CN105529974B - 一种内燃机车辅助发电机励磁控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种内燃机车辅助发电机励磁控制系统及控制方法，该系统包括相互连接的PLC控制模块以及励磁控制模块，励磁控制模块包括信号转换单元以及含有多个开关管的逆变单元，PLC控制模块通过PLC实时采集机车柴油机的转速以及辅助发电机的输出电压，进行调节后输出一路PWM信号，经信号转换单元转换为多路驱动信号输出，逆变单元的各个开关管接收驱动信号，驱动将输入电源变换为所需方波电压输出给辅助发电机励磁绕组；该方法通过PLC控制模块控制调节励磁控制模块的输出电压以调节励磁电流。本发明能够实现内燃机车辅助发电机的励磁控制，具有结构简单紧凑、所需成本低、控制操作简单、控制精度高且安全可靠、应用灵活的优点。

Description

一种内燃机车辅助发电机励磁控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及内燃机车控制技术领域，尤其涉及一种内燃机车辅助发电机励磁控制系统及控制方法。

背景技术

在交流辅助系统内燃机车中，机车辅助供电系统一般是由机车配置一个独立辅助发电机进行供电；内燃机车司控器级位分为0～8档或0～16档，机车柴油机则是根据机车司控器的级位工作在不同的转速，辅助发电机采用交流同步发电机，由柴油机曲轴旋转带动，与机车柴油机同步旋转，以将柴油机输出的机械能转化为电能，同时由励磁控制系统控制使得辅助发电机输出电压随机车级位保持U/f恒定线性特性上升，保证机车在不同级位下输出相应的电压值。

目前内燃机车辅助发电机励磁控制通常是基于对辅助发电机输出三相交流电进行整流处理的电路结构，即将辅助发电机输出的三相交流电经过整流后形成直流电压，提供给辅助发电机励磁绕组提供电源。采用该类励磁控制方式，通常电路复杂、成本高且体积重量较大，不便于实际使用及维护；如基于相控整流的励磁控制，将辅助发电机输出的三相交流电经三相相控整流，形成脉动的直流电给辅发励磁绕组提供电源，电路结构复杂且体积重量大，同时还需要配置风冷系统，使用与维护不便，此外基于相控整流时输出直流脉动大，还会导致辅助发电机三相交流电压波形系数品质变差，影响辅助发电机励磁绕组的绝缘寿命。虽然采用单片机实现励磁控制可以减少电路的体积、重量，但仍然需要涉及大量的外围电路，例如信号采集电路等，电路较为复杂、设计及使用并不方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、所需成本低、控制操作简单、控制精度高以及安全可靠、应用灵活的内燃机车辅助发电机励磁控制系统及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种内燃机车辅助发电机励磁控制系统，包括相互连接的PLC控制模块以及励磁控制模块，所述励磁控制模块包括信号转换单元以及含有多个开关管的逆变单元，所述PLC控制模块通过PLC实时采集机车柴油机的转速以及辅助发电机的输出电压，进行调节后输出一路PWM信号，经所述信号转换单元转换为多路驱动信号输出，所述逆变单元的各个开关管接收所述驱动信号，驱动将输入电源变换为所需方波电压输出给辅助发电机励磁绕组。

作为本发明系统的进一步改进：所述信号转换单元包括依次连接的电平转换电路、脉冲分配电路以及开关管驱动输出电路，所述电平转换电路将所述PWM信号转换为所需的电平信号，输出至所述脉冲分配电路，所述脉冲分配电路接收所述电平信号进行脉冲分配，产生多路驱动信号，由所述开关管驱动输出电路输出给各个开关管。

作为本发明系统的进一步改进：所述逆变单元为由两个IGBT模块构成的IGBT单相全桥逆变电路，每个所述IGBT模块包括两个IGBT开关管；所述IGBT开关管安装于散热装置上。

作为本发明系统的进一步改进：所述励磁控制模块还包括用于对输出电流进行限流保护的输出过流保护单元，所述输出过流保护单元与所述逆变单元的输出端连接。

作为本发明系统的进一步改进：所述励磁控制模块还包括用于将机车蓄电池电源转换为所需电源的电源转换单元，所述电源转换单元设置在所述逆变单元的输入端。

作为本发明系统的进一步改进：所述励磁控制模块为由所述信号转换单元、逆变单元集成构成的模块，所述励磁控制模块上设置有对外电气接口，通过所述对外电气接口分别与所述PLC控制模块、机车蓄电池以及辅助发电机励磁绕组连接。

作为本发明系统的进一步改进：所述PLC控制模块包括依次连接的信号采集单元、PID调节单元以及PWM信号产生单元，所述信号采集单元实时采集机车柴油机的转速以及辅助发电机的输出电压，输出给所述PID调节单元执行PID调节，得到调节后的电压值，所述PWM信号产生单元根据所述调节后的电压值配置PWM输出端口并产生对应的PWM信号。

作为本发明系统的进一步改进：所述PLC控制模块还连接有交互设备，通过所述交互设备输入所述PLC控制模块的配置参数以及显示所述PLC控制模块的输出信息。

本发明进一步公开利用上述内燃机车辅助发电机励磁控制系统的控制方法，步骤包括：

1）配置所述PLC控制模块中用于调节输出PWM信号的调节参数；

2）启动控制时，所述PLC控制模块根据配置的所述调节参数输出PWM信号，由励磁控制模块转换为多路驱动信号，驱动输出所需电压输出给辅助发电机励磁绕组；

3）修改所述PLC控制模块中PWM输出端口的配置，输出调整后的PWM信号，由调整后的PWM信号驱动所述励磁控制模块调节输出电压，以调节辅助发电机励磁电流。

作为本发明方法的进一步改进，所述步骤2）中输出PWM信号的具体步骤为：

2.1）当采集到机车柴油机的转速时，启动执行PID调节，转入执行步骤2.2）；

2.2）执行PID调节时，按照采集到的所述转速对应的级位给定电压值，将所述给定电压值、检测到的辅助发电机的输出电压值进行PI调节，输出PI调节后的电压值，转入执行步骤2.3）；

2.3）将所述PI调节后的电压值按照指定比例整定为PWM信号输出。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明采用PLC采集机车柴油机的转速以及辅助发电机的输出电压以及输出PWM信号，同时结合励磁控制模块将一路PWM信号转换为多路驱动信号以驱动输出电压给辅助发电机励磁绕组，实现内燃机车辅助发电机的励磁控制，控制操作简单，可读性和可移植性强、控制精度高且安全可靠，无需配置复杂的信号转换与处理电路，降低了系统所需的成本低；本发明可以根据机车工况对输出电压执行实时调节，在辅助负载直投时控制进入强励模式，保证辅助系统的工作稳定性；

2）本发明通过信号转换单元将一路PWM信号转换为多路驱动信号，驱动逆变单元多个开关管进行电压变换，使得能够结合PLC实现励磁电流的控制调节；

3）本发明可通过PLC直接采集或通过RS485通讯接收柴油机的转速值，以根据转速调节励磁电流大小，响应速度快、实时性强，且可适应于不同场合的灵活应用；同时PLC通过采集辅助发电机输出电压以形成闭环反馈调节，有效提高了辅助发电机输出电压的精度；

4）本发明励磁控制模块为由各单元集成构成的模块，励磁控制模块上设置有对外电气接口，通过对外电气接口分别与PLC控制模块、机车蓄电池以及辅助发电机励磁绕组等连接，通过模块化设计使得无需搭建外围电路，方便拆卸与维护，同时便于扩展至其他应用中；

5）本发明逆变单元进一步采用IGBT作为功率开关器件，开关响应速度快且变换效率高；开关管进一步具体安装于散热装置上，有效提高了系统的载流能力，从而可以保证系统即使在高温环境下也能良好运行，提高系统效率以及可靠性。

附图说明

图1是本实施例内燃机车辅助发电机励磁控制系统的结构原理示意图。

图2是本发明内燃机车辅助发电机励磁控制系统在具体实施例中的电路结构示意图。

图3是本发明内燃机车辅助发电机励磁控制系统在具体实施例中的结构原理示意图。

图4是本发明内燃机车辅助发电机励磁控制系统在具体实施例中的控制流程示意图。

图例说明：1、PLC控制模块；2、励磁控制模块；21、信号转换单元；211、电平转换电路；212、脉冲分配电路；213、开关管驱动输出电路；22、逆变单元；23、输出过流保护单元；24、电源转换单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例内燃机车辅助发电机励磁控制系统包括相互连接的PLC控制模块1以及励磁控制模块2，励磁控制模块2包括信号转换单元21以及含有多个开关管的逆变单元22，PLC控制模块1通过PLC实时采集机车柴油机的转速以及辅助发电机的输出电压，进行调节后输出一路PWM信号，经信号转换单元21转换为多路驱动信号输出，逆变单元22的各个开关管接收驱动信号，驱动将输入电源变换为所需方波电压输出给辅助发电机励磁绕组；通过调节输出电压即可调节辅助发电机励磁电流，由励磁电流控制辅助发电机输出电压幅值。本实施例具体可以根据机车工况对输出电压执行实时调节，在辅助负载直投时控制进入强励模式，保证辅助系统的工作稳定性。

PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）具有体积小、可靠性高、图形化编程、无需配置外围电路等优点，且能够实现高速脉冲计数、PWM信号输出功能，本实施例基于PLC的上述特点，采用PLC采集机车柴油机的转速以及辅助发电机的输出电压以及输出PWM信号，同时结合励磁控制模块2将一路PWM信号转换为多路驱动信号以驱动输出电压给辅助发电机励磁绕组，实现内燃机车辅助发电机的励磁控制，控制操作简单，可读性和可移植性强、控制精度高且安全可靠，无需配置复杂的信号转换与处理电路，降低了系统所需的成本低。

本实施例PLC控制模块1可通过PLC直接采集或通过RS485通讯接收柴油机的转速值，以根据转速调节励磁电流大小，响应速度快、实时性强，且可适应于不同场合的灵活应用；同时PLC通过采集辅助发电机输出电压以形成闭环反馈调节，有效提高了辅助发电机输出电压的精度。

本实施例采用PLC输出PWM信号，还可与辅助变流器ACU共用一个PLC，无需单独配置处理器，可以节约成本，同时提升整柜系统的集成度以及工作效率。

本实施例PLC控制模块1通过PLC具体输出一路DC24V的PWM信号，单路PWM信号不能够直接驱动逆变单元22中各开关管，本实施例通过信号转换单元21将PWM信号转换为多路驱动信号，驱动多个开关管的开断以进行电压变换，使得能够结合PLC实现励磁电流的控制调节。如图1所示，本实施例中信号转换单元21包括依次连接的电平转换电路211、脉冲分配电路212以及开关管驱动输出电路213，电平转换电路211将PWM信号转换为所需的电平信号，输出至脉冲分配电路212，脉冲分配电路212接收电平信号进行脉冲分配，产生多路驱动信号，由开关管驱动输出电路213输出给各个开关管。本实施例电平转换电路211具体将PLC输出的DC24V PWM信号转换为脉冲分配电路212所需的电平信号，脉冲分配电路212具体再依次经过±DC15V电平转换、相位控制以及脉冲分配等产生对应各开关管的驱动信号，驱动各开关管的开断。

本实施例中，励磁控制模块2还包括用于对输出电流进行限流保护的输出过流保护单元23，输出过流保护单元23与逆变单元22的输出端连接，通过设置输出过流保护单元23防止输出电流过大损坏辅助发电机励磁绕组。本实施例输出过流保护单元23具体包括输出电流检测电路以及基于差分比较电路的限流电路，输出电流检测电路具体采用电流传感器，电流传感器设置在励磁电流输出端，实时检测输出电流并输出给限流电路；限流电路将输出电流转换为电压信号后，输出至差分比较电路与参考电压值进行比较，当检测到大于参考电压值时，控制封锁逆变单元22的驱动信号，通过关断开关管断开励磁回路，以保护励磁绕组不被损坏。基于硬件电路实现输出电流保护功能，反应速度快且可靠性高，可以有效保护辅助发电机的励磁绕组线圈。

本实施例中，励磁控制模块2还包括用于将机车蓄电池电源转换为所需电源的电源转换单元24，电源转换单元24设置在逆变单元22的输入端。当采用DC74V机车蓄电池时，本实施例通过电源转换单元24将机车蓄电池的DC74V转换为DC110V，以提供给逆变单元22转换为占空比可调的方波电压，使得能够兼容DC74V、DC110V控制系统，提高系统的可用性。

本实施例中，励磁控制模块2为由信号转换单元21、逆变单元22集成构成的模块，励磁控制模块2上设置有对外电气接口，通过对外电气接口分别与PLC控制模块1、机车蓄电池以及辅助发电机励磁绕组连接。即励磁控制模块2采用模块化设计，所有子部件均集成在模块内部，对外电气接口采用电连接器，因而无需搭建外围电路，方便拆卸与维护，同时便于扩展至其他应用中。本实施例励磁控制模块2的所有对外电气接口具体采用一个电连接器，使得使用与维护更为方便。

本实施例中，PLC控制模块1包括依次连接的信号采集单元、PID调节单元以及PWM信号产生单元，信号采集单元实时采集机车柴油机的转速以及辅助发电机的输出电压，输出给PID调节单元执行PID调节，得到调节后的电压值，PWM信号产生单元根据调节后的电压值配置PWM输出端口并产生对应的PWM信号。基于PLC的高速脉冲计数、PWM信号输出功能，本实施例通过PLC直接配合转速传感器检测柴油机转速值，与传统的采用单片机电路相比，实现简单且效率高，无需配置复杂的传感器信号转换与处理电路等，同时通过PLC对PWM输出端口进行配置，可以方便的调节输出信号的占空比。

本实施例中，PLC控制模块1还连接有交互设备，通过交互设备输入PLC控制模块1的配置参数以及显示PLC控制模块1的输出信息。本实施例具体通过PLC扩展接入触摸屏，通过触摸屏可以快速读取、设置励磁控制的参数，同时可方便的读取、修改和设置励磁系统运行参数。

如图2所示，本发明内燃机车辅助发电机励磁控制系统在具体实施例中，采用DC74V机车蓄电池供电，信号转换单元21、输出过流保护单元23设置在控制主板中，作为励磁控制模块2的核心部件，控制主板中还设置有电源转换电路，将控制电源转换为各单元需要的工作电压，电源转换电路具体采用开关电源；电源转换单元24设置在电源升压模块上，将机车蓄电池的DC74V电源转换为DC110V输出给逆变单元22，逆变单元22通过接触器KM1连接辅助发电机励磁绕组，由接触器KM1控制励磁控制模块2的输出通断。PLC通过模拟量通道直接采集或通过RS485通道接收机车柴油机的转速以及辅助发电机的输出电压，由PWM通道输出一路PWM信号至控制主板，控制主板输出4路驱动信号（PWM-Q1~ PWM-Q4）分别驱动4个IGBT器件的关断，将DC110V电压转换为占空比可调的方波电压输出给机车辅助发电机励磁绕组。PLC通过对PWM输出端口Q0.0或Q0.1进行相应配置调节输出信号的占空比，通过调节输出电压占空比即可调节辅助发电机的励磁电流。本实施例励磁控制模块2还设置有电流传感器TA1，用于采集辅助发电机励磁绕组的输出电压反馈给控制主板。

如图2所示，本实施例还设置有与PLC控制模块1连接的二次电源模块，由二次电源模块将机车蓄电池提供的DC74V直流电源转换为DC24V直流电压供PLC工作。

如图2所示，本实施例中逆变单元22具体为由两个IGBT模块（VT1、VT2）构成的IGBT单相全桥逆变电路，每个IGBT模块包括两个IGBT开关管，其中VT1、VT2采用对管封装，由信号转换单元21输出的驱动信号驱动VT1、VT2将机车蓄电池提供的直流电压逆变为占空比可调的方波电压。逆变单元22采用IGBT作为功率开关器件，开关响应速度快且变换效率高。本实施例IGBT关管安装于散热装置（具体为散热器的基板）上，有效提高了系统的载流能力，从而可以保证系统即使在高温环境下也能良好运行，提高系统效率以及可靠性。

如图3所示，本实施例由PLC采集柴油机的转速值、辅助发电机反馈的输出电压，调节后输出脉冲信号，经过光耦隔离电路处理后输出给信号转换单元21以转换成多路驱动信号驱动开关管，由驱动信号控制IGBT单相逆变桥的开断，将电源升压模块输出的DC110V直流电压转换为单相PWM方波电压，并通过调节输出方波电压的占空比调节辅助发电机的励磁电流，其中由光耦隔离电路对PLC输出的脉冲信号进行隔离保护，信号转换单元21由PWM驱动电路将脉冲信号进行二次分配，光耦隔离电路以及PWM驱动电路均为板级电路，集成在控制主板之上。输出接触器KM1则用于控制励磁回路的通断，当励磁电流过大或者系统故障时断开励磁回路，保护励磁绕组；二次电源模块将机车蓄电池提供的DC74V直流电源转换为DC24V直流电压输出给PLC。

本实施例上述内燃机车辅助发电机励磁控制系统的控制方法，步骤包括：

1）配置PLC控制模块1中用于调节输出PWM信号的调节参数；

2）启动控制时，PLC控制模块1根据配置的调节参数输出PWM信号，由励磁控制模块2转换为多路驱动信号，驱动输出所需电压输出给辅助发电机励磁绕组；

3）修改PLC控制模块1中PWM输出端口的配置，输出调整后的PWM信号，由调整后的PWM信号驱动励磁控制模块2调节输出电压，以调节辅助发电机励磁电流。

本实施例具体当PLC接收到柴油机转速并接收到辅助发电机发电指令后，根据转速对PWM输出端口进行相应配置，调整输出信号的占空比，使得调节励磁控制模块2的输出电压，从而调节辅助发电机的励磁电流。

本实施例中，步骤2）中输出PWM信号的具体步骤为：

2.1）当采集到机车柴油机的转速时，启动执行PID调节，转入执行步骤2.2）；

2.2）执行PID调节时，按照采集到的转速对应的级位给定电压值，将给定电压值、检测到的辅助发电机的输出电压值进行PI调节，输出PI调节后的电压值，转入执行步骤2.3）；

2.3）将PI调节后的电压值按照指定比例整定为PWM信号输出。

本实施例对柴油机的转速、反馈的辅助发电机输出电压采用PID调节，由PID调节输出的PWM信号驱动励磁控制模块2输出的占空比可调的方波电压，控制精度高，从而能够对机车辅助发电机实现高精度的励磁控制。

参见图4，本实施例具体首先由PLC通过触摸屏输入PI参数，并写入EEPRROM中，当检测到柴油机启动信号时，即柴油机的转速值，等待指定时间（本实施例具体取8秒）待柴油机完全启动后调用PID调节子程序，由PID调节子程序执行PID调节；PID调节过程中，按照柴油机当前级位给定电压值，其中级位信号由开关量、微机信号设定，检测辅助发电机的输出电压值，由给定电压值以及辅助发电机的输出电压值进行PI调节，输出PI计算后的电压值；将PI计算后的电压值按指定比例（本实施例具体取1200µs占空比）整定为PWM信号输出以驱动励磁控制模块2，其中整定比例可通过外设触摸屏输入；循环执行上述PID调节以及PWM信号输出步骤，直至柴油机停止启动；通过外设触摸屏还可将PLC输出的电流、电压进行显示。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种内燃机车辅助发电机励磁控制系统，其特征在于包括相互连接的PLC控制模块（1）以及励磁控制模块（2），所述励磁控制模块（2）包括信号转换单元（21）以及含有多个开关管的逆变单元（22），所述PLC控制模块（1）通过PLC实时采集机车柴油机的转速以及辅助发电机的输出电压，进行调节后输出一路PWM信号，经所述信号转换单元（21）转换为多路驱动信号输出，所述逆变单元（22）的各个开关管接收所述驱动信号，驱动逆变单元（22）将输入电源变换为所需方波电压输出给辅助发电机励磁绕组；

所述信号转换单元（21）包括依次连接的电平转换电路（211）、脉冲分配电路（212）以及开关管驱动输出电路（213），所述电平转换电路（211）将所述PWM信号转换为所需的电平信号，输出至所述脉冲分配电路（212），所述脉冲分配电路（212）接收所述电平信号进行脉冲分配，产生多路驱动信号，由所述开关管驱动输出电路（213）输出给各个开关管；

所述PLC控制模块（1）包括依次连接的信号采集单元、PID调节单元以及PWM信号产生单元，所述信号采集单元实时采集机车柴油机的转速以及辅助发电机的输出电压，输出给所述PID调节单元执行PID调节，得到调节后的电压值，所述PWM信号产生单元根据所述调节后的电压值配置PWM输出端口并产生对应的PWM信号；

所述励磁控制模块（2）还包括用于将机车蓄电池电源转换为所需电源的电源转换单元（24），所述电源转换单元（24）设置在所述逆变单元（22）的输入端。

2.根据权利要求1所述的内燃机车辅助发电机励磁控制系统，其特征在于：所述逆变单元（22）为由两个IGBT模块构成的IGBT单相全桥逆变电路，每个所述IGBT模块包括两个IGBT开关管；所述IGBT开关管安装于散热装置上。

3.根据权利要求1或2所述的内燃机车辅助发电机励磁控制系统，其特征在于：所述励磁控制模块（2）还包括用于对输出电流进行限流保护的输出过流保护单元（23），所述输出过流保护单元（23）与所述逆变单元（22）的输出端连接。

4.根据权利要求1或2所述的内燃机车辅助发电机励磁控制系统，其特征在于：所励磁控制模块（2）为由所述信号转换单元（21）、逆变单元（22）集成构成的模块，所述励磁控制模块（2）上设置有对外电气接口，通过所述对外电气接口分别与所述PLC控制模块（1）、机车蓄电池以及辅助发电机励磁绕组连接。

5.根据权利要求1所述的内燃机车辅助发电机励磁控制系统，其特征在于：所述PLC控制模块（1）还连接有交互设备，通过所述交互设备输入所述PLC控制模块（1）的配置参数以及显示所述PLC控制模块（1）的输出信息。

6.利用权利要求1～5中任意一项所述的内燃机车辅助发电机励磁控制系统的控制方法，其特征在于，步骤包括：

1）配置所述PLC控制模块（1）中用于调节输出PWM信号的调节参数；

2）启动控制时，所述PLC控制模块（1）根据配置的所述调节参数输出PWM信号，由励磁控制模块（2）转换为多路驱动信号，驱动输出所需电压输出给辅助发电机励磁绕组；

3）修改所述PLC控制模块（1）中PWM输出端口的配置，输出调整后的PWM信号，由调整后的PWM信号驱动所述励磁控制模块（2）调节输出电压，以调节辅助发电机励磁电流。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：所述步骤2）中输出PWM信号的具体步骤为：

2.1）当采集到机车柴油机的转速时，启动执行PID调节，转入执行步骤2.2）；

2.2）执行PID调节时，按照采集到的所述转速对应的级位给定电压值，将所述给定电压值、检测到的辅助发电机的输出电压值进行PI调节，输出PI调节后的电压值，转入执行步骤2.3）；

2.3）将所述PI调节后的电压值按照指定比例整定为PWM信号输出。