東風4D內燃機車電氣控制系統的設計與實現

李海明

（西山煤電（集團）有限責任公司鐵路公司，山西 太原 030027）

引言

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

圖1 AC-DC電傳動內燃機車原理圖

其中GS為東風4D型內燃機車的主發電機，發電機的轉子通過聯軸器和柴油機聯系，電力傳動裝置包括主電路接地、發電機過流、電阻制動過流等保護環節，來保證內燃機車的正常運行。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

機車在啟動之前應對燃油、滑油以及水管路以及閥門的位置做相應的檢查，相應的要求如表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，冬季時節會出現電動機的啟動困難，嚴重時會導致機車爆燃現象。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該啟動，依據較為主觀，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，此時噴出的油的質量較差，溫度低的油還會降低機車氣缸內的溫度，使得點火時間延遲，尤其在冬季，經常打火失敗。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。當柴油機點火成功后蓄電池不會主動停止工作，而是會繼續持續地向電機進行供電。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、柴油機驅動轉動、點火、穩定運轉四大部分，其中穩定運轉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，同時也可以節約大量的能量。

一般情況下，柴油機車啟動時的點火轉速應該低于150 r/min，若點火后立即切除蓄電池的供電，既可以節省蓄電池的電能，還可以降低柴油機啟動中的轉速沖擊[2]。基于以上分析，采用通過設計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 機車的無級調速控制

現如今的柴油機調速控制方式大多都采用PID控制[3]。本文所設計的內燃機車上的調速系統如圖3所示。

圖3 機車無極調速系統

內燃機車上采用的無極調速是通過調速器中的電機驅動傘齒輪，進而讓蝸桿被帶動，調節聯合調節器的彈簧壓縮高度，即改變了聯合杠桿的穩定位置，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速。經過此設計可以讓柴油機的轉速在430~1 000 r/min任意調節，進而完成調速的功能。

無級調速系統的執行元件采用六級反應式步進電機。其工作原理是通過將脈沖的模擬信號轉化為角位移的數字信號進行電磁控制。步進電機的轉速為60×工頻/控制繞組數×齒數×狀態系數。若系統確定下來了，則進步機的轉速就確定下來了。無級調速的電子箱主要是由電源、脈沖發生器、功率驅動器等部分組成，可以控制電機的正反轉，正反轉的控制是通過三相繞組供給電流的順序來實現的。

對于不同的生產廠家，東風4D機車上有兩種不同的驅動器，分別為西安鐵路信號場的驅動器和永濟電機廠的驅動器，不同驅動器的控制方式有所不同。西安信號場的驅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，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向還可以進一步改變機車功率調節器上彈簧的壓縮高度，進而改變了供油量和柴油機的轉速。永寧電動機廠的驅動電源裝置對電機供電時，按照1.5°/步的方式運行。其中，正轉的供電順序為A-AB-B-BC-CCA-A；相對應地，反轉的供電順序為A-AC-C-CBB-BA-A。

3 機車的恒功率調節

在內燃機車上，柴油機是與牽引發電機相連的，二者共同組成柴油-發電機組。其中柴油機的有效功率和發電機輸出的電功率之間的關系可用下式表示：

式中：PF為牽引發電機的輸出功率；Nf為設備損耗功率；Ne為柴油機有效功率；ηf為發電機的效率；ηz為整流柜的效率；UF為發電機輸出電壓；IF為發電機輸出電流。

其中，Nf與列車的狀態無關，當轉速一定時，輔助功率可認為是常數。ηf與負載電流相關，雖然隨著負載的變化ηf也相應有所變化，但是變化比較微小。ηz的數值變化得極其微小，因此可以將其認定為常數。基于以上分析可以得出結論：若要保持額定功率Ne不變，當Nf一定時，發電機的電功率應該是恒定不變的。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，無法持續增大。因此，發電機的外特性曲線不是理想的雙曲線模型。

恒功率調節的主要目的是為了確保當司機的手柄不發生變化時同步發電機輸出的功率一定，當司機手柄不動時柴油機的轉速不變，但是在列車行進過程中，所受到的阻力會不斷發生變化，在此過程中，恒功率調節仍然可以規避掉阻力變化的因素而持續輸出恒定的發電機功率。本文所設計的控制方式為無靜差調節控制方式，控制框圖如圖4所示，圖4中，R0為設定值，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 無靜差調節系統控制框圖

在此系統中用來測速的發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電機進行勵磁，調節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調節自身參數，這兩個過程可以分別等效為信號比例放大器和積分器。兩個過程相當于無靜差調節系統，此調節系統可消除干擾而產生的誤差。本文所設計的控制系統原理簡單，運行可靠，電路簡單。

4 結論

1）本文所設計的東風4D內燃機車電氣控制系統原理簡單、運行可靠、電路簡單。

2）運用該控制系統，可使燃油機啟動時間大幅縮短，節約能耗。