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LTQ-Ⅱ型励磁调节器励磁系统的研究(论文下载)

LTQ-I、Ⅱ型励磁器是采用单片微(8031八位)控制的微机恒功励磁控制系统,实现电传动内燃机车牵引工况时恒功率控制及电阻制动工况恒流控制。最近几年生产的东风4C、东风4D客运、东风5B、GKD1、部分东风4B以及出口伊朗、坦桑尼亚等型电传动内燃机车上都采用了装有LTQ-Ⅱ型励磁调节器的励磁系统。与以往机车相比,这些机车在牵引时对列车的起动加速性能有着特别明显的提高,受到用户的欢迎和称赞。现就这一励磁系统的设计特点、硬软件技术、使用调整等进行分析介绍。

一、油马达电阻Rgt励磁的优缺点与LTQ励磁系统的产生

众所周知,历年来生产的东风4B型内燃机车励磁系统(如图)一直都是将Rlcf1、Rlcf2、Rgt3个电阻串接在测速发电机CF的励磁绕组中,作为机车励磁系统起始调控环节,经CF、励磁机L进行功率放大,最后去控制主发电机F的励磁,从而达到控制主发电机F所发出的电功率,满足机车牵引要求。其中,Rlcf1用于限制主发电压的调整,Rlcf2用于调整柴油机700r/min时主发电机功率。这两个电阻都容易整定好。唯有联合调节器中的Rgt需要在水阻试验时,精心调整功率滑阀悬挂点位置,才能使它转动灵活,并且能在柴油机运行范围通过自动调整Rgt电阻值来改变系统的励磁电流,进而保证主发电机输出功率符合技术规定。

事实证明,这个以Rgt为核心调控的励磁系统具有3大优点:一是简单,二是可靠。Rgt是一个由多个电阻组成、结实而耐磨的整流子式电阻,驱动它的也是可靠的液压马达,系统没有任何有源电子元件,工作好坏看得见。这样使得用户易于掌握和维护。Rgt的第三大优点最为宝贵,那就是它能使柴油机恒功率运行(实质上这种恒功率也就是恒供油刻线)。柴油机每一种转速下通过Rgt的调整,控制主发电机发出一个大小适当的功率,使得柴油机总是工作在一种恒定的供油刻线上。此时,效率高、经济性能好。

内燃机车上柴油机输出功率与其负载关系可简化成下式:柴油机输出功率P柴=P电(主发电机功率)+P辅(辅助装置消耗功率)。

每一种柴油机在工作时都有一条最佳输出特性曲线(如图)。即每一个转速下对应一个最佳输出功率值,这时油耗低、效率高、经济性能最好。

因此总希望柴油机在实际运行中都能按此曲线工作。但是,由于机车行驶时速度、道路弯曲程度、坡度等都是不断变化的,也就是说阻力总在变,当然提供牵引力的主发电机功率亦会改变。另外,机车辅助功率的消耗也是变化的,如风泵打风时打时停,冷却风扇转速时高时低。对这些变化,通过调速器的调节,都会直接反映在供油刻线上。当P电或P辅减小时,为了恒定转速,调速器中的动力活塞会自动将供油刻线减小。

问题是调速器上受转速和动力活塞牵连的功率滑阀也会随之改变,使得油马达拖动Rgt朝小电阻值方向转。增加励磁及主发电机功率,这一反馈调整过程一直要到供油刻线恢复到原来的规定值,过程才会终止,反之亦然。这就是说,归根结底,不管外界牵引条件变化还是P辅变化,Rgt总能通过自身调节励磁,改变P电,使得柴油机一个转速对应一个供油刻线值。用图可表示Rgt改变主发电机输出调整趋势。当P辅不变时,不管牵引条件如何变化,Rgt会使主发电机电流电压成双曲线1,P电恒值。若假定CF、L功率放大是线性的,那么,对应于双曲线1的Icf应为马鞍形。Rgt阻值为凸形。如图实线所示,曲线1-P辅增大;曲线2-当P辅减小时;曲线3-当P辅增大时。

当辅助功率P辅减小时,Rgt会减小阻值使Icf增大,经放大会使双曲线1上移,如图虚线2。反之P辅增大,Rgt也增大,Icf减小,双曲线1下移如虚线3。这也就是所谓Rgt能使P电与P辅相互转移,维持柴油机在恒定供油线上经济运行。

应特别指出的是,Rgt还具有保护柴油机避免过负载运行的功能。其道理也出自Rgt能够恒供油刻线控制。作为原动力的柴油机总有出现故障的可能性。例如久经工作后喷油器雾化不良或某一气缸损坏须中断供油停止工作等。这时柴油机虽供油刻线恒定,但发出的功率将达不到规定值,如果P电仍按柴油机正常时的数值,势必柴油机会负担不了,拖不动,引起转速下降,这时,受转速与动力活塞双重支配的功率滑阀会使油马达拖动Rgt向增大阻值方向转–减小励磁及电功率P电,一直到转速及供油刻线都恢复正常状态Rgt才会停止调整,这样就减轻了发生故障的柴油机的负担,从而得到保护。由于这些优点,几十年来,国产电传动机车一直都是采用Rgt作为最主要也是最基本的励磁调控环节。但是该系统存在一个大的缺点,那就是由于机械原因,当运行在低速阶段时,Rgt总是停。

根据系统的实际运用情况,针对该系统的缺点,经过精心分析研究,设计出了装有LTQ-Ⅱ型励磁调节器的励磁系统(以下简称LTQ励磁系统),它具有保留Rgt简单、可靠、恒柴油机功率的优点,而又能完全克服它的缺点,做到Rgt与电子恒功互不牵扯,两者既独立又能联合地工作,使机车牵引起动、加速性能大为提高。

由于这一励磁系统有所创新,有两项成为国家专利(专利号92205453.3和92216398.7)并在东风4C、东风4D客运、东风5B、GKDl和出口伊朗、坦桑尼亚等多种机车上采用。

二、LTQ-Ⅱ型励磁调节器励磁系统设计特点

1、LTQ励磁系统既保留了Rgt励磁电路,又具有3种工作方式,提高牵引性能及可靠性
下图是装有LTQ-Ⅱ励磁调节器励磁系统的主电路(即执行电路)简图,与上图比较,设计上有3个改变。
①将上图中的Rlcf1电阻分开成本图中的Rlcf1及Rlcf3。即上图中的Rlcf1=本图中的Rlcf1+Rlcf3。Rlcf3固定成100Ω。这种安排目的是减小测速发电机励磁绕组上方Rlcf1的电阻,使受LTQ控制的Icf2电流变化范围增大,加强LTQ控制能力。本图中的Rlcfl仍是用于对主发电压的限制调整。
②将上图中的Rlcf2、Rgt移到CF励磁绕组的下方,并与Rlcf3、开关K1相串联。显而易见这种布局上的改变是为了本图中LTQ执行部分的三极管T电路连接合理和方便。
③在K1、Rlcf3、Rlcf2、Rgt所组成的支路旁,并联了由开关K2及LTQ控制的执行环节T。
从本图可以看出,CF的励磁电流Icf既能由Rgt调节,又可由LTQ进行控制,通过K1、K2不同组合可实。

3种工作方式:

方式1 K1闭合,K2断开,系统与原东风4B励磁完全一样,Rlcf1、Rlcf2、Rgt的调整亦与多年来东风4B机车上相应电阻调整相同,Rgt优点原封不动得到保留。

方式2 K1断开,K2闭合(相当于Rgt发生故障被切除),系统由LTQ单独控制,根据柴油机转速n,主发电压Vf,主发电流If,算出电功率Pf,与功率基准PF比较后,调节三极管T的基极电流,从而控制Icf,经CF、L放大,最后使主发电机F恒电功率运行,机车具有良好的起动、加速性能。

方式3 K1,K2都闭合,这是正常使用方式,Rgt与LTQ并联工作。当柴油机处于低转速阶段时,Rgt在最大电阻位,不参与调整。这时系统由LTQ

进行控制,象方式2主发电机按电恒功率工作,主发电流由计算机通过控制Icf使之具有最佳增长率,机车获得良好的起动加速性能。如图表示了这种方式下、430r/min时主发电机输出情况:无LTQ,IF只能在1800A;有LTQ后,可增到3200A左右。当柴油机在700r/min以上时,Rgt自动投入工作,系统转为恒柴油机功率控制(方式1)。这样既保留了Rgt的优点,又克服了它的缺点。

Rgt或LTQ中某一个发生故障,可通过开关切除,正常者仍可独立工作,使机车不致发生机破事故,提高了机车安全冗余度。

2、LTQ功率基准有独特安排
为了保证在700r/min以上,系统完全交由Rgt控制,特意将LTQ软件中的功率基准值比Rgt单独工作时(也是水阻技术条件规定的功率)低,它们之间的关系如图所示。当在700r/min以上实际运行时,LTQ中CPU检测到主发电机电功率由于Rgt的调节必然会比软件中规定的基准值高,根据调节原理,CPU将自动使执行三极管T截止,此时系统象“方式1”一样全由Rgt控制,Rgt的优点得到充分发挥。Rgt与LTQ并联工作是互不牵扯的。在水阻调试时具体整定步骤是:①断开K2,闭合K1,按常规办法调RLCFl、RLCF2、Rgt,使系统符合水阻技术条件规定。②按LTQ规定比例,整定n、Vf、If信号值。③断开K1,闭合K2,在1000r/min,检查Vf譏f=Pf,看Pf值符合不符合LTQ规定,就此调整完毕。需要指出的是,设计的宗旨是:尽管配有LTQ,但机车励磁系统在牵引工况仍然以简单可靠的Rgt为主,而让LTQ为辅。LTQ主要是用来克服Rgt的缺点。

由于700r/min以上,LTQ实际上已退出调节,所以在检查LTQ单独工作中,对于1000r/min时电功率值之精确程度并不十分重要,严格要求这个值无实际意义。这个值只要比Rgt单独励磁时水阻技术条件规定值小200~300kW就可以,象东风4C及东风4D型客运机车,这个值还可大些。显而易见,这个差值主要是为了当柴油机出现某些故障发不出额定功率时考虑的。

LTQ单独工作时,虽然1000r/min时发出的功率比Rgt调整时水阻技术条件规定值要小一点,但由于LTQ具有恒功率控制功能,因此这时的机车牵引性能仍要比使用机车故障励磁好得多。

3、具有统一的对外配线
如图,LTQ励磁系统对外配线图,东风4C、东风4D客运、东风5B等型机车全部以此图作为统一电路配线,对外连线插头设计成两个:一个20芯的航空插头,配线完全是用于牵引工况励磁及磁场削弱控制;另一个14芯的插头专门为电阻制动工况设置。用于该工况的有关控制。如只要牵引及过渡的机车,只用对20芯插头配线。有些机车用不上电阻制动,为避免车上个别电流传感器损坏影响LTQ中?5V电源,这时可将14芯插头拔下。两个插头规格大小不同可避免相互插错。

4、LTQ适应各种电传动内燃机车
LTQ-Ⅱ励磁调节器硬件设计成尽量能满足各种电传动内燃机车励磁及过渡控制,同种机箱及同种插件均具有可互换性。

机车上主发电压、电流、电功率、过渡等参数,电阻制动时的制动励磁电流、制动电流、扩展值,都储存在软件中。

对于同一LTQ硬件,只要采用不同的软件就可满足各型机车的性能要求。下表列出近年来大连机车车辆厂各型机车主要软件及功能。

大连机车车辆厂各型机车LTQ主要软件及功能

大连机车车辆厂各型机车LTQ主要软件及功能

5、尽量利用机车上已有设备,简化系统配置

这一点不但表现在1所述的励磁执行电路上,对于LTQ必要的各种传感器也是尽量利用机车上已有设备。

柴油机转速信号n取自最为可靠的感应子励磁机三相中的任一相。因为励磁机与柴油机是通过具有固定齿轮传动比的齿轮箱相连的,因此它的频率也就严格反应了转速,这一交流信号还兼作系统稳定的反馈信号。

制动电流信号仍然采用车上常用的直流电流传感器及配线。

主发电流IF制动励磁电流,IZL是利用车上1LH、2LH交流传感器,在信号整流装置3ZL电路中串一个电阻,该电阻上的电压正比于主发电流值,以此作为主发电流信号是准确的。

唯有主发电压VF信号是新设置两个变压器将主发电压交流高压进行降压及隔离,再经整流滤波后,以一个低的直流电压送入LTQ中的计算机。

参考:《内燃机车》总301期1999年及大车天空网站
作者:李德俊

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该日志于2010-05-11 17:24由 Zac 发表在机车技术分类下, 留言已关闭,但你可以将这个日志引用到你的网站或博客。

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