李海明

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

圖1 AC-DC電傳動內(nèi)燃機車原理圖

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

1 機車柴油機的啟動控制

機車在啟動之前應(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 機車柴油機啟動要求

本文所述的燃油機車的啟動方式為由蓄電池持續(xù)供電的串勵電動機方式進行啟動。每次燃油車的啟動都耗費蓄電池的大量電能，再加上柴油機燃燒不夠充分，會造成嚴重的排放污染，在我國北方，冬季時節(jié)會出現(xiàn)電動機的啟動困難，嚴重時會導(dǎo)致機車爆燃現(xiàn)象。機車的啟動裝置在每次啟動之前延時一分鐘左右供給滑油和燃油，機油壓力建立前，起動電機不能停止工作，這個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，出錯率高。

啟動過程中若將油過早注入氣缸中，那么此時的柴油機仍然處于低速運轉(zhuǎn)，此時噴出的油的質(zhì)量較差，溫度低的油還會降低機車氣缸內(nèi)的溫度，使得點火時間延遲，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)柴油機點火成功后蓄電池不會主動停止工作，而是會繼續(xù)持續(xù)地向電機進行供電。而且每次打火失敗后需要將所有操作重新開始做，因此可能會造成時間和能量上的浪費[1]，基本電路如圖2所示。

圖2 柴油機啟動電路原理圖

由圖2可以看出，啟動接觸器QC在整個啟動過程中持續(xù)對電機和油泵進行控制。柴油機的啟動可以分為四個階段，分別為準備、柴油機驅(qū)動轉(zhuǎn)動、點火、穩(wěn)定運轉(zhuǎn)四大部分，其中穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的前提是要建立油壓。柴油機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啟動，進而可以縮短啟動時間，同時也可以節(jié)約大量的能量。

一般情況下，柴油機車啟動時的點火轉(zhuǎn)速應(yīng)該低于150 r/min，若點火后立即切除蓄電池的供電，既可以節(jié)省蓄電池的電能，還可以降低柴油機啟動中的轉(zhuǎn)速沖擊[2]。基于以上分析，采用通過設(shè)計PLC程序的方式可以針對柴油機啟動過程中的四個階段進行精確控制。

2 機車的無級調(diào)速控制

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

圖3 機車無極調(diào)速系統(tǒng)

內(nèi)燃機車上采用的無極調(diào)速是通過調(diào)速器中的電機驅(qū)動傘齒輪，進而讓蝸桿被帶動，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，通過供油量來進一步控制柴油機的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過此設(shè)計可以讓柴油機的轉(zhuǎn)速在430~1 000 r/min任意調(diào)節(jié)，進而完成調(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)式步進電機。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)字信號進行電磁控制。步進電機的轉(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，則進步機的轉(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現(xiàn)的。

對于不同的生產(chǎn)廠家，東風(fēng)4D機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)動器和永濟電機廠的驅(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)動電源對電動機供電時，電動機按照3°/步運行，每時每刻都有兩相通電。通電方式為AB-BC-CA-AB的控制方式進行供電。若想讓電動機反轉(zhuǎn)，則只需要改變電源供電的相位順序為AC-CB-BA-AC，與此同時電動機的轉(zhuǎn)向還可以進一步改變機車功率調(diào)節(jié)器上彈簧的壓縮高度，進而改變了供油量和柴油機的轉(zhuǎn)速。永寧電動機廠的驅(qū)動電源裝置對電機供電時，按照1.5°/步的方式運行。其中，正轉(zhuǎn)的供電順序為A-AB-B-BC-CCA-A；相對應(yīng)地，反轉(zhuǎn)的供電順序為A-AC-C-CBB-BA-A。

3 機車的恒功率調(diào)節(jié)

在內(nèi)燃機車上，柴油機是與牽引發(fā)電機相連的，二者共同組成柴油-發(fā)電機組。其中柴油機的有效功率和發(fā)電機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)電機的輸出功率；Nf為設(shè)備損耗功率；Ne為柴油機有效功率；ηf為發(fā)電機的效率；ηz為整流柜的效率；UF為發(fā)電機輸出電壓；IF為發(fā)電機輸出電流。

其中，Nf與列車的狀態(tài)無關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，輔助功率可認為是常數(shù)。ηf與負載電流相關(guān)，雖然隨著負載的變化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，發(fā)電機的電功率應(yīng)該是恒定不變的。從原理進行分析可知，若想讓柴油機在所有情況下均可以輸出恒定功率，則需要滿足發(fā)電機輸出電壓和電機輸出電流均達到很大的值。但是這只具有理論的可行性，在實際工程中發(fā)電機輸出電壓和電機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)司機的手柄不發(fā)生變化時同步發(fā)電機輸出的功率一定，當(dāng)司機手柄不動時柴油機的轉(zhuǎn)速不變，但是在列車行進過程中，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)電機功率。本文所設(shè)計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為實際值，E為偏差，R為控制值，H為控制模塊，M1、M2為分別兩個被控對象的輸入量。

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)電機和勵磁機將不平衡的功率信號進行放大，并將此信號傳遞給發(fā)電機進行勵磁，調(diào)節(jié)功率的電阻模塊在收到功率不平衡的信號時會通過歷史參數(shù)調(diào)節(jié)自身參數(shù)，這兩個過程可以分別等效為信號比例放大器和積分器。兩個過程相當(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)計的控制系統(tǒng)原理簡單，運行可靠，電路簡單。

4 結(jié)論

1）本文所設(shè)計的東風(fēng)4D內(nèi)燃機車電氣控制系統(tǒng)原理簡單、運行可靠、電路簡單。

2）運用該控制系統(tǒng)，可使燃油機啟動時間大幅縮短，節(jié)約能耗。