內燃機車電壓調整器功能的優化研究

蔣斌鵬

(廣深鐵路股份有限公司 廣州機務段， 廣州 510010)

內燃機車在未來相當長時間內有必要對機車相關電氣技術進行優化、改進來適應當今對牽引動力設備高可靠性的要求。在內燃機車110 V電壓調整器功能的控制方面，進行優化研究，以提升機車質量可靠性。

內燃機車采用的啟動發電機為直流電機，當柴油機啟動時，它作為串勵電動機，由蓄電池供電來起動柴油機；當柴油機啟動完畢運轉后，作為他勵發電機(由柴油機的聯軸節帶動運轉)，通過電壓調整器控制勵磁，發出110 V的直流電。電壓調整器為A、B組雙套裝置，其作用是通過自動調節啟動發電機的勵磁電流，使啟動發電機在1 160～2 700 r/min(相當于柴油機430～1 000 r/min)轉速變化范圍內，無論啟動發電機是空載還是滿載，其輸出電壓均保持DC 110 V。此時110 V輸出電壓分別給蓄電池進行補充電以及提供機車控制、輔助系統工作所需的電源。目前，現行的電壓調整器控制輸出為110 V恒壓制，在實際運行中主要存在以下不足：

一是無法對機車蓄電池狀態進行判斷并采取合理的充電模式。充電分為限流充電、快速充電和浮充電3種模式，現僅庫內充電機可實現不同模式的切換，而機車上的電壓調整器無法自動調整適宜的充電模式，降低了蓄電池的使用壽命和質量可靠性。

二是無機車蓄電池工作溫度自動補償功能。無論是采用浮充電方式還是采用均衡充電方式，充電電壓都要進行溫度補償。如：某蓄電池單節的溫度補償系數為-3.5 mV/℃(不同產品單節補償系數不同，有的為-4.0 mV/℃，內燃機車一般有48個單節), 即溫度每升高1 ℃，蓄電池單節的浮充或均充電壓應降低3.5 mV，而溫度每降低1 ℃，蓄電池單節的浮充或均充電壓應升高3.5 mV。如果在長期使用過程中，蓄電池的充電設備沒有溫度補償功能，浮充或均充電壓值不變，那么在溫度較低時會造成蓄電池充電不足，而在溫度較高時又會造成蓄電池過充。蓄電池長期充電不足，會引起蓄電池的容量非正常衰減。而蓄電池長期過充電，會引起蓄電池內的電解液干涸、蓄電池內阻增加、蓄電池單節溫度異常升高鼓脹，最終導致蓄電池壽命提前終止。尤其在我們華南地區，從5月1日～11月1日均為長時間的高溫天氣，蓄電池組經常發生單節鼓脹、開路及電解液損耗大等慣性問題。其原因為：蓄電池箱內溫度過高(尤其是調車機最為嚴重，其運行速度較低，電池箱內部氣流不強致蓄電池組溫度達60 ℃～70 ℃)，一般蓄電池的工作環境溫度為：-40～50 ℃或-40～40 ℃，而此時在110 V的恒壓、高溫下補充電會導致蓄電池長時間嚴重過充，其電解水的副反應速率大增，電解水的產物是生成氧氣和氫氣。氫氣在蓄電池內部不能復合，氫氣會在蓄電池氣室內不斷累積，同時如果氧氣產生的速率大于氧氣在負極的復合速率，氧氣也會在氣室內累積，最后蓄電池單節內的壓力不斷增大，致使蓄電池單節鼓脹或爆裂。每年夏季廣州機務段因高溫天氣導致機車蓄電池組爆裂、鼓脹的有20多臺份。因電池單節為物理損壞，大部分電池均無法恢復，只能作報廢處理，嚴重影響了機車質量安全，增加了機車檢修成本。

三是現在的電壓調整器A、B組獨立的雙套裝置(兩組調整器無任何電氣關聯)，當一組故障需轉換到另一組時須人工調換扁插，故障應急處置不便，且扁插連接可靠性差，極易出現電氣接觸不良故障。

1 設計方案確立

為解決舊設備實際運行中多方面的不足，研發新的電壓調整器來提升機車質量可靠性，新產品具備以下功能和指標：

(1) 對蓄電池進行充電管理。充電方式分為限流充電，快速充電和浮充電3種模式，其中限流充電和快速充電屬于均充模式。均充充電壓設定為112 V，浮充電壓設定為108 V。當監控模塊檢測到蓄電池電壓放電低于96 V時，電壓調整器將工作在均充快速充電狀態，輸出電壓為112 V，充電電流最大為45 A；隨著充電過程的持續，當充電電流小于25 A時，轉為浮充電狀態，輸出電壓為108 V。

(2) 對充電器的各種工作狀態、參數和故障進行滾動顯示。

(3) 根據蓄電池實際工作溫度，按照不同廠家的蓄電池進行溫度補償(因不同廠家、型號的電池溫度補償系數各異，可利用主機的功能按鍵進行大小設置)，防止蓄電池單節過充或欠充問題的發生。

(4) 系統工作電壓為DC 70～130 V，輸出電壓值為106～112 V。

(5) 新型電壓調整器輸出電壓分析。內燃機車輸出端電壓要求為(110±2) V(即：最高電壓為112 V)，新型電壓調整器的最高輸出電壓也為112 V，符合原車技術要求；內燃機車固定發電端電壓要求為105～108 V (即：最低電壓為105 V)，新型電壓調整器最低輸出電壓為106 V，符合原車技術要求。

綜上述，機車新型電壓調整器的輸出電壓為106～112 V，在內燃機車供電電壓105～112 V的區間范圍內，因此內部軟件設計合理。

2 設計方案實施

2.1 裝置硬件構成

新型電壓調整器由系統主機、蓄電池溫度檢測電路、蓄電池電流檢測電路、蓄電池電壓檢測電路等組成。

其中，系統主機由以下幾個功能模塊組成：主控芯片模塊，ADC采樣模塊，PWM控制模塊，顯示與人機互動模塊以及通訊接口模塊。

2.2 裝置工作原理

2.2.1系統總體架構框圖如圖1所示。

2.2.2系統工作過程

在機車正常運行過程中，發電機兩端并聯的電壓傳感器實時檢測蓄電池的電壓，系統主機通過采取傳感器電壓信號經過ADC采樣模塊轉化獲取蓄電池的實時電壓值，同時，安裝在蓄電池正極的電流傳感器實時檢測蓄電池的電流，系統主機同樣通過采集傳感器的電流信號經過ADC采樣模塊轉化獲取蓄電池的實時電流值，最后，安裝在蓄電池箱內部的溫度傳感器實時采集的蓄電池溫度值也通過ADC采樣模塊轉化被系統主機獲取。系統主機通過這3個傳感器獲取到的蓄電池即時電壓，電流和溫度值，結合用戶蓄電池充放電需求，先對蓄電池溫度補償表對電壓進行補償，然后通過軟件內部PI調節器調整，確定充放電的電流、電壓以及充放電模式，然后，通過調節主機的PWM模塊的PWM波占空比來控制一個大功率開關管，間接控制勵磁繞組的電流大小，從而控制發電機的輸出電壓大小。最后檢測的實時數據和蓄電池充放電狀態等信息將在主機顯示屏上實時滾動顯示，供維護人員監控。

圖1 系統總體架構圖

2.3 系統主機設計

2.3.1主控芯片模塊

系統主機的主控芯片采用TI的PICCOLO系列的32位DSP，運行頻率為60 MHz具有12路PWM，16路12 bit的AD。被廣泛用做環境復雜的DC/DC電源和逆變器等。使用MCU自帶的AD轉換系統，結合傳感器采集發電電壓、充電電流和蓄電池箱溫度3個模擬物理量。系統軟件采用Bootloader+Application的方式，方便后期維護與升級。軟件架構圖如圖2所示。

2.3.2ADC采樣模塊

系統需要同時采集機車蓄電池的電壓、電流和溫度3個模擬物理量，因此，系統設計有三路模擬-數字轉換電路，通過系統主機外部的傳感器采集到對應的模擬信號，通過ADC模數轉換，主控芯片對采集到的電壓，電流和溫度值進行綜合判斷計算。

2.3.3PWM控制模塊

系統設計有PWM(脈沖寬度調制)模塊，主要用于調節和控制機車蓄電池電壓大小。通過系統主控芯片輸出實時變化的占空比的脈沖方波電壓，脈沖電壓控制系統主機上的功率開關管，開關管再通過打開和關斷的頻率控制機車上勵磁繞組的電流大小，從而控制輔助發電機的輸出電壓大小。驅動采用隔離型專用芯片FOD3084，配套電源為BCP011515,功率管為高壓MOS管FOD50N50。DS間耐電壓最高500 V，最大電流50 A,設計有RC和二極管吸收回路，對過電壓進一步吸收。

圖2 軟件架構圖

2.3.4顯示與人機互動模塊

系統采用一塊6位的LED數碼顯示屏及4個按鍵，數碼顯示屏直接集成到電壓調節器的主機上，循環顯示系統采集的數據和蓄電池狀態，包括電壓、電流值和溫度值等參數。同時，維護人員可通過主機面板上的功能按鍵對系統進行設置，包括電壓、電流門限值修改等。

2.3.5通訊接口模塊

通訊接口設計為一個RS232的DB9(母端口)串行接口。系統通訊接口模塊主要是用于專業人員的調試和產品維護人員的軟件程序升級使用，平時采用防塵帽遮蓋。

2.4 系統主機外圍電路設計

系統主機外圍電路主要由3個傳感器電路組成，包括蓄電池溫度檢測電路、蓄電池電流檢測電路、蓄電池電壓檢測電路。

蓄電池溫度檢測電路由一個溫度傳感器及其傳感器線路組成，溫度傳感器置于機車蓄電池箱內，傳感器須貼近蓄電池表面以獲得蓄電池最真實的實時溫度。選型采用PT100溫度變送器對應0 ℃～100 ℃輸出4～20 mA。

蓄電池電流檢測電路由一個電流傳感器及其傳感器線路組成，電流傳感器采用霍爾電流傳感器，環套于機車蓄電池正極線路上。選型采用TBC300TBH型電流傳感器采集蓄電池充放電電流，比例為300 A∶3 V。

蓄電池電壓檢測電路由一個電壓傳感器及其傳感器線路組成，采用霍爾電壓傳感器，電壓傳感器并聯在機車輔助發電機的正負兩極上，以獲取蓄電池的實時電壓。選型采用LV25型電壓傳感器，比例為188.40 V∶3 V。

2.5 系統雙套冗余設計

新型電壓調整器采用雙套冗余設計，采用冷備份的方式運行。雙套系統分為A、B兩套，B套為備份系統，機車檢修、司乘人員可通過系統切換開關迅速切換到備份系統，且對外插頭采用一個高可靠的航空插頭連接，解決原扁插頭易接觸不良及應急處置不人性化等缺點。

3 新型電壓調整器的應用

經對現場需求及反復論證，新型電壓調整器樣品已研發成型，新設備在地面及試驗臺上進行了多次試驗，相關功能均正常。考慮到廣州機務段內燃調車機運行速度低，其蓄電池箱內溫度更高，環境更惡劣情況，決定首先以DF5調車機為考核運用機型。DF5機車新型電壓調整器對外接口圖如圖3所示。

圖3 對外接口圖

具體的安裝方案為：在機車蓄電池箱外壁開一φ10孔，將PT100溫度變送器感溫桿穿入孔后用螺母緊固好，此時感溫元件可貼近蓄電池單節表面獲得最準確的實時溫度；TBC300TBH型電流傳感器環套于機車蓄電池正極線路上，實時采集電池的電流大小；LV25型電壓傳感器并聯在機車輔助發電機的正負兩極上，實時采集電池的電壓大小；新型電壓調整器的安裝尺寸按原車設計，可直接替換舊設備。

特別提醒：當柴油機起動運轉后，新型電壓調整器A、B組需轉換運行時，必須斷開輔發扳鍵開關(5K)后方可轉換操作，防止帶電轉換損壞系統硬件。

目前，新型電壓調整器在廣州機務段DF5機車上運行了一年多，其性能完全滿足設計要求，有效提升了機車蓄電池的質量可靠性。新型電壓調整器在所有內燃機車上的電氣控制線路、控制原理，安裝方案、尺寸均一致，下一步將逐步推廣應用于廣州機務段DF4B、DF4C、DF11和DF12等內燃機型上，確保機車蓄電池質量穩定。

4 結束語

通過對電壓調整器相關功能進行了深入研究，分析梳理了三項關鍵優化項點。根據機車運用特性，研制了新的電壓調整器，并在DF5機車上運用考核良好，其軟、硬件均達到了設計指標和要求，使蓄電池質量得到了大的提升。目前，內燃機車均用電壓調整器來控制110 V輸出，因此其他路局機務段存在同樣的問題困擾。新設計的電壓調整器具有通用性，在內燃機車上均可適用，可有效解決現行設備運行的諸多弊端,提升了機車質量安全,降低了機車檢修成本。