張 松

（中車北京二七機(jī)車有限公司，北京100072）

GMC16A型鋼軌打磨列車發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速使用

張 松

（中車北京二七機(jī)車有限公司，北京100072）

提出了GMC16A型鋼軌打磨列車發(fā)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速條件下使用的方案，解決了空調(diào)和空壓機(jī)在發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速下不能工作的問題。

鋼軌打磨車；發(fā)電機(jī)；低轉(zhuǎn)速；變頻變壓電源；空壓機(jī)

GMC16A型鋼軌打列車的發(fā)電機(jī)由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在950 r/min～1 800 r/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。當(dāng)轉(zhuǎn)速在950 r/min時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓和頻率無法提供給空調(diào)使用，普通的空壓機(jī)電機(jī)也無法使用。根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出電壓特性（如圖2），發(fā)電機(jī)輸出電壓與頻率呈線性關(guān)系。通過在發(fā)電機(jī)輸出端增加一臺(tái)變頻變壓電源，可將發(fā)電機(jī)輸出的變化的電壓和頻率轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣妷汉皖l率，為空調(diào)提供穩(wěn)定的輸入電源。同時(shí)發(fā)電機(jī)的這一電壓頻率特性符合變頻電機(jī)調(diào)速時(shí)的壓頻比特性，同時(shí)根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出電壓特性，將變頻空壓機(jī)電機(jī)同樣直接接入發(fā)電機(jī)輸出端，空壓機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。。通過此方法可使空調(diào)和空壓機(jī)在發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速下工作。降低了噪音和能耗，解決了空調(diào)和空壓機(jī)在發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速下不能工作的問題。

1 方案介紹

1.1 方案圖

發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速使用空調(diào)及空壓機(jī)方案如圖1所示。

圖1 方案圖

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在950 r/min時(shí)發(fā)電機(jī)輸出線電壓為AC260V，頻率32 Hz，可輸出72 KW功率。；轉(zhuǎn)速在1 800 r/min時(shí)輸出額定線電壓AC440V，頻率60 Hz.額定功率365 kW.柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在變化時(shí)，電壓和頻率線性成比例變化。發(fā)電機(jī)額定功率365 kW.空調(diào)額定功率3 kW，額定電壓單相AC220V.空壓機(jī)額定功率17 kW.為了能使空調(diào)在發(fā)電機(jī)怠速或額定轉(zhuǎn)速下都能正常使用，在發(fā)電機(jī)和空調(diào)之間增加變頻變壓電源，將輸入的變化的發(fā)電機(jī)電壓和頻率轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的三相380 V/50 Hz電源，滿足空調(diào)等負(fù)載的使用。由于發(fā)電機(jī)的電壓和頻率成線性比例變化，可選用符合此特性的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)。

1.2 發(fā)電機(jī)U/f特性

由交流發(fā)電機(jī)的工作原理我們知道，交流發(fā)電機(jī)的三相繞組產(chǎn)生的相電動(dòng)勢的有效值

這里Ce為發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，Ф為轉(zhuǎn)子的磁極磁通，也就是說交流發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和磁極磁通成正比。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，Eφ增大，輸出端電壓UB升高，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到一定值時(shí)（空載轉(zhuǎn)速以上），輸出端電壓達(dá)到極限，要想使發(fā)電機(jī)的輸出電壓UB不再隨轉(zhuǎn)速的升高而上升，只能通過減小磁通Ф來實(shí)現(xiàn)。又磁極磁通Ф與勵(lì)磁電流If成正比，減小磁通Ф也就是減小勵(lì)磁電流If.

所以，當(dāng)交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速升高時(shí)，調(diào)節(jié)器通過減小發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流If來減小磁通Ф，使發(fā)電機(jī)的輸出電壓UB保持不變。

出于對發(fā)電機(jī)的保護(hù)，最低使用頻率不能低于28 Hz.同時(shí)也為了保證直接接入其輸出端的變頻空壓機(jī)的軸頭最低轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)U/f特性如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)U/f特性

1.3 變頻變壓電源的選型

變頻變壓的負(fù)載包括空調(diào)在內(nèi)共13 KW.國內(nèi)可以提供13 kW容量的通用逆變電源廠家較多，但是工作溫度均達(dá)不到70℃要求。且由于260 V～440 V的電壓范圍較寬，不屬于標(biāo)準(zhǔn)輸入規(guī)格，因此沒有標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品可選，需按參數(shù)要求定制，且能夠承接符合鐵路機(jī)車要求。考慮到產(chǎn)品在打磨作業(yè)的苛刻環(huán)境中使用，供應(yīng)商的生產(chǎn)資質(zhì)與經(jīng)驗(yàn)，售后服務(wù)，與產(chǎn)品尺寸成為選型的主要依據(jù)。因此選擇由國內(nèi)具有豐富鐵路機(jī)車變頻變壓設(shè)備生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的廠家長沙廣義變流電器有限公司設(shè)計(jì)制作，變頻變壓電源技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 變頻變壓電源技術(shù)參數(shù)

1.4 工作原理說明

當(dāng)本電源輸入電壓滿足三相150 V～三相470 V時(shí)，經(jīng)不控整流斬波升壓后，升壓控制電路工作，逆變模塊控制輸出接觸器KM1閉合，變頻器接收到KM1閉合信號后逆變模塊輸出三相380 V/50 Hz，經(jīng)過正弦波濾波器濾波、Z型變壓器形成中點(diǎn)后輸出380 V/50 Hz正弦波電壓，變頻變壓電源框圖如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2.

圖3 變頻變壓電源框圖

表2 試驗(yàn)結(jié)果

1.5 發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速使用空壓機(jī)方案

1.5.1 變頻調(diào)速的基本方式[1]

在電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)重要的因素是希望保持每級磁通量φm額定值不變。磁通太弱沒有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)，若要增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)。對于直流電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保持φm不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生的，要保持磁通恒定就比較復(fù)雜。

按電機(jī)理論，三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢的有效值是：

式中，Eg為氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢有效值，單位為V；f1為定子頻率，單位為Hz；N1為每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；KN1為波繞組系數(shù)；φm為每極氣隙磁通量，單位為Wb.

由式（2）可知，只要控制好Eg和f1，便可達(dá)到控制磁通φm的目的。在基頻以下，為了維持磁通不變，必須按比例地同時(shí)控制電壓和頻率，由于空壓機(jī)在電源頻率低于30 Hz時(shí)不工作，因此可不考慮補(bǔ)償定子壓降。

1.5.2 基頻以下調(diào)速

由式 (2）可知，要保持φm不變，當(dāng)頻率f額定值fn下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低Eg，使

即采用恒定的電動(dòng)勢頻率比的控制方式，如圖4所示。

圖4 恒壓頻比控制特性

然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓U≈Eg，則得

這是恒壓頻比的控制方式。

通過以上控制方式可以得出，發(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率特性符合變頻電機(jī)的控制特性。因此可直接將變頻電機(jī)接入發(fā)電機(jī)輸出端使用。

空壓機(jī)空載和負(fù)載運(yùn)行曲線發(fā)電機(jī)電壓與頻率特性如圖5、圖6所示。

圖5 空載運(yùn)行曲線

圖6 負(fù)載載運(yùn)行曲線

從圖4可以看出，發(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率是線性變化的。符合電機(jī)變頻調(diào)速的要求。如果空壓機(jī)電機(jī)是變頻電機(jī)可直接使用。

2 結(jié)論

（1）通過以上分析，此方案從電氣系統(tǒng)上解決了GMC16A型鋼軌打磨列車發(fā)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況下不能使用空調(diào)和空壓機(jī)的問題。

（2）由于柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速下使用，因此可降低噪音和能耗。

（3）目前此方案已經(jīng)裝車并通過試驗(yàn)和驗(yàn)收，效果良好。

[1]陳伯時(shí)，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：15-18.

Application of GMC 16 Rail Grinding Train Generator Low Speed

ZHANG Song
（Beijing Zhongche 27 Locomotive Co.，Ltd.，Beijing 100072，China）

This paper puts forward the solution of GMC 16 rail grinding train used under low speed，and solves the problem that air conditioner and air compressor can not work at low speed of generator.

rail grinding car；generator；low speed frequency variable pressure variable pressure power supply；air compressor

TB857+3

A

1672-545X（2017）08-0252-03

2017-05-17

張 松（1984-），男，北京人，工程師，本科，研究方向機(jī)車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。