CN103490674A - 交流内燃机车柴油机变频起动控制系统及系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统，包括：蓄电池、第一接触器、第二接触器、第三接触器、二极管、电容、斩波控制电路、逆变器、同步发电机、柴油机、电压电流信号处理电路、位置信号处理电路、驱动控制系统、机车控制系统和接触器驱动电路。本发明还公开了一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统设计方法。本发明通过设计二极管和电容，能够实现当系统出现故障，存在电流反充时，通过二极管的单向导通特性阻断电流对蓄电池的反充，同时通过故障保护逻辑，防止电流完全反充给电容。通过对系统中的蓄电池、同步发电机和逆变器的设计，能够实现从系统的角度来进行最佳的匹配设计，为交流内燃机车电气牵引系统的设计提供了依据。

Description

交流内燃机车柴油机变频起动控制系统及系统设计方法

技术领域

本发明涉及交流内燃机车柴油机变频起动技术领域，更具体地说，涉及一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统及系统设计方法。

背景技术

在交流内燃机车等场合，可以利用其本身的牵引逆变器来驱动柴油机-同步发电机机组中的同步发电机电动运行，进而实现柴油机起动，这样就能省去专用起动电机和齿轮箱的投资和空间布置。

现有的同步发电机变频起动柴油机方案，根据同步发电机励磁回路和电枢回路的连接方式，可以分为串励和并励两种。在串励方案中，同步发电机作为直流无换向器电动机工作于电动状态，励磁绕组需要并联分流电阻实现串励控制，该控制方案已经在实际中广泛应用，其原理简单，但是需要额外的电阻来控制励磁，且励磁的控制范围较窄，电机转矩控制的效果比较粗放，系统的输出电流较大。而关于并励方案，虽然在驱动逆变器的电路拓扑以及同步发电机的控制方面已经提出了一些方案，但是还缺乏真正实用的高性能的系统解决方案。且现有方案中的变频起动控制方法都是在假设柴油机变频起动系统已经优化设计的前提下实现的，而实际上，在交流内燃机车中，同步发电机变频起动柴油机系统只是整个电气牵引系统设计的一个附属产物，在设计中并没有获得足够的重视，缺乏一个系统的设计计算方法。

内燃机车中，在柴油发电机组正常发电之前，系统中所有部件的供电都是由蓄电池承担，这些部件包括控制机箱、逆变器驱动电路、起机运行时逆变器直流母线电压、同步发电机的励磁回路以及柴油机电喷控制器等其他设备。因此，对蓄电池的保护和有效使用至关重要。但是现有的并励模式变频起动控制方案中，并没有考虑这方面的功能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统及系统设计方法，实现了从系统角度来进行最佳匹配设计的目的，为交流内燃机车电气牵引系统的设计提供了依据，同时提出了防止蓄电池反充电流的保护系统，简单可靠，适合工程应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统，包括：蓄电池、第一接触器、第二接触器、第三接触器、二极管、电容、斩波控制电路、逆变器、同步发电机、柴油机、电压电流信号处理电路、位置信号处理电路、驱动控制系统、机车控制系统和接触器驱动电路；其中：

所述第一接触器由两个通断状态完全相同的接触器组成，其中一个接触器的一端与蓄电池的正极连接，另一端与所述二极管的阳极连接，另一个接触器的一端与蓄电池的负极连接，另一端与所述电容连接；

所述电容一端与所述二极管的阴极连接，为电容的正极，另一端与所述第一接触器连接，为电容的负极；

所述斩波控制电路的一端与所述二极管的阴极连接，另一端与所述电容负极连接，输出端与所述第三接触器连接；

所述逆变器一端与所述二极管的阴极连接，另一端与所述电容的负极连接；

所述第二接触器一端与所述逆变器连接，另一端与所述同步发电机连接；

所述同步发电机分别与所述位置信号处理电路、所述柴油机及所述第三接触器连接；

所述第三接触器由两个通断状态完全相同的接触器组成，其中一个接触器的一端与所述同步发电机连接，另一端与所述电容负极连接，另一个接触器的一端与所述同步发电机连接，另一端与所述斩波控制电路连接；

所述电压电流信号处理电路分别与所述电容、斩波控制电路、逆变器和驱动控制系统连接；

所述位置信号处理电路分别与所述同步发电机和驱动控制系统连接；

所述接触器驱动电路分别与所述驱动控制系统、第一接触器、第二接触器和第三接触器连接；

所述机车控制系统与所述驱动控制系统连接。

一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统设计方法，包括：

选取柴油机起机过程的最大控制速度n_max；

选取蓄电池的最低工作电压u_dcmin；

根据柴油机的阻转矩特性曲线查出最大控制速度n_max下的阻转矩T_Lnmax；

计算最大控制速度n_max下的电磁转矩T_enmax；

根据最大控制速度n_max和电磁转矩T_enmax计算同步发电机的最大输出功率P_o；

根据经验系数k_e和最大输出功率P_o选择蓄电池输出功率P_c；

根据蓄电池输出功率P_c和蓄电池的最低工作电压u_dcmin计算出蓄电池的最大输出电流I_dmax；

输出蓄电池输出功率P_c、蓄电池的最大输出电流I_dmax和蓄电池的最低工作电压u_dcmin作为蓄电池设计的输入；

设定起动时间t_s和阻转矩平均值T_Lav，根据起动时间t_s和阻转矩平均值T_Lav计算出同步发电机平均电磁转矩T_av；

根据电磁转矩T_enmax和平均电磁转矩T_av计算期望的同步发电机最大输出转矩T_emax；

根据蓄电池的最低工作电压u_dcmin计算出同步发电机的最大输出相电压u_max；

根据最大输出相电压u_max、最大输出功率P_o和电磁转矩T_enmax计算出同步发电机恒转矩区定子磁链幅值和极对数的乘积p*Ψ；

根据裕量系数k_c、最大输出相电压u_max和最大输出功率P_o，根据公式I_rmsmax=1.414*P_o/3/u_max*k_c计算出同步发电机的最大输出电流有效值I_rmsmax；

输出最大控制速度n_max、电磁转矩T_enmax、最大输出功率P_o、同步发电机恒转矩区定子磁链幅值和极对数的乘积p*Ψ和同步发电机的最大输出电流有效值I_rmsmax作为同步发电机设计的约束；

输出同步发电机的最大输出电流有效值I_rmsmax作为逆变器设计的约束。

优选地，所述计算最大控制速度n_max下的电磁转矩T_enmax具体为：

根据公式T_enmax=k_r*T_Lnmax计算出电磁转矩T_enmax，其中：k_r为裕量系数。

优选地，所述根据最大控制速度n_max和电磁转矩T_enmax计算同步发电机的最大输出功率P_o具体为：

根据公式P_o=n_max*T_enmax/9.55计算出同步发电机的最大输出功率P_o。

优选地，所述根据经验系数k_e和最大输出功率P_o选择蓄电池输出功率P_c具体为：

根据公式P_c=P_o*k_e计算出蓄电池输出功率P_c。

优选地，所述根据蓄电池输出功率P_c和蓄电池的最低工作电压u_dcmin计算出蓄电池的最大输出电流I_dmax具体为：

根据公式I_dmax=P_c/u_dcmin计算出蓄电池的最大输出电流I_dmax。

优选地，所述设定起动时间t_s和阻转矩平均值T_Lav，根据起动时间t_s和阻转矩平均值T_Lav计算出同步发电机平均电磁转矩T_av具体为：

设定期望的起动时间t_s和阻转矩平均值T_Lav，结合柴油机转动惯量J的经验值，根据同步发电机电磁转矩T_e和阻转矩T_L的机械转矩方程关系式

计算得出起动过程同步发电机平均电磁转矩T_av=（n_max-0）/9.55/（t_s-0）*J+T_Lav。

优选地，所述根据电磁转矩T_enmax和平均电磁转矩T_av计算期望的同步发电机最大输出转矩T_emax具体为：

根据公式T_emax=2*T_av-T_enmax计算出期望的同步发电机最大输出转矩T_emax。

优选地，所述根据蓄电池的最低工作电压u_dcmin计算出同步发电机的最大输出相电压u_max具体为：

根据蓄电池最低工作电压u_dcmin，考虑0.95的控制裕量，根据公式u_max=0.95*u_dcmin/1.732计算出同步发电机的最大输出相电压u_max。

优选地，所述根据最大输出相电压u_max、最大输出功率P_o和电磁转矩T_enmax计算出同步发电机恒转矩区定子磁链幅值和极对数的乘积p*Ψ具体为：

根据公式p*Ψ=u_max/(P_o/T_emax)计算出同步发电机恒转矩区定子磁链幅值和极对数的乘积p*Ψ。

从上述的技术方案可以看出，本发明公开的一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统及系统设计方法，通过在系统中设计二极管和电容，能够实现当系统出现故障，存在电流反充时，通过二极管的单向导通特性阻断电流对蓄电池的反充，同时通过故障保护逻辑，防止电流完全反充给电容。通过对系统中的蓄电池、同步发电机和逆变器的设计，能够实现从系统的角度来进行最佳的匹配设计，为交流内燃机车电气牵引系统的设计提供了依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统的电路示意图；

图3为本发明公开的柴油机起机运行控制逻辑流程图；

图4为本发明公开的蓄电池保护逻辑流程图；

图5为本发明实施例公开的一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统设计方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统及系统设计方法，实现了从系统角度来进行最佳匹配设计的目的，为交流内燃机车电气牵引系统的设计提供了依据，同时提出了防止蓄电池反充电流的保护系统，简单可靠，适合工程应用。

如图1所示，一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统，包括：蓄电池、第一接触器、第二接触器、第三接触器、二极管、电容、斩波控制电路、逆变器、同步发电机、柴油机、电压电流信号处理电路、位置信号处理电路、驱动控制系统、机车控制系统和接触器驱动电路；其中：

第一接触器由两个通断状态完全相同的接触器组成，其中一个接触器的一端与蓄电池的正极连接，另一端与所述二极管的阳极连接，另一个接触器的一端与蓄电池的负极连接，另一端与所述电容连接；电容一端与二极管的阴极连接，为电容的正极，另一端与第一接触器连接，为电容的负极；斩波控制电路的一端与二极管的阴极连接，另一端与电容负极连接，输出端与所述第三接触器连接；逆变器一端与二极管的阴极连接，另一端与电容的负极连接；第二接触器一端与逆变器连接，另一端与同步发电机连接；同步发电机分别与位置信号处理电路、柴油机及第三接触器连接；第三接触器由两个通断状态完全相同的接触器组成，其中一个接触器的一端与同步发电机连接，另一端与电容负极连接，另一个接触器的一端与同步发电机连接，另一端与斩波控制电路连接；电压电流信号处理电路分别与电容、斩波控制电路、逆变器和驱动控制系统连接；位置信号处理电路分别与同步发电机和驱动控制系统连接；接触器驱动电路分别与驱动控制系统、第一接触器、第二接触器和第三接触器连接；机车控制系统与驱动控制系统连接。

下面结合图2对本发明公开的交流内燃机车柴油机变频起动控制系统的工作原理作详细的描述。

如图2所示，蓄电池的作用为给整个系统提供电源，逆变器主电路中，二极管D1的作用为防止逆变器对蓄电池反充电流，电容C的作用为滤波和支撑，IGBT功率模块T1-T6构成三相两电平逆变器，逆变器完成逆变功能，IGBT功率模块T7和T8实现励磁电流的斩波控制，第一接触器KM1、第二接触器KM2和第三接触器KM3三个接触器实现起机系统的投切；电压电流信号处理电路检测同步发电机两相电流ia和ib、励磁电流if_fdb以及中间直流电压udc，并将这些信号调理后，送给驱动控制系统采集；位置信号处理电路将采集到的脉冲信号处理成周期性变化的信号给驱动控制系统读取；接触器驱动电路接收驱动控制系统的开通、关断指令，将其放大去驱动第一接触器KM1、第二接触器KM2和第三接触器KM3的通断；机车控制系统完成对整车系统的监测和控制，起机控制系统是否能够运行，由其下发给驱动控制系统的命令来决定，同时驱动控制系统将柴油机起动系统的运行状态反馈给机车控制系统；驱动控制系统是整个控制系统的核心，接触器的闭合关断命令以及故障保护逻辑都由其完成。

柴油机起机运行控制逻辑由机车控制系统中的整车控制系统完成，其实现方法如图3所示。在图3中，整车控制系统首先判断是否接收到起机命令，当接收到起机命令后，判断柴油机组是否已经最好准备，若柴油机组已做好准备，则切换开关到起机位，发起机命令，并开始15s定时，然后判断在15s内是否收到起机完成反馈，若收到起机完成反馈则切换开关到正常位，完成起机。起机完成反馈信号的判断，是通过同步电机控制程序来判断机组的当前转速，如超过设定的转速例如140r/min，则认为起机成功，停止控制程序运行，给整车控制系统发起机完成反馈信号。

在柴油机组实际已达到设定速度，且点火成功，转速开始向400r/min的正常运行转速升高时，这时，如果控制程序检测的速度信号出现错误，没有判断出起机成功，就会继续发出控制指令控制电枢电流和励磁电流，当然，随着转速的升高，电机反电势势必升高，引起过流。这样，在点火成功到系统检测到过流故障开始封锁逆变器这段时间内，如果蓄电池后端没有串接如图2中所示的二极管D1，T1-T6组成的逆变器中IGBT处在阻断状态，由和其反并联的二极管组成的整流电路整流运行，电机开始给蓄电池反充电流，引起蓄电池电压上升。

为了防止上述故障情况下对蓄电池的冲击电流，如图2所示，在第一接触器KM1和支撑电容C的正端之间串接一个正向二极管D1，当系统正常工作时，蓄电池通过正向二极管D1给后续电路供电，当系统出现故障，存在电流反充时，正向二极管D1单向通过电流的特性阻断了电流对蓄电池的反充，保护了蓄电池。

但是，由于电容C的容量限制，如果将电流完全反充给电容，也是不允许的。这时，采用如图4所示的故障保护逻辑，实时监视电容电压udc，当电容电压低于预设的保护门槛时，不影响系统工作，当检测到电容电压超过门槛值时，立即发故障信号，封锁控制系统，并立即发指令跳开第一接触器KM1和第二接触器KM2，使电机电枢绕组和逆变器完全脱离，不再给逆变器反充电流。而第三接触器KM3并不允许突然跳开，因为励磁绕组与电枢绕组相比，一般匝数较少，如果第三接触器KM3突然跳开，励磁回路电流会突变，励磁回路上会产生较高的电压，同时会在电机电枢绕组上感应出很高电压。

在同步电机变频起动柴油机系统中，比较关键的几个部件就是柴油机、同步发电机、牵引变频器、蓄电池以及驱动控制系统，其中驱动控制系统只要能完成需要的功能即可，不需要特殊设计。这里提出的同步电机变频起动柴油机系统设计计算方法，就是在选择好关键部件柴油机后，根据起机系统的要求和柴油机的特性，通过计算确定蓄电池、同步发电机以及逆变器的主要电气参数等设计输入条件的过程，具体的设计方法如图5所示。

如图5所示，一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统设计方法，，包括以下步骤：

S101、选取柴油机起机过程的最大控制速度n_max；

S102、选取蓄电池的最低工作电压u_dcmin；

S103、根据柴油机的阻转矩特性曲线查出最大控制速度n_max下的阻转矩T_Lnmax；

S104、计算最大控制速度n_max下的电磁转矩T_enmax；

S105、根据最大控制速度n_max和电磁转矩T_enmax计算同步发电机的最大输出功率P_o；

S106、根据经验系数k_e和最大输出功率P_o选择蓄电池输出功率P_c；

S107、根据蓄电池输出功率P_c和蓄电池的最低工作电压u_dcmin计算出蓄电池的最大输出电流I_dmax；

S108、输出蓄电池输出功率P_c、蓄电池的最大输出电流I_dmax和蓄电池的最低工作电压u_dcmin作为蓄电池设计的输入；

S109、设定起动时间t_s和阻转矩平均值T_Lav，根据起动时间t_s和阻转矩平均值T_Lav计算出同步发电机平均电磁转矩T_av；

S110、根据电磁转矩T_enmax和平均电磁转矩T_av计算期望的同步发电机最大输出转矩T_emax；

S111、根据蓄电池的最低工作电压u_dcmin计算出同步发电机的最大输出相电压u_max；

S112、根据最大输出相电压u_max、最大输出功率P_o和电磁转矩T_enmax计算出同步发电机恒转矩区定子磁链幅值和极对数的乘积p*Ψ；

S113、根据裕量系数k_c、最大输出相电压u_max和最大输出功率P_o，根据公式I_rmsmax=1.414*P_o/3/u_max*k_c计算出同步发电机的最大输出电流有效值I_rmsmax；

S114、输出最大控制速度n_max、电磁转矩T_enmax、最大输出功率P_o、同步发电机恒转矩区定子磁链幅值和极对数的乘积p*Ψ和同步发电机的最大输出电流有效值I_rmsmax作为同步发电机设计的约束；

S115、输出同步发电机的最大输出电流有效值I_rmsmax作为逆变器设计的约束。

具体的，步骤S104中计算最大控制速度n_max下的电磁转矩T_enmax具体为：根据公式T_enmax=k_r*T_Lnmax计算出电磁转矩T_enmax，其中：k_r为裕量系数。

具体的，步骤S105中根据最大控制速度n_max和电磁转矩T_enmax计算同步发电机的最大输出功率P_o具体为：

根据公式P_o=n_max*T_enmax/9.55计算出同步发电机的最大输出功率P_o。

具体的，步骤S106中根据经验系数k_e和最大输出功率P_o选择蓄电池输出功率P_c具体为：

根据公式P_c=P_o*k_e计算出蓄电池输出功率P_c。

具体的，步骤S107中根据蓄电池输出功率P_c和蓄电池的最低工作电压u_dcmin计算出蓄电池的最大输出电流I_dmax具体为：

根据公式I_dmax=P_c/u_dcmin计算出蓄电池的最大输出电流I_dmax。

具体的，步骤S109中设定起动时间t_s和阻转矩平均值T_Lav，根据起动时间t_s和阻转矩平均值T_Lav计算出同步发电机平均电磁转矩T_av具体为：

设定期望的起动时间t_s和阻转矩平均值T_Lav，结合柴油机转动惯量J的经验值，根据同步发电机电磁转矩T_e和阻转矩T_L的机械转矩方程关系式

计算得出起动过程同步发电机平均电磁转矩T_av=（n_max-0）/9.55/（t_s-0）*J+T_Lav。

具体的，步骤S110中根据电磁转矩T_enmax和平均电磁转矩T_av计算期望的同步发电机最大输出转矩T_emax具体为：

根据公式T_emax=2*T_av-T_enmax计算出期望的同步发电机最大输出转矩T_emax。

具体的，步骤S111中根据蓄电池的最低工作电压u_dcmin计算出同步发电机的最大输出相电压u_max具体为：

根据蓄电池最低工作电压u_dcmin，考虑0.95的控制裕量，根据公式u_max=0.95*u_dcmin/1.732计算出同步发电机的最大输出相电压u_max。

具体的，步骤S112中根据最大输出相电压u_max、最大输出功率P_o和电磁转矩T_enmax计算出同步发电机恒转矩区定子磁链幅值和极对数的乘积p*Ψ具体为：

根据公式p*Ψ=u_max/(P_o/T_emax)计算出同步发电机恒转矩区定子磁链幅值和极对数的乘积p*Ψ。

下面以12V280柴油机为例，来描述同步电机变频起动柴油机系统的设计计算方法。具体的，首先选取柴油机起机过程的最大控制速度n_max，达到该速度时，即认为柴油机可以可靠点火，退出起动控制，这里n_max=140r/min；

然后选取蓄电池的输出电压，一般选为标准的直流110V，考虑负载条件下的电压下降，选择蓄电池最低工作电压u_dcmin，作为设计输入，根据GB/T25119-2010，内燃机车中DCU控制机箱工作电压最低110*70%=77V，这里选择u_dcmin=85V；

然后查出12V280柴油机的阻转矩曲线，其静态阻转矩为3430Nm，在最高速度n_max下的阻转矩T_Lnmax=3150Nm；

然后考虑留有加速度裕量，可选择最高速度n_max下的电磁转矩T_enmax=k_r*T_Lnmax，这里k_r是裕量系数，根据设计输入，n_max=140r/min时，T_Lnmax=3150Nm，选取k_r=1.35，有T_enmax=1.35*T_Lnmax=4252Nm；

然后由同步电机的转矩-转速特性曲线，根据最高速度n_max和其对应的T_enmax，可以计算出同步电机最大输出功率P_o=n_max*T_enmax/9.55，这里，P_o=62.337kW；

然后考虑励磁功率和其它供电功率，以k_e为经验系数，按照P_c=P_o*k_e的原则来选取蓄电池输出功率，实际设计时，励磁功率的大小有经验数值可循，而其它的设备需要的供电功率在进行其系统设计时已经确定，可以作为本系统的设计输入，这里，选取k_e=1.35进行简化计算，得到P_c=P_o*1.35=84.155kW；然后考虑蓄电池负载时，最低电压u_dcmin=85V，则可以确定蓄电池最大输出电流为I_dmax=P_c/u_dcmin，这里，I_dmax=900A；

然后将得到的蓄电池几个关键电气参数最大输出功率P_c、最大输出电流I_dmax以及最低工作电压u_dcmin，作为蓄电池设计的输入；

然后设定期望的起动时间t_s，结合柴油机转动惯量J的经验值，根据电机电磁转矩T_e和阻转矩T_L的机械转矩方程关系式可以计算得出起动过程电机平均电磁转矩T_av=（n_max-0）/9.55/（t_s-0）*J+T_Lav，其中T_Lav代表阻转矩的平均值，这里选择T_Lav=3000Nm、J=1241Nm/(rad/s²)、t_s=5s，则T_av=6638Nm；然后由T_enmax和T_av，通过简单的线性化，可以得到期望的电机最大输出转矩T_emax=2*T_av-T_enmax，本例中，有T_emax=9025Nm；

然后根据蓄电池最低工作电压u_dcmin，考虑0.95的控制裕量，可以认为电机最大输出相电压u_max=0.95*u_dcmin/1.732，本例中u_max=46V；

然后由u_max，可以将电机恒转矩区定子磁链幅值和极对数的乘积，设计为p*Ψ=u_max/(P_o/T_emax)，考虑电机控制算法可以将电机功率因数控制为1，电机最大输出电流有效值为I_rmsmax=1.414*P_o/3/u_max*k_c，其中k_c为裕量系数，本例中，p*Ψ=6.66wb，选择k_c=1.25，则电机电流I_rmsmax=800A；

然后将计算得到的n_max、T_enmax、P_o、p*Ψ和I_rmsmax作为同步发电机设计时的设计约束条件；

最后逆变器设计时，其直流母线电压限制受正常牵引工况时的条件约束，一般在1500V左右，而I_rmsmax作为电流限制条件与正常牵引工况下的电流限制条件共同形成逆变器设计约束条件。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统，其特征在于，包括：蓄电池、第一接触器、第二接触器、第三接触器、二极管、电容、斩波控制电路、逆变器、同步发电机、柴油机、电压电流信号处理电路、位置信号处理电路、驱动控制系统、机车控制系统和接触器驱动电路；其中：

所述第一接触器由两个通断状态完全相同的接触器组成，其中一个接触器的一端与蓄电池的正极连接，另一端与所述二极管的阳极连接，另一个接触器的一端与蓄电池的负极连接，另一端与所述电容连接；

所述电容正极与所述二极管的阴极连接，负极与所述第一接触器连接；

所述斩波控制电路的一端与所述二极管的阴极连接，另一端与所述电容的负极连接，输出端与所述第三接触器连接；

所述逆变器一端与所述二极管的阴极连接，另一端与所述电容的负极连接；

所述第二接触器一端与所述逆变器连接，另一端与所述同步发电机连接；

所述同步发电机分别与所述位置信号处理电路、所述柴油机及所述第三接触器连接；

所述第三接触器由两个通断状态完全相同的接触器组成，其中一个接触器的一端与所述同步发电机连接，另一端与所述电容负极连接，另一个接触器的一端与所述同步发电机连接，另一端与所述斩波控制电路连接；

所述电压电流信号处理电路分别与所述电容、斩波控制电路、逆变器和驱动控制系统连接；

所述位置信号处理电路分别与所述同步发电机和驱动控制系统连接；

所述接触器驱动电路分别与所述驱动控制系统、第一接触器、第二接触器和第三接触器连接；

所述机车控制系统与所述驱动控制系统连接。

2.一种交流内燃机车柴油机变频起动控制系统设计方法，其特征在于，包括：

选取柴油机起机过程的最大控制速度n_max；

选取蓄电池的最低工作电压u_dcmin；

根据柴油机的阻转矩特性曲线查出最大控制速度n_max下的阻转矩T_Lnmax；

计算最大控制速度n_max下的电磁转矩T_enmax；

根据最大控制速度n_max和电磁转矩T_enmax计算同步发电机的最大输出功率P_o；

根据经验系数k_e和最大输出功率P_o选择蓄电池输出功率P_c；

根据蓄电池输出功率P_c和蓄电池的最低工作电压u_dcmin计算出蓄电池的最大输出电流I_dmax；

输出蓄电池输出功率P_c、蓄电池的最大输出电流I_dmax和蓄电池的最低工作电压u_dcmin作为蓄电池设计的输入；

设定起动时间t_s和阻转矩平均值T_Lav，根据起动时间t_s和阻转矩平均值T_Lav计算出同步发电机平均电磁转矩T_av；

根据电磁转矩T_enmax和平均电磁转矩T_av计算期望的同步发电机最大输出转矩T_emax；

根据蓄电池的最低工作电压u_dcmin计算出同步发电机的最大输出相电压u_max；

根据最大输出相电压u_max、最大输出功率P_o和电磁转矩T_enmax计算出同步发电机恒转矩区定子磁链幅值和极对数的乘积p*Ψ；

根据裕量系数k_c、最大输出相电压u_max和最大输出功率P_o，根据公式I_rmsmax=1.414*P_o/3/u_max*k_c计算出同步发电机的最大输出电流有效值I_rmsmax；

输出最大控制速度n_max、电磁转矩T_enmax、最大输出功率P_o、同步发电机恒转矩区定子磁链幅值和极对数的乘积p*Ψ和同步发电机的最大输出电流有效值I_rmsmax作为同步发电机设计的约束；

输出同步发电机的最大输出电流有效值I_rmsmax作为逆变器设计的约束。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算最大控制速度n_max下的电磁转矩T_enmax具体为：

根据公式T_enmax=k_r*T_Lnmax计算出电磁转矩T_enmax，其中：k_r为裕量系数。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据最大控制速度n_max和电磁转矩T_enmax计算同步发电机的最大输出功率P_o具体为：

根据公式P_o=n_max*T_enmax/9.55计算出同步发电机的最大输出功率P_o。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据经验系数k_e和最大输出功率P_o选择蓄电池输出功率P_c具体为：

根据公式P_c=P_o*k_e计算出蓄电池输出功率P_c。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据蓄电池输出功率P_c和蓄电池的最低工作电压u_dcmin计算出蓄电池的最大输出电流I_dmax具体为：

根据公式I_dmax=P_c/u_dcmin计算出蓄电池的最大输出电流I_dmax。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述设定起动时间t_s和阻转矩平均值T_Lav，根据起动时间t_s和阻转矩平均值T_Lav计算出同步发电机平均电磁转矩T_av具体为：

设定期望的起动时间t_s和阻转矩平均值T_Lav，结合柴油机转动惯量J的经验值，根据同步发电机电磁转矩T_e和阻转矩T_L的机械转矩方程关系式

计算得出起动过程同步发电机平均电磁转矩T_av=（n_max-0）/9.55/（t_s-0）*J+T_Lav。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据电磁转矩T_enmax和平均电磁转矩T_av计算期望的同步发电机最大输出转矩T_emax具体为：

根据公式T_emax=2*T_av-T_enmax计算出期望的同步发电机最大输出转矩T_emax。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据蓄电池的最低工作电压u_dcmin计算出同步发电机的最大输出相电压u_max具体为：

根据蓄电池最低工作电压u_dcmin，考虑0.95的控制裕量，根据公式u_max=0.95*u_dcmin/1.732计算出同步发电机的最大输出相电压u_max。

10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据最大输出相电压u_max、最大输出功率P_o和电磁转矩T_enmax计算出同步发电机恒转矩区定子磁链幅值和极对数的乘积p*Ψ具体为：

根据公式p*Ψ=u_max/(P_o/T_emax)计算出同步发电机恒转矩区定子磁链幅值和极对数的乘积p*Ψ。

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