內(nèi)燃機車電力傳動交直流傳動恒功率

內(nèi)燃機車電力傳動（一）技術(shù)講座內(nèi)燃機車電力傳動（三）技術(shù)講座9/11/20231對電傳動內(nèi)燃機車的調(diào)速即是對牽引電動機的調(diào)速。根據(jù)直流牽引電動機的轉(zhuǎn)速公式：機車在恒功率條件下的運行速度變化可由調(diào)節(jié)牽引電動機的端電壓UD及勵磁磁通φD來實現(xiàn)。在交—直流電傳動內(nèi)燃機車上，牽引電動機電壓的調(diào)節(jié)一般是通過調(diào)節(jié)牽引發(fā)電機的輸出電壓來達到，另外也可通過改變主電路的聯(lián)接方式來達到。而牽引電動機磁通的調(diào)節(jié)，一方面由于機車上通常采用的是串勵牽引電動機，其磁通隨著牽引電動機電樞電流ID的變化而自動調(diào)節(jié)；另一方面還可采用對牽引電動機磁場削弱的方法來擴大磁通調(diào)節(jié)范圍，從而獲得更為寬廣的恒功率運行速度范圍。因此，在交—直流恒功率調(diào)速系統(tǒng)中將涉及以下四個主要問題：（1）為保證機車在恒功率條件下運行，牽引發(fā)電機應具有的理想外特性；（2）為使牽引發(fā)電機獲得理想外特性而采用的勵磁控制系統(tǒng)；（3）牽引電動機采用磁場削弱來擴大恒功率調(diào)速范圍的方法；（4）同步牽引發(fā)電機電樞繞組采用并—串聯(lián)換接或牽引電動機采用串—并聯(lián)換接擴大恒功率調(diào)速范圍的方法。9/11/20232第一節(jié)交流牽引發(fā)電機的理想外特性作為內(nèi)燃機車的傳動裝置，主要應當完成下述三項任務：（1）當機車運行在需要柴油機發(fā)出滿功率時，應使機車在規(guī)定的運行速度范圍內(nèi)保證柴油機在額定功率下工作，既不過載也不欠載；（2）當機車僅需柴油機以部分負荷運行時，應使機車在規(guī)定運行速度范圍內(nèi)保證柴油機能按其經(jīng)濟特性運行；（3）機車應有良好的起動性能。在交—直流傳動系統(tǒng)中，以上三項任務主要依靠調(diào)節(jié)牽引發(fā)電機的外特性來達到。在內(nèi)燃機車上，牽引發(fā)電機既是柴油機的負載，又是牽引電動機的電源。作為牽引電動機的電源，就需要改變輸出電壓以滿足機車起動及調(diào)速的要求；作為柴油機負載又要求在輸出電壓變化時維持柴油機功率不變。為此，需首先研究滿足上述要求的牽引發(fā)電機的理想外特性。9/11/20233一、牽引發(fā)電機的理想外特性牽引發(fā)電機的輸出功率與柴油機有效功率之間的關(guān)系可用下式表示：ＰF＝1000（Ｎe－Ｎfj）ηFηZ＝ＵF·ＩF

ＰF—牽引發(fā)電機直流側(cè)的功率（Ｗ）；Ｎe—柴油機有效功率（ｋＷ）；

Ｎfj—由柴油機所驅(qū)動的輔助設備所消耗的功率（ｋＷ）；

ηF—牽引發(fā)電機的效率；ηZ—硅整流器的效率；ＵF—整流后的牽引發(fā)電機電壓（Ｖ）；ＩF—整流后的牽引發(fā)電機電流（Ａ）。

假設Ｎfj不變，并忽略效率的變化，柴油機功率恒定，則ＵF·ＩF=常數(shù)這一雙曲線通常稱為牽引發(fā)電機的恒功率外特性曲線恒功率范圍內(nèi)的最高電壓ＵＦＰｍａｘ

限制恒功率范圍內(nèi)的最大電流ＩＦＰｍａｘ限制由額定電流值ＩＦｄｅ分界，可分為短時工作區(qū)域與持續(xù)工作區(qū)

9/11/20234輔助裝置功率變化的影響

實際上機車運行時輔助裝置功率Ｎｆｊ會有所變化。為維持柴油機功率不變，牽引發(fā)電機的理想外特性曲線并不是唯一循著bcd曲線變化，而是隨著Ｎｆｊ的變化而有所變化，稱之為功率轉(zhuǎn)移，在設計牽引發(fā)電機勵磁系統(tǒng)時，需要考慮Ｎｆｊ值的變化。但Ｎｆｊ值的變化與額定功率相比較小，為便于討論問題，可以忽略Ｎｆｊ的變化，此時相應某一柴油機功率下的牽引發(fā)電機理想恒功率曲線僅為一條。

9/11/20235司機控制器各手柄位時的理想外特性曲線

司機控制器的每一手柄位與柴油機的每一轉(zhuǎn)速-功率值相對應。其中每一手柄位的理想外特性曲線同樣都由恒功率、限流、限壓區(qū)段所組成。要求在最大手柄位時恒功率區(qū)段的功率應與柴油機額定功率相對應，低手柄位時各恒功率區(qū)段的功率應與柴油機各轉(zhuǎn)速下的經(jīng)濟特性曲線上的功率相對應。低手柄位時的限電流值應該根據(jù)機車起動要求來選擇。一般應在第一手柄位時限流值較小，但在低手柄范圍內(nèi)限流值增加較快，到較高手柄的范圍內(nèi)增大慢一些，這樣可使機車起動既快速又平穩(wěn)，并能較好控制機車起動時容易發(fā)生的輪對空轉(zhuǎn)打滑現(xiàn)象。各手柄位時的限壓值主要由牽引發(fā)電機的最大勵磁電流所引起的勵磁繞組發(fā)熱所限制。

9/11/20236二、同步牽引發(fā)電機的調(diào)整特性

為了得到同步牽引發(fā)電機的理想外特性，必須使勵磁電流隨著負載電流的變化而變化。當保持柴油機的轉(zhuǎn)速不變時，牽引發(fā)電機的勵磁電流ＩＦＬ隨負載電流ＩＦ的變化關(guān)系，稱為牽引發(fā)電機的調(diào)整特性，即ＩＦＬ＝ｆ（ＩＦ）。牽引發(fā)電機的調(diào)整特性可通過它的自然外特性用圖解法求得。調(diào)整特性展示了同步牽引發(fā)電機勵磁電流大致的調(diào)節(jié)規(guī)律，為設計勵磁控制系統(tǒng)、正確選擇元件參數(shù)提供依據(jù)。

9/11/20237第二節(jié)牽引發(fā)電機恒功率勵磁系統(tǒng)的基本工作原理

一、恒功率勵磁系統(tǒng)的組成

9/11/20238勵磁系統(tǒng)的分類

根據(jù)勵磁調(diào)節(jié)裝置在勵磁系統(tǒng)中的位置不同，勵磁系統(tǒng)大致可分為兩類：１、直接控制的勵磁系統(tǒng)

２、間接控制的勵磁系統(tǒng)

調(diào)節(jié)過程時間常數(shù)較小，有利于提高動態(tài)調(diào)節(jié)性能。但是，流過勵磁調(diào)節(jié)元件的電流較大，對調(diào)節(jié)元件的容量就要求大。

為了減小執(zhí)行元件的容量，常在執(zhí)行元件和牽引發(fā)電機勵磁繞組之間加入一級或者兩級中間放大環(huán)節(jié)，但調(diào)節(jié)過程的時間常數(shù)相對較大。9/11/20239二、恒功率勵磁系統(tǒng)的工作原理

恒功率勵磁系統(tǒng)的工作過程：設牽引發(fā)電機已工作在恒功率外特性曲線上的某點a，則功率給定信號Ｇ與功率檢測信號Ｊ相等，即Ｇ＝Ｊ，偏差信號Pi等于零。若采用了積分型調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)信號Ｔ維持不變。若機車運行中因阻力減小使牽引電動機轉(zhuǎn)速增加，從而使牽引發(fā)電機電流減小時，則在此瞬間，勵磁電流未變，牽引發(fā)電機工作點將按其自然外特性abc上升至ｃ點。顯然Pi＝Ｇ－Ｊ＜０，使調(diào)節(jié)信號Ｔ值下降，勵磁電流減小，從而使牽引發(fā)電機輸出功率隨著自然外特性曲線的變化而下降。直到牽引發(fā)電機新的工作點c‘重合在恒功率外特性曲線上時為止。此時Pi＝Ｇ－Ｊ＝０，勵磁電流不再變化，整勵磁系統(tǒng)才處于平衡狀態(tài)。

9/11/202310三、恒功率勵磁系統(tǒng)的分類

盡管各種恒功率勵磁系統(tǒng)的各個組成環(huán)節(jié)基本相同，但由于采用的調(diào)節(jié)器類型不同，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和性能會很不相同。因此按調(diào)節(jié)器的性質(zhì)分類，可分為下列三類：（1）采用液力調(diào)節(jié)器的恒功率勵磁系統(tǒng)；（2）采用電子調(diào)節(jié)裝置的恒功率勵磁系統(tǒng)（簡稱電子恒功率勵磁系統(tǒng)）；（3）采用微機控制的恒功率勵磁系統(tǒng)。9/11/202311１、采用液力調(diào)節(jié)器的恒功率勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，完成恒功率勵磁調(diào)節(jié)任務的液力元件常與柴油機調(diào)速器組合在一起，稱為聯(lián)合調(diào)節(jié)器，所以這種系統(tǒng)也稱為采用聯(lián)合調(diào)節(jié)器的恒功率勵磁系統(tǒng)。其特點是對柴油機實行了以恒供油量及恒轉(zhuǎn)速為目標的控制，從而實現(xiàn)柴油機恒功率控制。該系統(tǒng)為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，即轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)和供油量（功率）閉環(huán)系統(tǒng)。

函數(shù)變換器：給出符合柴油機經(jīng)濟特性曲線的轉(zhuǎn)速與供油量給定信號之間的關(guān)系曲線

功調(diào)伺服器、供油伺服器：積分調(diào)節(jié)器9/11/202312２、電子恒功率勵磁系統(tǒng)主要依靠電子裝置來完成恒功率調(diào)節(jié)任務的勵磁系統(tǒng)。由于發(fā)電機輸出功率比較容易檢測，而柴油機功率一般不易直接檢測，所以電子恒功率勵磁系統(tǒng)通常以調(diào)節(jié)牽引發(fā)電機輸出功率恒定為目標。其特點是只要設定了各司機手柄位的功率給定值，牽引發(fā)電機就可獲得各手柄位下的理想外特性曲線；整個電子系統(tǒng)的響應速度快，具有良好的動態(tài)性能。但為了能夠保證柴油機恒功率，必須解決輔助裝置功率轉(zhuǎn)移的問題。調(diào)節(jié)器：常用比例放大器、比例積分器等執(zhí)行元件：常用斬波器、可控整流器等9/11/202313輔助裝置功率轉(zhuǎn)移

當機車上輔助裝置功率變化時，相應改變牽引發(fā)電機功率以維持柴油機功率恒定。實現(xiàn)輔助裝置功率轉(zhuǎn)移的方法有下述兩種：（1）設置輔助裝置的功率檢測環(huán)節(jié)

（2）當輔助裝置功率變化時，相應改變牽引發(fā)電機的功率給定信號值，以維持柴油機功率不變。改變牽引發(fā)電機功率給定信號的辦法有多種，一般多利用聯(lián)合調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)輔助功率轉(zhuǎn)移。9/11/202314３、微機控制恒功率勵磁系統(tǒng)進入八十年代以來，微型計算機的制造技術(shù)迅速發(fā)展，微機成本下降，體積減小，功能提高，因此，越來越多的控制系統(tǒng)采用了微型計算機。機車上也開始應用了微機，并逐步完善和增強微機功能，可以說目前新一代的內(nèi)燃機車無不采用微機控制裝置。對于微機控制的恒功率勵磁系統(tǒng)，簡單地說就是用微機或微處理器完成功率檢測、比較及調(diào)節(jié)等功能。實際上，微機的作用遠不止于此，它還具有許多常規(guī)系統(tǒng)無法比擬的復雜功能，使整個內(nèi)燃機車系統(tǒng)更加完美。在微機控制中許多復雜的控制功能都是通過軟件編程、數(shù)學運算來實現(xiàn)的，從而大大簡化了電路結(jié)構(gòu)。微機控制能更方便地綜合多種信號，實現(xiàn)各種復雜的邏輯控制及各種特殊規(guī)律的控制；微機能完成各種控制算法，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。微機控制系統(tǒng)還能方便地實行機車運行參數(shù)的實時檢測、自動顯示、存儲及故障報警等功能。9/11/202315第三節(jié)東風4型機車恒功率勵磁系統(tǒng)

一、東風4型機車恒功率勵磁系統(tǒng)的基本原理聯(lián)合調(diào)節(jié)器式恒功率勵磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程首先是柴油機的負載變化而引起轉(zhuǎn)速變化，由轉(zhuǎn)速變化引起供油量變化以維持轉(zhuǎn)速恒定；而供油量變化引起牽引發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)作用，使柴油機負載趨向于恢復給定值，進而在控制轉(zhuǎn)速恒定的同時，使供油量趨于恢復給定值。當調(diào)節(jié)過程完畢，調(diào)節(jié)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，柴油機必定既處于給定轉(zhuǎn)速值下，又在給定供油量下工作，柴油機功率保持恒定。

9/11/202316二、聯(lián)合調(diào)節(jié)器的工作原理

9/11/202317

三、恒功率勵磁控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程9/11/202318三、恒功率勵磁控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程（一）機車起動：柴油機空載啟動后，主手柄從0為提到1位，牽引發(fā)電機獲得勵磁電流而發(fā)電，牽引電動機獲得電流而驅(qū)動機車開始走車。（二）司機控制器主手柄位不變，外界負載有變化：1.恒功率的調(diào)節(jié)過程：調(diào)節(jié)牽引發(fā)電機勵磁電流，使柴油機轉(zhuǎn)速和供油量維持恒定。2.牽引發(fā)電機限流、限壓：采用了限制各手柄位時牽引發(fā)電機最大勵磁電流IFLmax的方法。（三）司機控制器主手柄位不變，輔助裝置功率變化：相應改變牽引發(fā)電機功率，以保證柴油機恒功率運轉(zhuǎn)。（四）升降司機控制器主手柄位：柴油機轉(zhuǎn)速給定值和供油量給定值改變，從而改變柴油機輸出功率，以調(diào)節(jié)機車的牽引力和速度適應線路工況的變化。9/11/202319調(diào)節(jié)過程曲線9/11/202320五、東風4型機車勵磁系統(tǒng)的性能分析

東風4型機車勵磁控制系統(tǒng)主要存在以下三方面的問題：

（一）柴油機經(jīng)濟特性不盡如意：由于結(jié)構(gòu)上的原因，柴油機各轉(zhuǎn)速下的供油量給定值是通過線性關(guān)系的函數(shù)變換器（即聯(lián)合杠桿）給出的，因此在調(diào)整符合柴油機經(jīng)濟特性要求的非線性功率曲線時受到線性關(guān)系及其它因素的限制。（二）機車的起動性能較差，起動加速較緩慢：由測速發(fā)電機勵磁電流IcfL到牽引發(fā)電機勵磁電流IFL之間經(jīng)過二級電機放大，各手柄位下牽引發(fā)電機最大勵磁電流與柴油機轉(zhuǎn)速近似成平方關(guān)系，使得牽引發(fā)電機在低手柄位下的限流值太低，且隨著手柄位提升，限流值增大速率較慢，反而在較高手柄位時限流值增長較快，因而使機車的起動性能較差。（三）恒功率勵磁系統(tǒng)的動態(tài)性能較差，過渡過程時間較長：調(diào)節(jié)信號傳遞過程中必須通過柴油機—發(fā)電機組這一很大的機械慣性環(huán)節(jié)，并且聯(lián)合調(diào)節(jié)器本身是靠反應速度較慢的液力伺服器進行調(diào)節(jié)，從而使過渡過程的時間增加。

9/11/202321第四節(jié)東風7型機車電子恒功率勵磁系統(tǒng)機車柴油機的主要負載是牽引發(fā)電機。在機車運行過程中，外界負載經(jīng)常變化，因而要隨時對牽引發(fā)電機輸出功率進行調(diào)節(jié)。采用聯(lián)合調(diào)節(jié)器的恒功率勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)信號傳遞過程中，由于要通過柴油機—發(fā)電機組這一較大的機械慣性環(huán)節(jié)，并且液力伺服機構(gòu)的反應速度較慢，致使系統(tǒng)的動態(tài)性能較差，過渡時間較長?？梢栽O想，若對牽引發(fā)電機直接進行恒功率快速調(diào)節(jié)，使牽引發(fā)電機隨時保持恒功率運轉(zhuǎn)，則在輔助裝置功率不變的情況下柴油機自然保持恒功率運轉(zhuǎn)，此時聯(lián)合調(diào)節(jié)器基本處于穩(wěn)態(tài)，克服了通過聯(lián)合調(diào)節(jié)器進行勵磁調(diào)節(jié)的缺點。這種快速調(diào)節(jié)的方法是隨著電子技術(shù)的發(fā)展才得以實現(xiàn)的。采用電子裝置來完成恒功率調(diào)節(jié)任務的勵磁系統(tǒng)稱為電子恒功率勵磁系統(tǒng)。電子恒功率勵磁系統(tǒng)通常以調(diào)節(jié)牽引發(fā)電機輸出功率恒定為目標。9/11/202322

一、東風7型機車電子恒功率勵磁系統(tǒng)的基本原理主要特點為：（1）將柴油機實際轉(zhuǎn)速作為牽引發(fā)電機功率給定信號及限流、限壓給定信號的指令，使得在改變司機手柄位時，牽引發(fā)電機功率的提升或下降與柴油機功率變化有較好的配合；（2）采用霍爾元件作為牽引發(fā)電機功率及電流信號的檢測元件，采用隔離放大器作為電壓信號的檢測元件，所測得的模擬信號便于整定并與主電路良好隔離；（3）控制電路中主要采用了集成運放、晶體管、電阻、電容等元件，電路簡單，控制性能優(yōu)良；（4）采用隔離式晶體管斬波器，使電路工作安全可靠；（5）加入防空轉(zhuǎn)單元，檢測出空轉(zhuǎn)信號，使牽引發(fā)電機降低功率，以達到空轉(zhuǎn)保護的目的；（6）給定信號、檢測信號、調(diào)節(jié)信號全部采用模擬電壓量，因而調(diào)整容易，通用性好，同一套系統(tǒng)可用于不同功率等級的機車上而只需改變給定信號單元有關(guān)參數(shù)即可。

9/11/202323機車電子恒功率控制系統(tǒng)圖9/11/202324系統(tǒng)各單元1—電壓檢測隔離放大器；2、3—電流、功率檢測霍爾傳感器；4、5、6—電壓、電流、功率檢測比例放大器；7、8、9—限壓、限流、功率給定函數(shù)變換器；10—防空轉(zhuǎn)檢測單元；11—柴油機轉(zhuǎn)速傳感器；12—f/v變換器；Rgt—功調(diào)電組；F1、F2、F3—反相比例放大器；F4—反相比例積分器；13—定頻調(diào)寬斬波器；14～19—牽引電動機電流檢測霍爾傳感器；IZL—主整流柜；2ZL—勵磁整流柜；L—勵磁機。9/11/202325電子恒功率控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程1、恒功率調(diào)節(jié)過程：功率給定信號—Upg和功率檢測信號Upj進行比較，當出現(xiàn)偏差時，通過由運放F4組成的反相比例積分器改變調(diào)節(jié)信號Ut去控制晶體管斬波器13的導通比，使勵磁機L的勵磁電流變化，從而使牽引發(fā)電機F功率變化，直至Upj-Upg=0時為止。2、限流、限壓調(diào)節(jié)過程：將給定的限壓、限流信號—Uug、—Uig和電壓、電流檢測信號Uuj、Uij分別輸入由運放F1和F2組成的反相比例放大器的反相端進行比較，當超限時，限流或限壓信號送入由F4組成的PI調(diào)節(jié)器中，使調(diào)節(jié)器的輸出電壓Ut減小，從而使牽引發(fā)電機電壓或電流不超過允許值，達到限壓和限流的目的。3、機車動輪發(fā)生空轉(zhuǎn)時的調(diào)節(jié)過程：空轉(zhuǎn)牽引電動機的電流將會大幅度下降，防空轉(zhuǎn)單元10通過對6臺牽引電動機電流差異的檢測發(fā)出空轉(zhuǎn)信號UK，輸入到PI調(diào)節(jié)器反相端，使PI輸出電壓Ut減小，以降低牽引發(fā)電機輸出功率來制止輪對空轉(zhuǎn)（稱為空轉(zhuǎn)恢復）。4、輔助裝置功率轉(zhuǎn)移的調(diào)節(jié)過程：當輔助裝置功率Nfip變化時，首先引起柴油機功率變化，通過聯(lián)合調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)動作，使功調(diào)電阻Rgt的電阻值變化，在其電阻回路的分壓端產(chǎn)生一電壓信號ΔUp，加入到PI調(diào)節(jié)反相輸入端，使Ut變化，從而導致牽引發(fā)電機輸出功率相應變化，以維持柴油機功率恒定。9/11/202326二、電子恒功率系統(tǒng)性能分析

電子恒功率勵磁系統(tǒng)與采用聯(lián)合調(diào)節(jié)器的恒功率勵磁系統(tǒng)相比具有以下特點：1、

由于是直接將牽引發(fā)電機輸出的電功率信號反饋到調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，因此調(diào)節(jié)過程不必象聯(lián)合調(diào)節(jié)器系統(tǒng)那樣通過柴油機—發(fā)電機組的較大滯后的速度反饋，并且各環(huán)節(jié)全由電子器件組成，因此整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)反應靈敏，動態(tài)性能好，具有較高的控制精度。2、由于電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以方便地綜合各種信號進行控制，因此各種控制要求的系統(tǒng)均可綜合在同一系統(tǒng)內(nèi)。除了進行恒功率牽引控制外，尚能進行電阻制動控制、牽引電動機超速及機車空轉(zhuǎn)保護等。3、電子恒功率控制裝置能方便地實現(xiàn)各種特殊、較復雜規(guī)律的控制，例如功率斜坡控制、多級空轉(zhuǎn)保護等，這能在更廣的范圍內(nèi)改善機車的運行性能。4、電子恒功率勵磁裝置具有很好的通用性，同一套裝置幾乎能適用于任何功率等級的電傳動內(nèi)燃機車上而只需改變少量參數(shù)即可，并且該裝置調(diào)整十分方便。

9/11/202327第五節(jié)微機控制的恒功率勵磁系統(tǒng)

一、采用微機恒功率勵磁控制系統(tǒng)的優(yōu)越性及必然趨勢

微機控制系統(tǒng)是包括進行數(shù)據(jù)處理的微型計算機、程序、存儲器以及將微機與機車設備相連接的數(shù)字量和模擬量接口裝置及信號傳輸總線。它與模擬電子控制的本質(zhì)區(qū)別在于在微機控制中，許多復雜的控制功能都可以通過計算機的數(shù)字運算來實現(xiàn)，從而大大簡化了電路結(jié)構(gòu)，即所謂用編程軟件代替硬件。微機控制能更方便地綜合多種信號，實現(xiàn)各種復雜的邏輯控制及各種特殊規(guī)律的控制；微機能完成各種控制算法從而實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。所以采用微機控制，不僅可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、調(diào)試容易、成本降低，抗干擾能力增強，而且能獲得更多更復雜的控制功能、更好的調(diào)節(jié)品質(zhì)及控制精度。此外，采用微機控制還能方便地實現(xiàn)機車運行參數(shù)的自動顯示、存儲、打印及故障報警等；特別是微機系統(tǒng)的功能改變及功能擴展十分容易，通常僅需改變軟件設計即可達到。由于微機控制的優(yōu)越性能，它的功能范圍已遠遠超出了人們最初的想像力。在機車上采用的微機系統(tǒng)往往已不僅限于恒功率控制，它還包括柴油機控制、輔助功率控制、粘著（防空轉(zhuǎn)和打滑）控制、優(yōu)化操縱以及參數(shù)檢測顯示和故障診斷等功能?？梢哉f，裝備微機系統(tǒng)是現(xiàn)代化機車的重要標志。

9/11/202328二、JWK—1S型微機恒功率控制裝置

由四方機車廠生產(chǎn)的JWK—1S型機車微機控制裝置，采用8098單片微機，具有牽引發(fā)電機恒功率及限壓、限流控制，機車恒速控制，柴油機轉(zhuǎn)速超速保護，機車超速保護，柴油機工作小時累計等功能，已裝用于東風5型機車，也可用于其它型號的電傳動內(nèi)燃機車。

9/11/202329JWK—1S型微機恒功率勵磁控制的工作原理

9/11/202330JWK—1S型微機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9/11/202331單片機系統(tǒng)8098單片機包括16位CPU、8位對外數(shù)據(jù)通道（固稱為準16位），232字節(jié)RAM單元，4路通道帶采樣保持的10位A/D轉(zhuǎn)換器，4個高速輸入口（HSI）和6個高速輸出口（HSO），自帶波特率發(fā)生器的全雙工串行口，8個中斷向量，2個16位定時器，1路PWM脈寬調(diào)制輸出又可用作D/A轉(zhuǎn)換器，還有一個程序監(jiān)視定時器（Watchdog），一旦系統(tǒng)軟硬件發(fā)生故障時，監(jiān)視定時器能使系統(tǒng)復位而使CPU恢復工作。擴展了一片EPROM2764作為控制程序存儲器；一片RAM6264作為數(shù)據(jù)存儲器，RAM中信息可掉電保持；A/D轉(zhuǎn)換口采用4051模擬多路開關(guān)擴展8路，主要用于參數(shù)信號輸入；一片8255并行口，用于開關(guān)量輸入、輸出；一片8279可編程鍵盤/顯示器接口，用于鍵盤及顯示。

9/11/202332控制性能牽引發(fā)電機電壓檢測信號及電流檢測信號、輔助裝置功率檢測信號（即功調(diào)電阻信號）等3路模擬電壓信號輸入8098單片機A/D口進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；柴油機轉(zhuǎn)速及機車速度等兩路脈沖頻率信號由8098高速輸入口HSI進行檢測；控制信號由8098高速輸出口HSO輸出脈寬調(diào)制波，經(jīng)反相器放大、光耦隔離、晶體三極管驅(qū)動，送斬波器進行勵磁控制；4路開關(guān)量指令：恒速/恒功轉(zhuǎn)換指令（HSK）、提手柄指令（1ZJ）、功調(diào)電阻切除指令（Rgt）及電子勵磁指令（DLC）經(jīng)光耦隔離輸入8255并行口，8098單片機定時對各輸入回路進行掃描（查詢），即可判斷外部信號狀態(tài)；8098單片機發(fā)出的恒速控制、柴油機轉(zhuǎn)速保護、柴油機超速保護及機車超速保護等開關(guān)量控制信號送8255鎖存，經(jīng)反相器放大、再經(jīng)集成驅(qū)動電路驅(qū)動繼電器線圈，使對應的繼電器觸點動作進行相應的控制或保護；8279控制鍵盤顯示板：通過7404段驅(qū)動和75451位驅(qū)動控制4位LED顯示，采用138譯碼器，有3個觸點式按鍵，即復位鍵、參數(shù)顯示轉(zhuǎn)換鍵及常規(guī)顯示轉(zhuǎn)換鍵。

9/11/202333開關(guān)量指令及保護輸出（1）機車速度信號由高速輸入口HSI.1檢測，當恒功/恒速開關(guān)（HSK）處于恒速位時，微機將轉(zhuǎn)換時的機車速度作為速度給定值，與檢測的機車速度信號進行比較，根據(jù)兩者的偏差輸出開關(guān)量給柴油機無極調(diào)速裝置，控制柴油機轉(zhuǎn)速/功率及牽引發(fā)電機的輸出功率，進而控制機車的速度恒定。

（2）當司機提手柄到1位時（1ZJ閉合），微機控制牽引發(fā)電機輸出功率為60KW，保證機車平穩(wěn)啟動；到升位時，柴油機轉(zhuǎn)速上升，牽引發(fā)電機功率緩慢跟隨上升，到降位時，柴油機轉(zhuǎn)速下降，牽引發(fā)電機功率快速下降，以減少柴油機冒黑煙；到保位時，按恒功率曲線控制牽引發(fā)電機輸出功率。

（3）當功調(diào)電阻Rgt未切除時，微機檢測功調(diào)電阻信號作為輔助裝置功率的檢測，將輔助裝置剩余的功率轉(zhuǎn)移到牽引發(fā)電機上。（4）當電子勵磁開關(guān)（DLC）接通后，微機控制斬波器進行勵磁調(diào)節(jié)。

9/11/202334（5）當柴油機轉(zhuǎn)速達到740r/min時，微機輸出一組開關(guān)量信號，使中間繼電器3ZJ線圈得電，進行潤滑油壓保護，當轉(zhuǎn)速下降到715r/min時該信號撤消。

（6）當柴油機轉(zhuǎn)速達到1180r/min時，微機輸出一組開關(guān)量信號進行超速保護，當轉(zhuǎn)速下降到999r/min時該信號撤消。

（7）當機車速度達到82km/h時，微機輸出一組開關(guān)量信號，使中間繼電器8ZJ線圈得電，進行機車超速保護，當速度下降到79km/h時該信號撤消。

9/11/202335鍵盤顯示及參數(shù)整定

（1）鍵盤顯示板上有3個按鍵：復位鍵、參數(shù)顯示轉(zhuǎn)換鍵及常規(guī)顯示轉(zhuǎn)換鍵。有4位LED顯示器。當按動常規(guī)顯示轉(zhuǎn)換鍵時，可轉(zhuǎn)換顯示轉(zhuǎn)速、電壓、電流、功率；當按動參數(shù)顯示轉(zhuǎn)換鍵時，可轉(zhuǎn)換顯示調(diào)整參數(shù)：比例系數(shù)（0.00~0.99）、積分時間（0.00~0.99s）、輔助功率轉(zhuǎn)移值（0~60KW）、功率曲線選擇代號及修正值。

（2）恒功率曲線調(diào)整及校核

微機存儲有三條恒功率曲線，以數(shù)據(jù)表格的形式可供查詢，以作為功率給定值。這三條恒功曲線是：a.基本功率曲線，b.低速段提高3%功率曲線，c.高速段提高3%功率曲線。按動參數(shù)顯示轉(zhuǎn)換鍵使LDE顯示曲線選擇代號，調(diào)節(jié)電位器W5選擇曲線，調(diào)節(jié)W7選擇修正量或修正系數(shù)。曲線調(diào)整后，可在水阻試驗中進行功率曲線校核，若功率略有偏差，可修正電壓、電流定標值，或調(diào)整功率曲線修正值，使?jié)M足校核條件。

9/11/202336（3）PI控制參數(shù)整定

按動參數(shù)顯示轉(zhuǎn)換鍵使LDE顯示比例系數(shù)，調(diào)節(jié)電位器W4使比例系數(shù)顯示0.5~0.9；再按動參數(shù)顯示轉(zhuǎn)換鍵使LDE顯示積分時間，調(diào)節(jié)W6使積分時間顯示0.3~0.6s。調(diào)節(jié)過程中，應觀察牽引發(fā)電機的電壓和電流表，表針顯示穩(wěn)且調(diào)節(jié)靈活，才說明參數(shù)整定適當。

（4）電壓、電流定標

在水阻試驗中，司機提手柄到柴油機轉(zhuǎn)速約為800r/min，調(diào)整水電阻極板，使牽引發(fā)電機電壓為450V，按動常規(guī)顯示轉(zhuǎn)換鍵使LED顯示電壓，調(diào)整電壓檢測信號放大器的電位器W2，使顯示值為450V；然后調(diào)整水阻極板使電流為4000A，按動同一鍵使LED顯示電流，調(diào)整電流檢測信號放大器的電位器W3，使顯示值為4000A。

（5）限幅值驗證

在復位后5秒內(nèi)按動參數(shù)顯示轉(zhuǎn)換鍵，設定提前限幅方式，可使最大電壓、電流限幅值設定為500V、4000A。要恢復正常限幅值700V、6000A，重新復位即可。設置提前限流和限壓的目的，是在水阻試驗中確保水阻臺及機車電器的安全。

9/11/202337機車微機控制裝置在國內(nèi)的運用由四方機車廠生產(chǎn)的JWK—1S型微機控制裝置已在東風5型機車上獲得了成功的應用，此外還有大連內(nèi)燃機車研究所研制的WLK98—2型微機控制裝置、大連所與四方廠聯(lián)合研制的WK—1L（S）型微機控制裝置均已批量地裝用于東風5型機車上。大連機車廠研制的LTQ—Ⅱ型微機恒功勵磁調(diào)節(jié)器也已批量地裝于東風4C、東風4D（客運）、東風5B、GKD1、部分東風4B以及出口伊朗、坦桑尼亞等型電傳動內(nèi)燃機車上。以上機車微機控制裝置均是我國自行設計和研制的，經(jīng)過試驗、樣機裝車到投入小批量生產(chǎn)，從功能單一到多功能，使微機控制裝置不斷改進和完善，為今后機車全面推廣應用微機控制系統(tǒng)打下了基礎。為了吸收消化國外先進技術(shù)，1989年大連機車廠與美國GE公司合作，引進美國先進的微機技術(shù)及設備，研制成新一代大功內(nèi)燃機車——東風6型機車。東風6型機車裝備了以微機為核心的新一代電氣控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可進行通常的機車系統(tǒng)控制和各種電氣保護，可進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，還有對一些故障進行自動處理等功能，成為我國內(nèi)燃機車上裝備微機系統(tǒng)功能最多，性能最好，應用最為成功的新型機車，它的研制成功，為我國今后其它類型機車采用微機控制創(chuàng)造了良好的開端。此后大連機車廠對東風6型機車開展了全面國產(chǎn)化的研制工作并已取得了成功。戚墅堰機車廠在吸收美國GE公司技術(shù)的基礎上，于1992年研制出首臺裝備新一代機車微機控制系統(tǒng)的東風11型內(nèi)燃機車。9/11/202338三、東風11型機車微機控制系統(tǒng)簡介

（一）東風11型機車電傳動系統(tǒng)概述1、機車交—直流傳動系統(tǒng)由16V280ZJA型柴油機驅(qū)動一臺型號為JF240C的同步牽引發(fā)電機，構(gòu)成柴油—發(fā)電機組。同步牽引發(fā)電機F發(fā)出三相交流電，經(jīng)主硅整流柜1ZL整流后，供給6臺ZD106型直流牽引電動機，通過牽引齒輪驅(qū)使動輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動機車前進。牽引電動機在轉(zhuǎn)向架上架懸式安裝，順置排列，有利于減輕機車在運行時的軸重轉(zhuǎn)移及提高機車粘著重量利用率。6臺牽引電動機1D~6D在主電路采用全并聯(lián)電路形式。在牽引工況時，牽引電動機為直流串勵電動機，驅(qū)動機車；在電阻制動工況時，它作為直流他勵發(fā)電機運行，對機車產(chǎn)生制動作用，將制動能量消耗在制動電阻上，故稱為電阻制動。9/11/2023392、柴油機啟動及機車輔助發(fā)電

起動輔助發(fā)電機為直流發(fā)電機，型號為ZQF—80型。

在柴油機啟動時，起動輔助發(fā)電機QD由蓄電池供電，作為直流串勵電動機運行，通過變速箱帶動柴油機啟動運轉(zhuǎn)。當柴油機運轉(zhuǎn)正常后，起動輔助發(fā)電機轉(zhuǎn)為他勵輔助發(fā)電機工作，由微機柜中的輔機板或電壓調(diào)整器自動地控制輔助發(fā)電機勵磁電流，使其輸出電壓保持為110±2V，向機車控制電路、照明電路、各輔助電機等供電，同時向蓄電池組充電。9/11/2023403、同步牽引發(fā)電機勵磁系統(tǒng)

同步牽引發(fā)電機由勵磁機L提供勵磁電流，勵磁機采用JGL405B型感應子勵磁機，它為一臺三相交流發(fā)電機。勵磁機輸出的交流電經(jīng)三相橋式勵磁整流柜2ZL整流后，向牽引發(fā)電機的勵磁繞組提供勵磁電流。

對勵磁機的勵磁控制，采用了微機勵磁控制調(diào)節(jié)裝置，稱為勵磁一；同時保留了傳統(tǒng)的液力伺服器控制功調(diào)電阻Rgt的勵磁調(diào)節(jié)裝置，稱為勵磁二作為后備。通過安裝在低壓柜內(nèi)的萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)WZK可對這兩種勵磁調(diào)節(jié)方式進行選擇。

9/11/2023414、磁場削弱調(diào)速

為了提高機車的恒功率運行速度范圍，在司機手柄位2位以上時，可對牽引電動機實施一級磁場削弱。磁場削弱可由微機或司機手動控制一個磁場削弱接觸器XC的動作，實現(xiàn)一級磁場削弱過渡。正向過渡速度為112km/h，反向過渡速度為98km/h。5、機車電阻制動當機車實施電阻制動時，利用直流電機的可逆原理，使直流牽引電動機變?yōu)樗麆钪绷靼l(fā)電機運行，將機車運行的動能轉(zhuǎn)化為電能，再將此電能供給制動電阻，以熱能形式耗散于空氣中，這時牽引電動機的反轉(zhuǎn)矩作用于機車動輪，產(chǎn)生制動力。為了充分發(fā)揮制動功率，在機車一定速度范圍內(nèi)，通過微機控制可實現(xiàn)對勵磁電流和制動電流的恒流控制。

9/11/2023426、機車主電路的保護機車主電路中采用霍爾元件傳感器采集電壓、電流信號，對主電路設有接地、過流，電阻制動過流、制動電阻通風機失風、輪對空轉(zhuǎn)等兩套保護電路：一套為微機控制保護系統(tǒng)，另一套為傳統(tǒng)的繼電器控制保護電路。

7、電空制動裝置機車上裝有電空制動系統(tǒng)，通過JZ7空氣制動機及空電轉(zhuǎn)換開關(guān)、壓力開關(guān)，控制列車的制動或緩解電磁閥，實現(xiàn)全列車的電空制動與緩解。

9/11/202343

8、速度監(jiān)控裝置為保證高速機車運行安全，機車上安裝速度監(jiān)控裝置。機車設備接收軌道電路的信息，供機車速度顯示器顯示目標速度，以及為速度監(jiān)督設備提供地面信號要求的限制速度。速度監(jiān)督裝置檢測列車實際走行速度，與地面信號要求的限速值進行比較，一旦運行超速，采取制動或緊急制動等減速或停車措施。總之，速度監(jiān)控裝置均為人工減速、超速防護，是屬于人機聯(lián)控、人控為主的列車自動控制系統(tǒng)。

9/11/2023449、軸承溫度檢測裝置

在Ⅰ端司機操縱臺上裝有MS—6B型電腦多路溫度檢測裝置，可隨時監(jiān)測主發(fā)電機及牽引電動機軸承、空心軸軸承、機車軸箱軸承等溫度。通過32路溫度傳感器，進行遠距離測溫，一旦發(fā)生故障、超溫均報警。

此外，機車上還設有預熱鍋爐的單片機自動控制，該系統(tǒng)采用半導體測溫元件檢測并控制柴油機水系統(tǒng)溫度，可以使預熱鍋爐自動點火、自動降溫滅火，并具有自動和手動兩種控制功能。9/11/202345（二）東風11型機車微機控制系統(tǒng)

1、機車微機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9/11/2023462、微機系統(tǒng)的控制作用

（1）牽引控制恒功率、限流、限壓控制通過功調(diào)電阻實現(xiàn)輔助裝置功率轉(zhuǎn)移控制：在柴油機640r/m以上時，可實現(xiàn)輔助裝置功率轉(zhuǎn)移，達到柴油機恒功率的目的；640r/m以下時，功調(diào)電阻已不起負載調(diào)節(jié)作用，只能維持主發(fā)電機恒功率。在司機提升手柄位進行功率加載的過程渡過程中，為防止柴油機因慣性滯后而引起瞬時過載及冒黑煙現(xiàn)象，微機系統(tǒng)對功率的加載率進行了控制；在司機降低手柄位的過程中，為使牽引功率平滑改變，微機對功率的減載速率進行了限制，但減載速率要比加載速率稍快一些。為使牽引電動機轉(zhuǎn)矩平滑地增大（特別是當機車起動時），在微機控制下每臺牽引電動機的電流最大上升率不得超過200A/S；而在降低手柄位時，為使牽引電動機轉(zhuǎn)矩能平滑地減少，電流最大下降率不得超過250A/S。為滿足機車恒功率調(diào)速范圍的要求，牽引電動機在牽引工況（主手柄2位及以上）下可進行一級磁場削弱。磁場削弱由微機自動控制，當機車達到預定的速度值時，先降低勵磁，減小主發(fā)電機功率輸出，然后進行磁場削弱正向過渡，在此過渡過程中，不致使柴油機過載。9/11/202347（2）電阻制動控制

機車電阻制動時，主手柄可置于2~12位中的任意一位。在主手柄各檔位置下，微機系統(tǒng)使機車在高速的一段范圍內(nèi)保持制動電流恒定（稱為恒流制動），在低速的一段范圍內(nèi)保持勵磁電流恒定（稱為恒勵磁制動）。按照規(guī)定，當機車速度超過135km/h時，為防止牽引電動機換向條件惡化，其電樞電流從最大值開始呈線性減少，直至機車速度182km/h時的最小電流值。

（3）空轉(zhuǎn)/滑行保護的控制為提高機車的粘著牽引性能，微機系統(tǒng)中設有空轉(zhuǎn)/滑行保護系統(tǒng)。為此，在各牽引電動機換向器軸端裝有速度傳感器，測量速度頻率信號輸入微機。微機系統(tǒng)連續(xù)地監(jiān)測各輪軸的速度，并進行比較，若速度差或加速度大于預置的限定值，就將實行相應的保護：撤砂、減少勵磁和功率等。9/11/202348（三）故障診斷與保護微機系統(tǒng)通過傳感器檢測機車電氣系統(tǒng)的電壓、電流、頻率信號和柴油機系統(tǒng)的溫度、壓力信號（這些信號被定義為監(jiān)控參數(shù)），與預置的門限值相比較。若檢測到的監(jiān)控參數(shù)超限，則產(chǎn)生一條故障信息，并在漢字診斷信息顯示器CDID上進行故障顯示。同時，微機系統(tǒng)根據(jù)故障類別及嚴重程度的不同，產(chǎn)生相應的保護動作：報警（指示燈），記錄故障，柴油機減載，柴油機卸載，柴油機停機。當機車故障被排除后，根據(jù)故障的不同，產(chǎn)生相應的復位方法：（1）自動方式——被監(jiān)控參數(shù)低于門限值，系統(tǒng)自動復位；（2）自動回零方式——主手柄回零位，系統(tǒng)自動復位。

9/11/202349主要保護功能

1、主發(fā)電機過流、過壓保護；2、主發(fā)電機磁場過流保護；3、牽引電動機過流保護；4、牽引電動機超速保護；5、制動電阻過流保護；6、牽引電動機磁場過流保護；7、主回路接地、漏電保護；8、輪對空轉(zhuǎn)/滑行保護；9、柴油機機油壓力低保護；10、柴油機曲軸箱超壓保護；11、柴油機超速保護；12、柴油機機油、水溫高保護；13、空氣濾清器阻塞保護；14、柴油機燃油壓力低保護。機車發(fā)生故障時，故障發(fā)生前一分鐘的部分監(jiān)控參數(shù)已被記錄下來，故障記錄器共有64幀數(shù)據(jù)（每秒記錄一次），它記錄的總是最近一次發(fā)生的故障，以供分析故障時使用。9/11/202350第六節(jié)牽引電動機磁場削弱

采用牽引電動機磁場削弱的目的：擴大機車恒功率調(diào)速范圍

牽引電動機轉(zhuǎn)速特性：恒電壓：恒功率：可見，這個恒功率轉(zhuǎn)速范圍通常較窄，不能滿足機車運行速度范圍的要求。例如，對于東風4型貨運機車，在最高手柄位，U