李海明

（西山煤电（集团）有限责任公司铁路公司，山西 太原 030027）

引言

现如今，我国铁路系统的主力机车是东风4D型的内燃机车，内燃车由多部分组成，其中控制系统是整个内燃机车的核心部分。随着电气时代的来临，控制系统主要是通过电气控制，进而为内燃机车提供能量，此能量包括机车的动力以及车内部的自用电。目前国内的内燃机车主要采用AC-DC电力传动装置，即由交流发电机以及直流电动机组成。AC-DC电传动内燃机车的原理图如图1所示。

图1 AC-DC电传动内燃机车原理图

其中GS为东风4D型内燃机车的主发电机，发电机的转子通过联轴器和柴油机联系，电力传动装置包括主电路接地、发电机过流、电阻制动过流等保护环节，来保证内燃机车的正常运行。同时，机车还有锅炉控制柜来保证锅炉的正常使用。

1 机车柴油机的启动控制

机车在启动之前应对燃油、滑油以及水管路以及阀门的位置做相应的检查，相应的要求如表1所示。

表1 机车柴油机启动要求

本文所述的燃油机车的启动方式为由蓄电池持续供电的串励电动机方式进行启动。每次燃油车的启动都耗费蓄电池的大量电能，再加上柴油机燃烧不够充分，会造成严重的排放污染，在我国北方，冬季时节会出现电动机的启动困难，严重时会导致机车爆燃现象。机车的启动装置在每次启动之前延时一分钟左右供给滑油和燃油，机油压力建立前，起动电机不能停止工作，这个过程操纵人员通过主动观察来判断是否应该启动，依据较为主观，出错率高。

启动过程中若将油过早注入气缸中，那么此时的柴油机仍然处于低速运转，此时喷出的油的质量较差，温度低的油还会降低机车气缸内的温度，使得点火时间延迟，尤其在冬季，经常打火失败。而且这种控制方式会使得每次启动的过程中都伴随着巨大的能耗，排出大量污染性气体。当柴油机点火成功后蓄电池不会主动停止工作，而是会继续持续地向电机进行供电。而且每次打火失败后需要将所有操作重新开始做，因此可能会造成时间和能量上的浪费[1]，基本电路如图2所示。

图2 柴油机启动电路原理图

由图2可以看出，启动接触器QC在整个启动过程中持续对电机和油泵进行控制。柴油机的启动可以分为四个阶段，分别为准备、柴油机驱动转动、点火、稳定运转四大部分，其中稳定运转的前提是要建立油压。柴油机管路中的油压状况直接能决定启动接触器是否带电，本文将机油压力和燃油压力作为控制信号。这样在无法建立压力的情况下就不会让柴油机启动，进而可以缩短启动时间，同时也可以节约大量的能量。

一般情况下，柴油机车启动时的点火转速应该低于150 r/min，若点火后立即切除蓄电池的供电，既可以节省蓄电池的电能，还可以降低柴油机启动中的转速冲击[2]。基于以上分析，采用通过设计PLC程序的方式可以针对柴油机启动过程中的四个阶段进行精确控制。

2 机车的无级调速控制

现如今的柴油机调速控制方式大多都采用PID控制[3]。本文所设计的内燃机车上的调速系统如图3所示。

图3 机车无极调速系统

内燃机车上采用的无极调速是通过调速器中的电机驱动伞齿轮，进而让蜗杆被带动，调节联合调节器的弹簧压缩高度，即改变了联合杠杆的稳定位置，这样，就可以改变供油量，通过供油量来进一步控制柴油机的转速。经过此设计可以让柴油机的转速在430~1 000 r/min任意调节，进而完成调速的功能。

无级调速系统的执行元件采用六级反应式步进电机。其工作原理是通过将脉冲的模拟信号转化为角位移的数字信号进行电磁控制。步进电机的转速为60×工频/控制绕组数×齿数×状态系数。若系统确定下来了，则进步机的转速就确定下来了。无级调速的电子箱主要是由电源、脉冲发生器、功率驱动器等部分组成，可以控制电机的正反转，正反转的控制是通过三相绕组供给电流的顺序来实现的。

对于不同的生产厂家，东风4D机车上有两种不同的驱动器，分别为西安铁路信号场的驱动器和永济电机厂的驱动器，不同驱动器的控制方式有所不同。西安信号场的驱动电源对电动机供电时，电动机按照3°/步运行，每时每刻都有两相通电。通电方式为AB-BC-CA-AB的控制方式进行供电。若想让电动机反转，则只需要改变电源供电的相位顺序为AC-CB-BA-AC，与此同时电动机的转向还可以进一步改变机车功率调节器上弹簧的压缩高度，进而改变了供油量和柴油机的转速。永宁电动机厂的驱动电源装置对电机供电时，按照1.5°/步的方式运行。其中，正转的供电顺序为A-AB-B-BC-CCA-A；相对应地，反转的供电顺序为A-AC-C-CBB-BA-A。

3 机车的恒功率调节

在内燃机车上，柴油机是与牵引发电机相连的，二者共同组成柴油-发电机组。其中柴油机的有效功率和发电机输出的电功率之间的关系可用下式表示：

式中：PF为牵引发电机的输出功率；Nf为设备损耗功率；Ne为柴油机有效功率；ηf为发电机的效率；ηz为整流柜的效率；UF为发电机输出电压；IF为发电机输出电流。

其中，Nf与列车的状态无关，当转速一定时，辅助功率可认为是常数。ηf与负载电流相关，虽然随着负载的变化ηf也相应有所变化，但是变化比较微小。ηz的数值变化得极其微小，因此可以将其认定为常数。基于以上分析可以得出结论：若要保持额定功率Ne不变，当Nf一定时，发电机的电功率应该是恒定不变的。从原理进行分析可知，若想让柴油机在所有情况下均可以输出恒定功率，则需要满足发电机输出电压和电机输出电流均达到很大的值。但是这只具有理论的可行性，在实际工程中发电机输出电压和电机输出电流的最大值是会受到其额定电压电流所限，无法持续增大。因此，发电机的外特性曲线不是理想的双曲线模型。

恒功率调节的主要目的是为了确保当司机的手柄不发生变化时同步发电机输出的功率一定，当司机手柄不动时柴油机的转速不变，但是在列车行进过程中，所受到的阻力会不断发生变化，在此过程中，恒功率调节仍然可以规避掉阻力变化的因素而持续输出恒定的发电机功率。本文所设计的控制方式为无静差调节控制方式，控制框图如图4所示，图4中，R0为设定值，C为实际值，E为偏差，R为控制值，H为控制模块，M1、M2为分别两个被控对象的输入量。

图4 无静差调节系统控制框图

在此系统中用来测速的发电机和励磁机将不平衡的功率信号进行放大，并将此信号传递给发电机进行励磁，调节功率的电阻模块在收到功率不平衡的信号时会通过历史参数调节自身参数，这两个过程可以分别等效为信号比例放大器和积分器。两个过程相当于无静差调节系统，此调节系统可消除干扰而产生的误差。本文所设计的控制系统原理简单，运行可靠，电路简单。

4 结论

1）本文所设计的东风4D内燃机车电气控制系统原理简单、运行可靠、电路简单。

2）运用该控制系统，可使燃油机启动时间大幅缩短，节约能耗。