机车定置试验台多轴电气同步控制系统

摘要：介绍了机车定置试验台的优点及其工作原理，提出了针对8K型电力机车定置试验台的励磁电流单闭环调节系统，解决了励磁调节系统的多轴电气同步控制以及电压、电流限制等间题。 关键词：多轴电气同步 励磁调节 限制 定置试验台 1 引言 各种可进行机车运行试验的试验台的建成，为机务段机车检修过程的中间试验和验收前的检测提供了条件。机车定置试验台用于把机车定置在试验室内，重现机车在线路上的运行状态，以便对所试机车的牵引性能及参数进行测量和分析。经过实践，证实了机车定置试验台试验与线路运行试验相比具有如下优点： 1)试验周期短，试验成本低； 2)具有良好的重复性； 3)可任意设定工况进行加载试验。 为了使各轨道滚轮同步，即使各轨道滚轮的转速相同，可对机车定置试验台进行同步控制。同步控制有两种方式：一种是机械上的同步，即机械同步；另一种是对电路的控制实现同步，即电气同步。本文提出了针对8K型电力机车定置试验台的励磁电流单闭环调节系统，多轴同步采用电气同步控制方式，通过改变测功电机励磁电流的大小，调节加载在电机上的阻力矩，从而实现多轴的转速同步。 2 主电路及其工作原理 机车车辆在线路上运行时，各车轮的线速度相同，这要求机车定置试验台各滚轮的线速度相同，在其直径相等的条件下，则要求滚轮的转速相同。其次，为了实现4轴机车或动车稳定的牵引工况，要求滚轮提供与车轮牵引力大小相等的制动力即牵引负荷，而模拟其稳定的动力制动工况则需要滚轮提供与车轮制动力相当的驱动力即推送动力。 本试验台具有4组轨道轮对，各备一套采用直流电机的测功机组。本文仅对机车定置试验台制动工况进行设计和分析。机车定置试验台制动工况时的主电路原理如图1所示。 图1 主电路原理图 测功电机的励磁由晶闸管整流器供电，采用电子元件无级调节。测功电机在做被试机车的牵引试验时，用作发电机来吸收机车功率。通过调节发电机励磁电流来改变制动转矩，以达到改变机车速度的目的。其电流通过转换开关K1,K2,K3与制动电阻R相连。每台电机用4个元件，由3个转换开关使4个元件串联得到4档不同的电阻值，以扩大速度的调节范围。该试验台安装8K型机车上用的TAO6490D型电机，但由原来的串励改为他励。 3 励磁调节系统 3.1 励磁调节方式的选择 对于大功率的机车定置试验台来说，恒励磁制动和恒速制动较为适合。从8K型电力机车、部分其他电力机车和内燃机车的牵引特性的比较来看（见图2），对图2a所示的8K型电力机车完全适合恒励磁调节，在励磁电流较小时不会出现飞速问题；而图2b所示的机车则不然，只适合恒速调节。与传统的转速外环、电流内环的双闭环调节方式相比，励磁电流单闭环调节方式较为简单，系统稳定性好。对面向准恒速型电力机车中修的本试验台而言，又克服了励磁电流单闭环调节系统的轻载飞速问题，本系统采用了励磁电流单闭环调节方式。 图2 牵引特性的比较 3.2 励磁电流单闭环调节系统工作原理 机车定置试验台制动工况时的励磁电流单闭环调节系统（在此只示出两台电机的情况，4台与此类似，图3中α为2,3,4中的任一个）框图如图3所示。工作原理如下。 图3 励磁电流单闭环调节系统框图 被试机车的励磁电流给定值为IL。励磁电流反馈值ILf取自霍尔效应电流传感器HLL，与励磁电流指令相比较，其差值输人到励磁电流调节器LT,其输出通过输出器SCT及控制触发器CT,去触发晶闸管励磁整流器SCR，通过改变励磁电流的大小来达到改变测功电机转矩的目的，从而实现速度的自动调节。 在某一给定的励磁电流下，若某测功电机的实际励磁电流因故降低，则产生的励磁电流偏差使LT产生正的输出电压，从而晶闸管整流器SCR产生很大的整流电压，使得实际励磁电流增大直至等于给定的励磁电流值；若某测功电机的实际励磁电流因故上升，则产生的励磁电流偏差使LT产生负的输出电压，从而晶闸管整流器SCR产生的整流电压减小，使得实际励磁电流下降直至与给定的励磁电流值相等。也就是说，对于任一给定的励磁电流值，通过闭环控制均可保持ILx为一恒定值，不受外界条件，如网压波动、主极绕组温升等的影响。 3.3 多轴同步控制工作原理 试验台用4个滚轮模拟同一根钢轨，在滚轮直径相同时，应使它们旋转同步，这就产生了对4台电机进行励磁电流控制，使滚轮转速相同的要求。 系统各轮对转速的同步运行，是通过同步速度调节器TT来实现的。被调测功电机正极性的转速信号nx与指定标准测功电机负极性的转速信号n1同时送于TT的输入端进行比较。当被调测功机组的轨道轮对转速等于指定标准测功机组的轨道轮对转速时，TT输出不变。当被调测功机组的轨道轮对转速低于标准测功机组的轨道轮对转速，即欠速时,TT输出励磁电流补偿信号减小，使得被调测功电机的励磁电流减小，制动转矩减小，迫使被调机组的轨道轮对转速升高，直至被调测功机组轨道轮对转速等于标准测功机组的轨道轮对转速为止；同理，当被调测功机组的轨道轮对转速高于标准测功机组的轨道轮对转速，即超速时，TT输出励磁电流补偿信号增大，使得被调测功电机的励磁电流增大，制动转矩增大，迫使被调机组的轨道轮对转速降低，直至被调测功机组轨道轮对转速等于标准测功机组的轨道轮对转速为止。 4 多轴同步控制及限制环节的实现 4.1 多轴同步控制 在励磁调节过程中，必须满足同步速度调节器TT的输出ILBx对牵引励磁给定调节器LGT的输出ILg没有影响或者影响很小。在保证系统能正常稳定工作的前提下，提高相对的静态精度。这样就要求同步转速调节器的输出不应有超调。故可以选用PI型比例积分调节器，见图4,被调测功电机正极性的转速信号与指定标准测功电机负极性的转速信号在图4中分别用nx和n1表示，输出为负极性的励磁电流补偿信号ILBx。 图4 同步速度调节电路 4.2 限制环节 为了限制励磁电流、电枢电流及电枢电压之最大值，系统设有限制环节。这几个限制环节基本原理相同，下面通过分析励磁电流限制环节来介绍以上各限制环节的实现。由以上介绍可知，本试验台具有4组轨道轮对，各备一套采用直流电机的测功机组。通过霍尔效应电流互感器检测各组的励磁电流，共得到4组正极性的励磁电流信号IL1～IL4，这些正极性的励磁电流信号通过最大励磁电流信号选择器ZDLL,得到正极性的最大励磁电流信号ILmax，与设定的负极性的最大励磁电流限制信号ILlim同时送到励磁电流限制环节XLL的输入端进行比较。当正极性的最大励磁电流信号ILmax小于或者等于负极性的最大励磁电流限制信号ILlim时，反并联的二极管D导通，XLL无输出；当正极性的最大励磁电流信号ILmax大于负极性的最大励磁电流限制信号ILlim时，XLL输出负电压信号，相当于减小了励磁电流的给定值，从而实现了对励磁电流的限制。 最大励磁电流信号选择器ZDLL可通过4组并联的二极管构成，如图5a所示。通过霍尔效应电流互感器检测得到的4组正极性的励磁电流信号IL1～IL4分别通过4组并联的二极管，只有最大的励磁电流信号通过的二极管导通，其余的二极管将因两端的反电势差而截止，从而得到正极性的最大励磁电流信号ILmax,实现了最大励磁电流信号选择器的功能。 根据以上分析的励磁电流限制环节的工作原理及特性，最大励磁电流限制环节XLL可由一带钳位二极管的PI型调节器组成，如图5b所示。其中ILlim为给定最大励磁电流限制信号，最大励磁电流信号ILmax取自最大励磁电流信号选择器ZDLL。 图5 限制环节的实现 5 结束语 本文介绍了适用于机务段检修用的针对准恒速型电力机车的机车定置试验台。对于机务段来说，机车定置试验台的投人使用，可以大大节省其检修成本，具有很好的实用性。 由于时间和试验条件的限制，仅进行了机车牵引工况的初步设计和试验调试，对于机车制动工况时机车定置试验台的励磁调节系统还有待于做进一步的研究。