhuǎn)化為高壓直流電，該高壓直流電經(jīng)過牽引逆變器轉(zhuǎn)化為所需電壓值的交流電，最終輸出給牽引電動(dòng)機(jī)，牽引電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)與動(dòng)車的齒輪箱相連接，實(shí)現(xiàn)列車的牽引運(yùn)行。

3.2 輔助供電系統(tǒng)

HXN3型內(nèi)燃機(jī)車釆用交流輔助供電系統(tǒng)對(duì)車輛上的輔助電氣進(jìn)行供電。輔助供電系統(tǒng)由與主發(fā)電機(jī)同軸的輔助發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電。輔助發(fā)電機(jī)電樞具有兩套三相交流電樞繞組，在這兩套裝中的一套主要是為控制電源以及蓄電池充電供電，另一套繞組分成兩組各自獨(dú)立的電壓輸出，其中一組輸出為輔助設(shè)備供電，另一組為勵(lì)磁供電。

控制電源與蓄電池充電繞組輸出主要為72-220VAC的三相交流電，通過輔助電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行整流調(diào)壓輸出74VDC控制電，主要為控制系統(tǒng)、蓄電池、照明系統(tǒng)以及空調(diào)控制系統(tǒng)等供電。

3.3 微機(jī)控制及網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)

HXN3機(jī)車釆用的是32位的EM 2000微機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)車的牽引、制動(dòng)、整流與逆變以及輔助系統(tǒng)進(jìn)行控制，使機(jī)車在不同的運(yùn)行工況下對(duì)機(jī)車的牽引和制動(dòng)能力得到最大發(fā)揮。機(jī)車的PIS的列廣系統(tǒng)主要是完成列車信息顯示、數(shù)據(jù)下載、操作和維護(hù)，并具有遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)接口等功能。

3.4 空氣制動(dòng)系統(tǒng)

HXN3機(jī)車制動(dòng)部分采用微機(jī)控制系統(tǒng)，主要是空氣制動(dòng)系統(tǒng)CCBII?？諝庵苿?dòng)系統(tǒng)具有自我故障診斷、顯示及人機(jī)對(duì)話等功能，這些功能是集成在機(jī)車HRE顯示系統(tǒng)中的。本空氣制動(dòng)系統(tǒng)主要是基于網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的電空制動(dòng)系統(tǒng)，所有的邏輯順序都是由微機(jī)進(jìn)行控制的。本空氣制動(dòng)系統(tǒng)具有減壓準(zhǔn)確、反應(yīng)迅速，保養(yǎng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，并具有安全可靠、集成化程度較高，同時(shí)功能可擴(kuò)展性較強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式無線重聯(lián)等控制。

4 總結(jié)

交流電傳動(dòng)涉在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在內(nèi)燃機(jī)車上的交流電傳動(dòng)需要與內(nèi)燃機(jī)車獨(dú)特的技術(shù)特性和運(yùn)用需求結(jié)合在一起，這導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)非常復(fù)雜。本文通過對(duì)HXN3內(nèi)燃機(jī)車交流電傳動(dòng)的相關(guān)理論分析與研究，闡述了其各個(gè)系統(tǒng)的工作原理，對(duì)交流傳動(dòng)系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、空氣制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)研究，為從事內(nèi)燃機(jī)車交流電傳動(dòng)技術(shù)相關(guān)的設(shè)計(jì)與運(yùn)用維修人員提供了理論基礎(chǔ)。

[1]曹恒，潘大德.內(nèi)燃機(jī)車大功率內(nèi)燃機(jī)電控系統(tǒng)試驗(yàn)研究.車用發(fā)機(jī).2009，1： 13-16

[2]刁利軍，劉志剛，沈茂盛等.交流傳動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)方案綜述.電氣傳動(dòng).2007，9： 33-34

[3]金彪.大功率交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)方案研究.西南交通大學(xué)，2012：38-48

【作者介紹】

呂娜璽，天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，主要負(fù)責(zé)內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車控制教學(xué)與研究。