李海明

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司鐵路公司，山西 太原 030027）

引言

現(xiàn)如今，我國鐵路系統(tǒng)的主力機(jī)車是東風(fēng)4D型的內(nèi)燃機(jī)車，內(nèi)燃車由多部分組成，其中控制系統(tǒng)是整個(gè)內(nèi)燃機(jī)車的核心部分。隨著電氣時(shí)代的來臨，控制系統(tǒng)主要是通過電氣控制，進(jìn)而為內(nèi)燃機(jī)車提供能量，此能量包括機(jī)車的動力以及車內(nèi)部的自用電。目前國內(nèi)的內(nèi)燃機(jī)車主要采用AC-DC電力傳動裝置，即由交流發(fā)電機(jī)以及直流電動機(jī)組成。AC-DC電傳動內(nèi)燃機(jī)車的原理圖如圖1所示。

圖1 AC-DC電傳動內(nèi)燃機(jī)車原理圖

其中GS為東風(fēng)4D型內(nèi)燃機(jī)車的主發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器和柴油機(jī)聯(lián)系，電力傳動裝置包括主電路接地、發(fā)電機(jī)過流、電阻制動過流等保護(hù)環(huán)節(jié)，來保證內(nèi)燃機(jī)車的正常運(yùn)行。同時(shí)，機(jī)車還有鍋爐控制柜來保證鍋爐的正常使用。

1 機(jī)車柴油機(jī)的啟動控制

機(jī)車在啟動之前應(yīng)對燃油、滑油以及水管路以及閥門的位置做相應(yīng)的檢查，相應(yīng)的要求如表1所示。

表1 機(jī)車柴油機(jī)啟動要求

本文所述的燃油機(jī)車的啟動方式為由蓄電池持續(xù)供電的串勵(lì)電動機(jī)方式進(jìn)行啟動。每次燃油車的啟動都耗費(fèi)蓄電池的大量電能，再加上柴油機(jī)燃燒不夠充分，會造成嚴(yán)重的排放污染，在我國北方，冬季時(shí)節(jié)會出現(xiàn)電動機(jī)的啟動困難，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致機(jī)車爆燃現(xiàn)象。機(jī)車的啟動裝置在每次啟動之前延時(shí)一分鐘左右供給滑油和燃油，機(jī)油壓力建立前，起動電機(jī)不能停止工作，這個(gè)過程操縱人員通過主動觀察來判斷是否應(yīng)該啟動，依據(jù)較為主觀，出錯(cuò)率高。

啟動過程中若將油過早注入氣缸中，那么此時(shí)的柴油機(jī)仍然處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)噴出的油的質(zhì)量較差，溫度低的油還會降低機(jī)車氣缸內(nèi)的溫度，使得點(diǎn)火時(shí)間延遲，尤其在冬季，經(jīng)常打火失敗。而且這種控制方式會使得每次啟動的過程中都伴隨著巨大的能耗，排出大量污染性氣體。當(dāng)柴油機(jī)點(diǎn)火成功后蓄電池不會主動停止工作，而是會繼續(xù)持續(xù)地向電機(jī)進(jìn)行供電。而且每次打火失敗后需要將所有操作重新開始做，因此可能會造成時(shí)間和能量上的浪費(fèi)[1]，基本電路如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)啟動電路原理圖

由圖2可以看出，啟動接觸器QC在整個(gè)啟動過程中持續(xù)對電機(jī)和油泵進(jìn)行控制。柴油機(jī)的啟動可以分為四個(gè)階段，分別為準(zhǔn)備、柴油機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)動、點(diǎn)火、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)四大部分，其中穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的前提是要建立油壓。柴油機(jī)管路中的油壓狀況直接能決定啟動接觸器是否帶電，本文將機(jī)油壓力和燃油壓力作為控制信號。這樣在無法建立壓力的情況下就不會讓柴油機(jī)啟動，進(jìn)而可以縮短啟動時(shí)間，同時(shí)也可以節(jié)約大量的能量。

一般情況下，柴油機(jī)車啟動時(shí)的點(diǎn)火轉(zhuǎn)速應(yīng)該低于150 r/min，若點(diǎn)火后立即切除蓄電池的供電，既可以節(jié)省蓄電池的電能，還可以降低柴油機(jī)啟動中的轉(zhuǎn)速沖擊[2]?；谝陨戏治觯捎猛ㄟ^設(shè)計(jì)PLC程序的方式可以針對柴油機(jī)啟動過程中的四個(gè)階段進(jìn)行精確控制。

2 機(jī)車的無級調(diào)速控制

現(xiàn)如今的柴油機(jī)調(diào)速控制方式大多都采用PID控制[3]。本文所設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)車上的調(diào)速系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 機(jī)車無極調(diào)速系統(tǒng)

內(nèi)燃機(jī)車上采用的無極調(diào)速是通過調(diào)速器中的電機(jī)驅(qū)動傘齒輪，進(jìn)而讓蝸桿被帶動，調(diào)節(jié)聯(lián)合調(diào)節(jié)器的彈簧壓縮高度，即改變了聯(lián)合杠桿的穩(wěn)定位置，這樣，就可以改變供油量，通過供油量來進(jìn)一步控制柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過此設(shè)計(jì)可以讓柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速在430~1 000 r/min任意調(diào)節(jié)，進(jìn)而完成調(diào)速的功能。

無級調(diào)速系統(tǒng)的執(zhí)行元件采用六級反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。其工作原理是通過將脈沖的模擬信號轉(zhuǎn)化為角位移的數(shù)字信號進(jìn)行電磁控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為60×工頻/控制繞組數(shù)×齒數(shù)×狀態(tài)系數(shù)。若系統(tǒng)確定下來了，則進(jìn)步機(jī)的轉(zhuǎn)速就確定下來了。無級調(diào)速的電子箱主要是由電源、脈沖發(fā)生器、功率驅(qū)動器等部分組成，可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，正反轉(zhuǎn)的控制是通過三相繞組供給電流的順序來實(shí)現(xiàn)的。

對于不同的生產(chǎn)廠家，東風(fēng)4D機(jī)車上有兩種不同的驅(qū)動器，分別為西安鐵路信號場的驅(qū)動器和永濟(jì)電機(jī)廠的驅(qū)動器，不同驅(qū)動器的控制方式有所不同。西安信號場的驅(qū)動電源對電動機(jī)供電時(shí)，電動機(jī)按照3°/步運(yùn)行，每時(shí)每刻都有兩相通電。通電方式為AB-BC-CA-AB的控制方式進(jìn)行供電。若想讓電動機(jī)反轉(zhuǎn)，則只需要改變電源供電的相位順序?yàn)锳C-CB-BA-AC，與此同時(shí)電動機(jī)的轉(zhuǎn)向還可以進(jìn)一步改變機(jī)車功率調(diào)節(jié)器上彈簧的壓縮高度，進(jìn)而改變了供油量和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。永寧電動機(jī)廠的驅(qū)動電源裝置對電機(jī)供電時(shí)，按照1.5°/步的方式運(yùn)行。其中，正轉(zhuǎn)的供電順序?yàn)锳-AB-B-BC-CCA-A；相對應(yīng)地，反轉(zhuǎn)的供電順序?yàn)锳-AC-C-CBB-BA-A。

3 機(jī)車的恒功率調(diào)節(jié)

在內(nèi)燃機(jī)車上，柴油機(jī)是與牽引發(fā)電機(jī)相連的，二者共同組成柴油-發(fā)電機(jī)組。其中柴油機(jī)的有效功率和發(fā)電機(jī)輸出的電功率之間的關(guān)系可用下式表示：

式中：PF為牽引發(fā)電機(jī)的輸出功率；Nf為設(shè)備損耗功率；Ne為柴油機(jī)有效功率；ηf為發(fā)電機(jī)的效率；ηz為整流柜的效率；UF為發(fā)電機(jī)輸出電壓；IF為發(fā)電機(jī)輸出電流。

其中，Nf與列車的狀態(tài)無關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，輔助功率可認(rèn)為是常數(shù)。ηf與負(fù)載電流相關(guān)，雖然隨著負(fù)載的變化ηf也相應(yīng)有所變化，但是變化比較微小。ηz的數(shù)值變化得極其微小，因此可以將其認(rèn)定為常數(shù)?；谝陨戏治隹梢缘贸鼋Y(jié)論：若要保持額定功率Ne不變，當(dāng)Nf一定時(shí)，發(fā)電機(jī)的電功率應(yīng)該是恒定不變的。從原理進(jìn)行分析可知，若想讓柴油機(jī)在所有情況下均可以輸出恒定功率，則需要滿足發(fā)電機(jī)輸出電壓和電機(jī)輸出電流均達(dá)到很大的值。但是這只具有理論的可行性，在實(shí)際工程中發(fā)電機(jī)輸出電壓和電機(jī)輸出電流的最大值是會受到其額定電壓電流所限，無法持續(xù)增大。因此，發(fā)電機(jī)的外特性曲線不是理想的雙曲線模型。

恒功率調(diào)節(jié)的主要目的是為了確保當(dāng)司機(jī)的手柄不發(fā)生變化時(shí)同步發(fā)電機(jī)輸出的功率一定，當(dāng)司機(jī)手柄不動時(shí)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，但是在列車行進(jìn)過程中，所受到的阻力會不斷發(fā)生變化，在此過程中，恒功率調(diào)節(jié)仍然可以規(guī)避掉阻力變化的因素而持續(xù)輸出恒定的發(fā)電機(jī)功率。本文所設(shè)計(jì)的控制方式為無靜差調(diào)節(jié)控制方式，控制框圖如圖4所示，圖4中，R0為設(shè)定值，C為實(shí)際值，E為偏差，R為控制值，H為控制模塊，M1、M2為分別兩個(gè)被控對象的輸入量。

圖4 無靜差調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制框圖

在此系統(tǒng)中用來測速的發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)將不平衡的功率信號進(jìn)行放大，并將此信號傳遞給發(fā)電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁，調(diào)節(jié)功率的電阻模塊在收到功率不平衡的信號時(shí)會通過歷史參數(shù)調(diào)節(jié)自身參數(shù)，這兩個(gè)過程可以分別等效為信號比例放大器和積分器。兩個(gè)過程相當(dāng)于無靜差調(diào)節(jié)系統(tǒng)，此調(diào)節(jié)系統(tǒng)可消除干擾而產(chǎn)生的誤差。本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)原理簡單，運(yùn)行可靠，電路簡單。

4 結(jié)論

1）本文所設(shè)計(jì)的東風(fēng)4D內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)原理簡單、運(yùn)行可靠、電路簡單。

2）運(yùn)用該控制系統(tǒng)，可使燃油機(jī)啟動時(shí)間大幅縮短，節(jié)約能耗。