HXN3型內(nèi)燃機(jī)車牽引控制系統(tǒng)分析

畢鑒東　張如意　牟文濤　徐光

摘 要： 新經(jīng)濟(jì)時(shí)期，我國(guó)鐵路事業(yè)迎來了蓬勃發(fā)展，對(duì)內(nèi)燃機(jī)車也提出了“貨車加大載重、客車高速運(yùn)行”的更高要求，因此應(yīng)用交流電傳動(dòng)控制技術(shù)，改善HXN3型內(nèi)燃機(jī)車的性能，增加其最大功率數(shù)值，成為提升HXN3型內(nèi)燃機(jī)車客運(yùn)載貨能力，進(jìn)一步提高鐵路建設(shè)質(zhì)量與水平的重要舉措。下文中，筆者將結(jié)合個(gè)人參與HXN3型內(nèi)燃機(jī)車交流電傳動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析當(dāng)前我國(guó)HXN3型內(nèi)燃機(jī)車的技術(shù)概況、設(shè)計(jì)原理及交流電傳動(dòng)系統(tǒng)控制方案，以供同行參考與借鑒。

關(guān)鍵詞： 交流電傳動(dòng)控制技術(shù)；HXN3型內(nèi)燃機(jī)車；系統(tǒng)應(yīng)用；客運(yùn)載貨能力

1.HXN3型內(nèi)燃機(jī)車交流電傳動(dòng)技術(shù)概況

1.1直流電傳動(dòng)技術(shù)分析

在過去，我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車傳動(dòng)方式普遍采用了直流電電傳動(dòng)技術(shù)，其運(yùn)行原理為機(jī)械能與直流電電能的相互轉(zhuǎn)換——利用彈性聯(lián)軸節(jié)使發(fā)電機(jī)工作運(yùn)轉(zhuǎn)，并將內(nèi)燃機(jī)中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，通過控制與調(diào)節(jié)電能的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等數(shù)值的控制與調(diào)節(jié)；將齒輪箱與聯(lián)軸節(jié)接入，驅(qū)動(dòng)機(jī)車與齒輪箱接入，從而實(shí)現(xiàn)直流電牽引、傳動(dòng)過程。上述內(nèi)燃機(jī)電傳動(dòng)過程中，依賴直流電傳動(dòng)，因此屬于直流電傳動(dòng)技術(shù)。

1.2交流電-直流電傳動(dòng)技術(shù)分析

隨著技術(shù)與科學(xué)的不斷進(jìn)步，我國(guó)內(nèi)燃機(jī)傳動(dòng)工藝水平也得到了提升與發(fā)展，為了增大內(nèi)燃機(jī)車的轉(zhuǎn)速和內(nèi)燃功率，需要在原有基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高內(nèi)燃機(jī)車的功率數(shù)值。因此，原有的直流電傳動(dòng)技術(shù)已經(jīng)不符合內(nèi)燃機(jī)車的技術(shù)發(fā)展需求，被逐漸放棄使用；而受限較小、能夠打破功率最大數(shù)值和易于換向輸出的交流電傳動(dòng)技術(shù)，得到重視與推廣。到20世紀(jì)中期，交流電傳動(dòng)技術(shù)已經(jīng)與原有的直流電傳動(dòng)技術(shù)結(jié)合使用，以彌補(bǔ)直流電傳動(dòng)技術(shù)的的不足與局限性，其通常安裝了交流牽引發(fā)電機(jī)和直流調(diào)速設(shè)備，依靠整流器，將向外輸出的三相交流電能轉(zhuǎn)化為直流電能，利用聯(lián)軸節(jié)，將轉(zhuǎn)化后的直流電能輸送給內(nèi)燃機(jī)車的車輪，轉(zhuǎn)變?yōu)槭管囕嗊\(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車。與傳統(tǒng)的直流電傳動(dòng)技術(shù)相比，該種交流電-直流電傳動(dòng)技術(shù)具有無換向器的運(yùn)作屬性，從而簡(jiǎn)化了內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行流程與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、提升了內(nèi)燃機(jī)車的安全性能，并且具有便于維護(hù)的優(yōu)勢(shì)。

1.3交流電傳動(dòng)技術(shù)分析

現(xiàn)階段交流電傳動(dòng)技術(shù)已經(jīng)逐步成熟完善，并被廣泛使用于我國(guó)的內(nèi)燃機(jī)車傳動(dòng)設(shè)計(jì)中，在實(shí)踐應(yīng)用中，存在如下幾點(diǎn)問題與優(yōu)勢(shì)：首先，內(nèi)燃機(jī)傳動(dòng)功率仍然受到電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制；其次，內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過程中，仍然存在電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力和牽引能力不足的問題；第三，內(nèi)燃機(jī)車交流電傳動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，改善了原有直流電傳動(dòng)技術(shù)中的功率不足、電動(dòng)機(jī)重量過重的問題——通過降低內(nèi)燃機(jī)車的簧下、軸重重量，有效避免了因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)車電動(dòng)機(jī)重量數(shù)值過高對(duì)軌道的磨損和沖擊；最后，AC—DC—AC交直交內(nèi)燃機(jī)車主要采用了三相交流電傳動(dòng)技術(shù)，利用變壓、變頻的交流電傳動(dòng)優(yōu)勢(shì)，提升了內(nèi)燃機(jī)車的高粘著利用率，從而也在原有基礎(chǔ)上拓展了內(nèi)燃機(jī)車的調(diào)速數(shù)值和牽引力數(shù)值。AC—DC—AC交直交內(nèi)燃機(jī)車降低了使用了銅質(zhì)材料制作交流電機(jī)的配比，從而使得內(nèi)燃機(jī)車的整體材料質(zhì)量減輕，同時(shí)有利于內(nèi)燃機(jī)車的功率大幅提升。AC—DC—AC交直交內(nèi)燃機(jī)車還放棄了原有的直流電傳動(dòng)碳刷和換向器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從整體上優(yōu)化了內(nèi)燃機(jī)車的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量的同時(shí)也便于之后的機(jī)車檢修和日常維護(hù)。交流電傳動(dòng)技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)車設(shè)計(jì)方案中的應(yīng)用，打破了電動(dòng)機(jī)的牽引限制，但在初期使用中，由于電子配件和理論的局限性，使用領(lǐng)域較窄；后期發(fā)展中，交流電傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)一步完善與成熟，有效提升了內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)作功率，促進(jìn)了鐵路事業(yè)的發(fā)展，收到國(guó)內(nèi)外業(yè)界人士的關(guān)注與重視。

2.HXN3型內(nèi)燃機(jī)車的電傳動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案

2.1交流電傳動(dòng)控制的設(shè)計(jì)方案

采用了交流電傳動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案的內(nèi)燃機(jī)車，大大提升了內(nèi)燃機(jī)車的功率與性能。整個(gè)交流系統(tǒng)的工作由機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)EM2000統(tǒng)一指揮完成。該大功率交流牽引系統(tǒng)，具有高調(diào)速比、大單軸功率以及少維護(hù)率的優(yōu)點(diǎn)，并且具有較高的牽引特性，這些特點(diǎn)是HXN3機(jī)車的核心優(yōu)勢(shì)之一。內(nèi)燃機(jī)車的主傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括主發(fā)電機(jī)、整流單元、牽引逆變器、牽引電機(jī)以及制動(dòng)電阻裝置等構(gòu)成。主發(fā)電機(jī)所發(fā)出的三相交流電經(jīng)過牽引整流單元轉(zhuǎn)化為高壓直流電，該高壓直流電經(jīng)過牽引逆變器轉(zhuǎn)化為所需電壓值的交流電，最終輸出給牽引電動(dòng)機(jī)，牽引電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)與動(dòng)車的齒輪箱相連接，實(shí)現(xiàn)列車的牽引運(yùn)行。

2.2系統(tǒng)原理

機(jī)車柴油機(jī)帶動(dòng)牽引發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換，牽引發(fā)電機(jī)首先將3相交流電輸出到主牽引整流器，從而提供牽引變流器的直流電壓，柴油機(jī)每個(gè)檔位對(duì)應(yīng)一個(gè)不固定的中間直流電壓。逆變單元由兩個(gè)變流柜組成，每個(gè)變流柜的主電路和控制電路相對(duì)獨(dú)立，分別向兩個(gè)轉(zhuǎn)向架的牽引電機(jī)提供交流變頻電源。當(dāng)一組變流器發(fā)生故障時(shí)，直通過微機(jī)控制系統(tǒng)EM2000，自動(dòng)將故障的變流器切除，也可通過微機(jī)顯示屏手動(dòng)隔離某個(gè)變流器，機(jī)車維持55%的牽引功率。輔助發(fā)電機(jī)的輸出經(jīng)輔助整流柜后，供給三組逆變器一冷卻風(fēng)扇電機(jī)組，兩組逆變器一空壓機(jī)電機(jī)組；輔發(fā)電機(jī)的輸出同時(shí)也接到牽引電動(dòng)機(jī)通風(fēng)機(jī)電機(jī)，直接驅(qū)動(dòng)該通風(fēng)機(jī)電機(jī)；輔發(fā)電機(jī)的輸出經(jīng)可控整流向機(jī)車輔助電壓回路提供流74VDC，包括照明、蓄電池充電等；輔發(fā)電機(jī)和主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁如上文中所描述的那樣，都來自輔助發(fā)電機(jī)輸出的可控整流控制。

2.3輔助供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

HXN3型內(nèi)燃機(jī)車釆用交流輔助供電系統(tǒng)對(duì)車輛上的輔助電氣進(jìn)行供電。輔助供電系統(tǒng)由與主發(fā)電機(jī)同軸的輔助發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電。輔助發(fā)電機(jī)電樞具有兩套三相交流電樞繞組，在這兩套裝中的一套主要是為控制電源以及蓄電池充電供電，另一套繞組分成兩組各自獨(dú)立的電壓輸出，其中一組輸出為輔助設(shè)備供電，另一組為勵(lì)磁供電。輔發(fā)電機(jī)的一組輸出l、2、3端子負(fù)責(zé)向冷卻風(fēng)扇風(fēng)機(jī)和空壓機(jī)電機(jī)提供電源，該三相交流電源隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化，電壓范圍144V---440V頻率范圍44HZ～133HZ。經(jīng)過5個(gè)橋式整流單元后，進(jìn)入空壓機(jī)電機(jī)輔助逆變器AIR COMP INVl，2和風(fēng)扇電機(jī)輔助逆變器CLG FAN INVl，2，3。這五個(gè)逆變器根據(jù)EM2000控制指令驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)1，2和冷卻風(fēng)扇1，2，3，使其按需要的轉(zhuǎn)速工作?？刂齐娫磁c蓄電池充電繞組輸出主要為72-220VAC的三相交流電，通過輔助電源轉(zhuǎn)換器進(jìn)行整流調(diào)壓輸出74VDC控制電，主要為控制系統(tǒng)、蓄電池、照明系統(tǒng)以及空調(diào)控制系統(tǒng)等供電。

3.小結(jié)

綜上所述，交流電傳動(dòng)技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)車上的推廣應(yīng)用與發(fā)展，大幅度提升了內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)作功率，簡(jiǎn)化了內(nèi)燃機(jī)車的電傳動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，符合市場(chǎng)發(fā)展需要的同時(shí)，也提升了內(nèi)燃機(jī)車制造工業(yè)的整體水平。有關(guān)公司與企事業(yè)的設(shè)計(jì)人員，應(yīng)當(dāng)重視對(duì)HXN3型內(nèi)燃機(jī)車交流電傳動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用與研究，分析其局限性與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，致力于內(nèi)燃機(jī)車電傳動(dòng)控制系統(tǒng)與設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，促進(jìn)我國(guó)鐵路事業(yè)的健康發(fā)展。

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