內(nèi)燃機(jī)車負(fù)載試驗(yàn)系統(tǒng)硬件電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

何志寧++李德輝

摘 要：內(nèi)燃機(jī)車組裝完成經(jīng)過動(dòng)作耐壓試驗(yàn)之后都必須進(jìn)行負(fù)載模擬實(shí)驗(yàn)也就是俗稱的水阻試驗(yàn)。水阻試驗(yàn)是以水電阻作為負(fù)載，模擬機(jī)車的各種工況，檢查通過組裝后的機(jī)車是否滿足設(shè)計(jì)要求，并通過試驗(yàn)，調(diào)整機(jī)車各項(xiàng)參數(shù)，以確保機(jī)車的組裝正確，動(dòng)作可靠，運(yùn)行安全。由于車間水阻試驗(yàn)完全依靠人工，很難做到全程監(jiān)測，儀表精確度也較差，因此需要進(jìn)行一系列的改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：水阻試驗(yàn) 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速 水阻試驗(yàn)系統(tǒng) 主發(fā)電機(jī)

水阻試驗(yàn)系統(tǒng)在進(jìn)行水阻試驗(yàn)時(shí)需要測量的電量、非電量非常多，其硬件電路所要實(shí)現(xiàn)的功能就是將參數(shù)信號(hào)經(jīng)過采集、檢測后傳輸顯示出來，在硬件電路設(shè)計(jì)中對(duì)于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速電路的設(shè)計(jì)非常重要，直接測量測速發(fā)電機(jī)輸出端和光電編碼法測量在操作上比較繁瑣，誤差大，一般不予采用。下面介紹兩種柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路取其優(yōu)者進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1、脈動(dòng)電壓測量法

在進(jìn)行水阻試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)柴油機(jī)帶動(dòng)主發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)出三相交流電，三相交流電經(jīng)過主整流柜整流后發(fā)出脈動(dòng)直流電壓Uab，因?yàn)槭峭ㄟ^柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)主發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，所以柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速跟主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)保持一致[1]，故而Uab的脈動(dòng)頻率就能夠?qū)⒉裼蜋C(jī)的轉(zhuǎn)速反映出來。根據(jù)公式n=60f/6p可以得知，每當(dāng)主發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周經(jīng)過主整流柜整流后就會(huì)產(chǎn)生6p個(gè)脈動(dòng)電壓波形。

圖1 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路

Figure 1 Speed measurement circuit of diesel engine

根據(jù)圖1可知，該電路整體構(gòu)成簡單，重要組成部分是隔直電容跟耦合變壓器。其中，Uab是從水阻箱的正負(fù)兩端即正負(fù)極板處而來，隔直電容C1的作用就是將Uab中的直流電壓濾除掉，耦合變壓器的作用是降壓和隔離。Udf是變壓器T1的的副邊輸出電壓，也是RM-02型專用數(shù)字轉(zhuǎn)速表的輸入電壓。

2、采用PLC計(jì)數(shù)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測量方法

（1）工作原理

柴油機(jī)帶動(dòng)主發(fā)電機(jī)發(fā)出的都是三相交流電，柴油機(jī)的曲軸通過彈性聯(lián)軸器與同步發(fā)電機(jī)相連[2]。在DF4型內(nèi)燃機(jī)車中所用的主發(fā)電機(jī)型號(hào)是TQFR-3000，有9對(duì)磁極，也就是說當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，主發(fā)電機(jī)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)一圈（同步的），主發(fā)電機(jī)定子繞組中的一相會(huì)產(chǎn)生9個(gè)正弦波，即按正弦規(guī)律變化，根據(jù)主發(fā)電機(jī)的此項(xiàng)固有規(guī)律，我們可以在主發(fā)電機(jī)中任選一相的輸出波形進(jìn)行處理，將波形處理成脈沖信號(hào)，再通過對(duì)脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。測量原理圖如圖2所示：

在此轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)中，首先需要直接將1ZL（主整流柜）通過交流母排的電信號(hào)采集過來，此電信號(hào)就是主發(fā)電機(jī)的電信號(hào)，接著上述電信號(hào)作為輸入信號(hào)進(jìn)入到信號(hào)預(yù)處理模塊中，在此模塊中信號(hào)經(jīng)過限幅、濾波、穩(wěn)壓后，再將信號(hào)輸送到電壓比較器，電壓比較器的輸出信號(hào)是同頻率的方波信號(hào)，該方波信號(hào)經(jīng)過光耦隔離后輸入到史密特觸發(fā)器，史密特觸發(fā)器再將信號(hào)整形后作為輸入信號(hào)輸入到倍頻電路（如圖5所示），輸入到倍頻電路的信號(hào)在信號(hào)后處理電路中需要完成將信號(hào)放大和將驅(qū)動(dòng)提高的任務(wù)，完成全部上述工序后信號(hào)進(jìn)入到PLC由PLC進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后將計(jì)數(shù)量通過RS-232串行通信電路輸送到工控機(jī)。

（2）前端信號(hào)處理電路

內(nèi)燃機(jī)車主發(fā)電機(jī)發(fā)出的是三相交流正弦波信號(hào)，最高電壓可以達(dá)到1000V，前端信號(hào)處理電路的作用就是將主發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流正弦信號(hào)轉(zhuǎn)變成可測量的方波信號(hào)。內(nèi)燃機(jī)車發(fā)出的高電壓中摻雜著高頻干擾，要想得到直接能夠測量的信號(hào)就要進(jìn)行降壓和濾波，主發(fā)電壓發(fā)出的高壓電作為前端信號(hào)處理電路的輸入信號(hào)，經(jīng)過R1、R2分壓，R3、C1高頻濾波后，主發(fā)電壓發(fā)出的高壓電就變成去除高頻信號(hào)的可直接測量的低壓電。在R3、C1分支電路后面再分別并聯(lián)上（正負(fù)顛倒）的兩個(gè)二極管，就可以將主發(fā)電機(jī)電壓信號(hào)濾波后的幅值鉗制在0.7V左右，為了確保濾波的質(zhì)量在二級(jí)管電路之后再并聯(lián)上R4、C2作為第二層高頻率波電路進(jìn)行濾波，使最終得到的信號(hào)能夠滿足電壓比較器的要求。該信號(hào)通過電壓比較器之后輸出的就是想要得到的方波信號(hào)，但為了防止干擾信號(hào)對(duì)電路的影響，在前后電路之間設(shè)計(jì)一光耦隔離電路，最后通過施密特觸發(fā)器輸出質(zhì)量更好的標(biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)。該電路中的信號(hào)轉(zhuǎn)換如圖4所示：

（3）倍頻電路

根據(jù)公式f=p×n/60，柴油機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為400-1000r/min之間（對(duì)應(yīng)頻率只有6.67-16.67HZ），當(dāng)柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)主發(fā)電機(jī)定子繞組中的一相會(huì)產(chǎn)生9個(gè)正弦波，由公式可以得出前端處理電路輸出信號(hào)的頻率為60-150HZ。內(nèi)燃機(jī)車水阻試驗(yàn)大綱中規(guī)定對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測量的測量誤差加減不能超過10r/min，而在此電路設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)每一秒對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測量一次，假如一秒中能夠檢測到2個(gè)方波信號(hào)的誤差，那么換算成轉(zhuǎn)速就達(dá)到（2/150）*1000=13.3r/min，這樣的誤差率就超出了允許范圍，所以一定要將頻率進(jìn)行倍增，故此必須設(shè)計(jì)倍頻電路。如圖5所示。

（4）信號(hào)后處理電路設(shè)計(jì)誤差分析

主發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相正弦信號(hào)經(jīng)過前端處理電路和倍頻電路后進(jìn)入到信號(hào)后端處理電路，信號(hào)后端處理電路就是將前述電路輸出的方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成同頻率的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)再作為輸入信號(hào)進(jìn)入PLC，由PLC來完成對(duì)脈沖個(gè)數(shù)的測量，測量完成后再輸送給工控機(jī)。

在測量過程中不可避免的要出現(xiàn)測量誤差，若在測量時(shí)有加減兩個(gè)脈沖信號(hào)的誤差，那么當(dāng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，測量誤差將達(dá)到（2*60）/（1000*9*50）≈0.027%；當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為400r/min時(shí)，測量誤差將達(dá)到（2*60）/（400*9*50）≈0.067%，換算成轉(zhuǎn)速相當(dāng)于±0.27r/min的誤差；如果沒有進(jìn)行倍頻處理，相對(duì)誤差更大，在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，測量誤差將達(dá)到（2*60）/（1000*9）≈1.33%；在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為400r/min時(shí)，測量誤差將達(dá)到（2*60）/（400*9）≈3.33%，這換算成轉(zhuǎn)速相當(dāng)于±13.3r/min的誤差，超出大綱要求，所以，倍頻電路的引入大大提高了測量柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的精度，在低速400r/min時(shí)的優(yōu)勢更加大，這樣設(shè)計(jì)之后的電路就使測量結(jié)果完全符合大綱的要求。

在設(shè)計(jì)當(dāng)中，考慮到信號(hào)數(shù)據(jù)的精度，采用了分壓電阻對(duì)電壓進(jìn)行采樣，采用分壓電阻方法使信號(hào)的線性度即精度大大增加，由于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在水阻試驗(yàn)中起著舉足輕重的作用，所以這種試驗(yàn)方法非常適用，此外還需要考慮電路的抗干擾性，因?yàn)榭垢蓴_性能差也大大影響數(shù)據(jù)的正確輸出，經(jīng)過如上所述，這樣的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)電路中，PLC對(duì)脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)的計(jì)算只跟柴油機(jī)本身的轉(zhuǎn)速有關(guān)系，不受其他因素的干擾，所以電路的抗干擾能力大大提高，測量精度也非常符合水阻試驗(yàn)系統(tǒng)的要求。

綜上所述，脈沖電壓測量法使用了電壓互感器，它的優(yōu)點(diǎn)是自身帶隔離作用，缺點(diǎn)就是由于磁化曲線等導(dǎo)致它的線性度較差，誤差較大，影響對(duì)轉(zhuǎn)速的判定。第二種測量方法受環(huán)境影響小，具有一定的機(jī)械可靠性，精度高，操作方便，抗干擾性強(qiáng)，適用性好，故在設(shè)計(jì)中采用第二種方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]木京京. 機(jī)車水阻試驗(yàn)中柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的提取[J]. 內(nèi)燃機(jī)車 .2009（11）46-47.

[2]仲躋升. 東風(fēng)4D系列內(nèi)燃機(jī)車[J]. 中國鐵道科學(xué). 2004（3）141-143.