TQFR-3000型同步牽引發電機的外特性曲線分析

石景主

（江西銅業股份有限公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

內燃機車通過燃油在柴油機氣缸內燃燒，對外膨脹做功而產生機械能，通過機械連接并借助液壓傳動裝置直接驅動機車，或通過同步牽引發電機發電后借助電傳動系統控制與車輪連接的牽引電機的旋轉來驅動機車。與蒸汽機車、燃氣輪機車相比，內燃機車綜合能源利用效率更高。內燃機車相比于燃氣輪機車有更好的穩定性，且其牽引的貨物重量也非常大［1］。其中同步牽引發電機是電力傳動內燃機車的專用發電機，為牽引電動機提供電力，日常稱為主發電機，其主要作用是輸出電功率。目前貴溪冶煉廠使用的GKD2型內燃機車上安裝同步牽引發電機型號為TQFR-3000。

2 同步牽引發電機的外特性

根據牽引發電機和牽引電動機電機所用的電流進行分類，可分為直流電傳動和交流電傳動［2］。因直流電機可實現平滑而經濟的調速，通常情況下不需要其它設備的配合，只要改變其輸入或勵磁電壓電流就能實現調速，且改變直流電機的正負兩極就可快速實現直流電機的正反轉切換，故在過去一段時間內交直流傳動在電傳動內燃機車上被廣泛應用。當前貴溪冶煉廠使用的GKD2型內燃機車便是交直流電傳動。其采用的TQFR-3000同步牽引發電機產生的三相交流電，通過主硅整流柜將三相交流電整流為直流電，降低電流的脈動量，用以提供牽引電動機能源。由于牽引電動機具有一定的電感，其主極、換向極的繞組電感對電流的脈動成分會產生很強的電抗，起到了一定的平波作用，所以整流后的電流脈動量會比整流前更小，因此牽引電動機可以近似地看作是直流電動機。站在整流裝置角度看，牽引電動機相當于一個純電阻性的負載。當同步牽引發電機的轉速n、勵磁電流IL、負載功率因素cos?保持恒定時，同步牽引發電機的端電壓UF和負載電流IF之間的關系，稱為牽引發電機外特性。TQFR-3000型同步牽引發電機的外特性曲線如圖1。

圖1 TQFR-3000同步牽引發電機的外特性曲線

由圖1可見，TQFR-3000同步牽引發電機具有很強的電樞反應。當機車在運行過程中加載后，電樞電流會逐步增大，此時在電樞反應的去磁作用以及電樞線繞組的電阻壓降和漏抗壓降的作用下，端電壓開始下降。但此時磁路很飽和，所以電樞反應的去磁作用并未使端電壓產生明顯的下降。隨著電樞電流的逐步增加，電樞反應的去磁作用也逐漸加強，在達到一個特定值后，電機磁路失去飽和狀態，此后，端電壓隨著電樞電流的增加而迅速下降。因此TQFR-3000同步牽引發電機外特性曲線為一根凸起的下降曲線。

3 同步牽引發電機的理想外特性

在交直流電傳動GKD2型內燃機車上，機車柴油機曲軸通過彈性聯軸節與主發電機相連構成動力機組［3］。柴油機發電機組向所有用電設備供電，同時向蓄電池充電。柴油機的輸出功率，絕大部分都供給同步牽引發電機，只有小部分供給機車的輔助設備。柴油機的輸出功率與同步牽引發電機通過勵磁整流柜整流后的電功率之間的關系，可用公式（1）表示。

其中：PF為同步牽引發電機輸出功率（kW）；Ne為柴油機有效功率（kW）；Nf為輔助設備消耗功率（kW）；ηF為同步牽引發電機效率；ηZ為主硅整流柜效率。

當同步牽引發電機的電流發生改變時，同步牽引發電機的輸出效率和輔助設備的能耗基本保持不變，分析研究時可認為不變。所以，若同步牽引發電機的功率保持恒定，則柴油機的有效功率Ne也可以達到恒定的效果，即

其中：UF為牽引發電機整流后電壓（V）；IF為牽引發電機整流后電流（A）。

由公式（2）可知，若功率PF保持恒定不變，則可以把功率PF近似的看成一個常數，所以UF乘以IF的積也可以看成一個常數。在機車運行過程中，電流會經常發生變化，若想保持功率PF恒定不變，則電壓UF和電流IF之間的關系UF=f（IF）應成反比，如圖2線段abcde所示。因此同步牽引發電機的理想外特性曲線是一根等邊曲線，又稱為恒功率曲線。

圖2 牽引發電機理想外特性曲線

4 同步牽引發電機的自然外特性

圖3所表示的是同步牽引發電機的自然外特性曲線。當加載在負荷兩端的電流發生改變，若此時勵磁電流恒定，同步牽引發電機的輸出功率則會產生較大的變化，柴油機的有效功率也會隨之產生較大的改變。從圖2和圖3兩條外特性曲線可以看出，同步牽引發電機自然外特性并不符合牽引發電機理想外特性的要求。但在受最高電壓的限制線段ab、受最大電流的限制線段de非常相似，所以，可以在牽引發電機的自然外特性曲線上，通過調節同步牽引發電機的勵磁電流，使受最高電壓的限制線段ab以及受最大電流的限制線段de的勵磁電流恒定，而調節bfd線段中的勵磁電流，使得同步牽引發電機達到理想的外特性曲線的狀態。

圖3 牽引發電機自然外特性曲線

5 同步牽引發電機的恒功率調節原理

從圖2可以看出，在理想外特性曲線abc上，同步牽引發電機的勵磁電流或電壓會跟隨負載電流的變化而發生一定的改變。為了使同步牽引發電機具有理想的外特性，在恒功率區段bcd上發電機的勵磁電流必須隨著負載電流的變化而變化。這種同步牽引發電機轉速不變，勵磁電流IFL=f(IF)［5］。這種變化就是同步牽引發電機的調整特性。在GKD2型內燃機車上，設有一臺勵磁機和勵磁整流柜，用以提供同步牽引發電機直流勵磁。內燃機車控制器DLC(Diesel Locomotive Controller)通過控制勵磁機的勵磁，實現柴油機在一定轉速下的恒功率控制［6］。

恒功率調節過程如圖4所示，當機車速度增加，同步牽引發電機的勵磁電流沿自然外特性曲線IFL1工作，待勵磁電流上升至d點以上時，同步牽引發電機的功率超過額定功率，此時柴油機呈現過載狀態，發電機組轉速降低。在聯調器的調節作用下，通過提高柴油機的燃油供給量，從而提高發電機組的轉速；同時，通過提高懸掛點的位置，使功率調節滑閥向上移動；壓力油從上油道流入伺服器，伺服器朝減載的方向移動，功率調節電阻滑臂隨伺服器的移動而逆時針轉動，增大功率調節電阻值，從而降低同步牽引發電機的勵磁電流，使其電壓下降，直到工況點落在理想外特性曲線bcd上，如圖4中的n點。此時聯合調節器進入相對穩定的工作狀態，懸掛點也回到初始的平衡位置，使同步牽引發電機與柴油機處于一個新的平衡環境。這時的阻值增加了，同步牽引發電機的勵磁電流為IFL2，它小于IFL1。

若機車繼續加速，同步牽引發電機電流又會進一步下降，則同步牽引發電機的勵磁電流首先沿著自然外特性曲線IFL2工作，這時柴油機再次呈現過載現象，發電機組的轉速也再一次降低，聯調器再次發生作用，使同步牽引發電機的工況點再一次落在理想外特性曲線bcd上，這種調節一直持續到圖4中的c點為止，同步牽引發電機的勵磁電流達到最小值IFL3。若機車仍在加速，同步牽引發電機仍沿自然外特性曲線IFL3工作，但這時同步牽引發電機的輸出功率已低于柴油機給定功率，柴油機將呈現欠載，發電機組的轉速也會進一步提高。此時聯調器會通過降低柴油機的燃油供給量，迫使發電機組的轉速下降；同時還通過壓力油的作用，使伺服器朝著增載的方向移動，從而降低功率調節電阻的值，使得同步牽引發電機的勵磁電流和端電壓增加，最終同步牽引發電機的穩定工況點落在曲線bcd上的m點，此時，勵磁電流已經由IFL3上升到IFL2。同步牽引發電機的工況點由m點調整到b點也是同樣的過程，調整后的勵磁電流則由IFL2上升到IFL1。

圖4 牽引發電機的特性調節曲線

通過以上分析可知，在理想外特性曲線bcd區段內，只需通過改變同步牽引發電機的勵磁電流就可以使柴油機功率和同步牽引發電機的功率保持恒定不變，達到恒定功率后，柴油機的供油量、發電機組的轉速都恢復到調節前的初始數值。如圖5所示，在曲線bc上，隨著同步牽引發電機的輸出電流增加，其勵磁電流卻在減小，達到c點時，同步牽引發電機的勵磁電流達到最小值；在曲線cd上，隨著同步牽引發電機的電流上升，勵磁電流也會上升。并在b、d兩點達到最大值且相等。

圖5 牽引發電機勵磁電流曲線

若輔助裝置的功率發生變化，調整勵磁電流的過程與上述相似。當輔助裝置功率發生下降時，柴油機呈欠載狀態，此時發電機組轉速會反向升高，從而提高同步牽引發電機的輸出功率；相反的，當輔助裝置的功率增加時，柴油機也隨之產生過載現象，發電機轉速則開始降低，同步牽引發電機的輸出功率也會隨之降低，調整后柴油機供油量和發電機組轉速恢復到調整前的初始值。在調整過程中，柴油機功率一直保持恒定，使得同步牽引發電機的輸出功率得到充分利用。

6 結論

內燃機車在一定轉速下運行時，同步牽引發電機的輸出功率經常處于自動調節狀態，使柴油發電機組的有效功率在這種調節過程中保持恒定。在這種動態平衡下，同步牽引發電機使內燃機車擁有了理想的外特性曲線和恒定功率。