CN1060370A - 机车牵引马达的自动闪络保护 - Google Patents

Abstract

为机车推进系统设置闪络保护，该系统包含多个 各有一遭受闪络的换向器的直流牵引马达，具有电枢 和场绕组及由主原动机驱动的转子的牵引交流发电 机，连接到交流发电机场绕组的可控励磁电流源，以 及含将交流发电机连接到马达换向器的电源整流器 的装置。所述闪络保护含有每当任何马达中发生闪 络时产生故障信号的装置，连接在励磁电流源与交流 发电机场绕组间并具有交流导电及非导电状态的固 态可控阀，以及响应产生的故障信号将阀从导电状态 变为非导电状态的装置。

Description

本发明一般涉及配备有直流牵引马达的牵引车辆（例如柴油发电机机车）的电子推进系统，更准确地说涉及用于在马达的换向器发生闪络时防止这种系统严重损坏的装置。

在一新式柴油电机车中，火力原动机（典型地为-16汽缸涡轮增压柴油机）用于驱动含有同步发电机的电力传动装置，该同步发电机将电流提供给其转子通过减速齿轮传动耦合到相应轴轮机车组的多个直流牵引马达。发电机一般含有一个主三相牵引交流发电机，其转子机械耦合于发动机的输出轴。当将激励电流提供给旋转转子上的场绕组时，在交流发电机定子的三相电枢绕组中产生交流电压。这些电压经整流后施加于直流牵引马达的电枢和/或场绕组。

在正常的电动机操作中，这样来控制柴油机车的推进系统以便建立平衡的稳态条件，其中对节流杆的每个分离位置发动机驱动的交流发电机产生基本上恒定的牵引马达的最优电功率量。实际上配备合适的装置来取代推进控制的正常操作并响应某些异常状态例如轮粘附性的损失或在节流阀正在控制的任何发动机速度下负载超过发动机功率容量而降低发动机负载。这种响应（一般称为定额降低）减少了牵引功率，因而帮助机车从这样的暂时状态恢复和（或）防止对发动机的严重损坏。

此外，推进控制系统通常包括用于在需要保持该电压的大小及负载电流的大小不超过各自预定的安全最大电平或极限的情况下限制或降低交流发电机输出电压的装置。当机车从静止开始加速时电流限制是有效的。在低机车速度下，牵引马达电枢缓慢地旋转，因此它们的反向EMF低。低的交流发电机电压此刻能产生最大马达电流，接着该电流产生加速所需要的大的牵引力。另一方面，每当机车速度高时，交流发电机电压必须恒定保持在其最大电平。在高速下牵引马达电枢快速旋转并具有高的反向EMT，而且交流发电机电压必须高以产生要求的负载电流。

在电推进系统中，所有电源组件（交流发电机、整流器、牵引马达以及它们的互连接触器及电缆）需要进行充分的绝缘，以避免这些组件的带电部分与地之间的有害短路。机车上的绝缘必须承受非常苛刻的条件，包括恒定振动、频繁的机械碰撞、不常见的维护、偶尔的电过载、大范围的环境温度以及可是很湿和/或很脏的环境。如果破坏了组件的绝缘，即如果组件的绝缘强度降低，或者如果湿度或污物的累积通过或者在该绝缘面上形成较低的电阻路径，则不希望的大漏电流可能在组件与处在地电位的机车结构之间流过。这种绝缘击穿可能会伴有电离放电或闪络。在电压电平到达其最终的击穿值之前将开始放电、绝缘越脏和越湿，相对于实际击穿值的起始放电电压越低。如果没有适当的检测和适时的保护，则存在起初无害的放电将迅速增长或扩散到引起推进系统和设备本身产生严重或不可挽回的损坏的实际危险。

为机车推进系统提供接地故障保护是传统的做法。这种保护系统一般响应漏地电流的检测，如果这种电流的大小超过依赖于马达电流大小的允许极限，则取代正常的推进控制并减小牵引功率。参见美国专利4，608，619号和加拿大专利1，266，117号。这种系统对牵引马达的换向器在防止破坏性闪络方面还未取得完全成功。

在直流牵引马达中，在换向片上磨擦的碳刷用来提供电流给马达的电枢绕组。该电流在电枢和相应的磁极中建立磁场。设立在电枢中的磁极与马达的场绕组中的磁场相互作用以在机器中产生转矩。借助于流经这些绕组的直流电流建立马达场绕组中的磁极。该马达包含围绕电枢一端等间距隔开的多个换向片，每个换向片连接到用于建立磁极的电枢的所选择绕组。当相邻的换向片在碳刷下周期地经过时，连接到那里的电枢线圈被瞬间短路。由于与短路换向片相关联的线圈相互偏离，它们将通过由大小不同的场绕组的磁极建立的磁通路。因此，在两个换向片之间存在电位差。在一理想机器的设计中，碳刷处在场磁极之间由场磁极所建立的磁通量在相反磁极性的相邻极之间变号时通过零点的位置。由于总磁通量是场磁通量与电枢磁通量之和，该理想位置随电枢电流的变化而移动。一般，换向极或间极放在相邻场磁极之间，每个换向极具有串联连接在电枢电流路径中的绕组，因此换向极产生的磁通量与电枢电流成正比。该方法通常用于使间极磁通的变化最小，这样允许该刷在换向片之间传输电流而无过量的电弧。

对于易发生大量过载、快速改变负载、以微弱主磁场、故障刷、刷反跳、或粗糙换向器操作的马达来讲，存在换向极作用不足的可能性，并且刷单纯的发火花可能变为主飞弧。例如，在电枢线圈位于严重变形的磁通波的峰值的瞬间，线圈电压可能高到足以击穿该线圈所连接的相邻换向片之间的空气，并在这些片之间产生闪络或飞弧。换向片之间的飞弧可迅速接通邻接的刷握或扩散到通常围绕直流牵引马达的换向器的接地闪络环，从而使牵引交流电发机的输出线短路。由于这样的闪路是比较稀有的，如果发生，它通常发生在机车以高速运行时。

在自动检测和恢复闪络状态的相关现有技术中公开了许多不同的系统。例如参见Stitt和Williamson的美国专利4，112，475号。为了减小或避免出现闪络时对牵引马达及推进系统有关部分的严重损坏，最好是在加给出故障马达的电流有时间到达其最大有效短路值之前消除闪络。通过一旦能够检测到闪络即非常快速的减小或中断这种电流，可将有故障的马达电路中的电能量值保持在足够低值以防止对换向片、刷握及闪络环的永久性损坏。通过将连接出故障马达与交流发电机整流输出的电接触器开路不能获得这种要求的高速闪络保持，因为常规接触器的开路作用太慢，并且到接触器触点开始分开的时间为止故障电流值是如此之大以致产生不希望的飞弧或这种触点的焊接。推进控制的降低定额功能不能依赖于减小牵引交流发电机提供给出故障马达的电流的初始冲击，因为该控制及交流发电机场励磁电路的相关时间常数在闪络出现与交流发电机响应之间引入有限延时。

本发明的一般目的是提供机车牵引马达的改进的闪络保持装置。

另一目的是提供一种闪络保护，其特征在于：它非常迅速地响应直流牵引马达中闪络状态的检测，以及在提供给有故障马达的电流能够升高到其最大有效值之前有效地抑制这种状态。

本发明的一个更为具体的目的是为机车推进系统提供闪络保护装置，该装置快速地消除直流牵引马达中的闪络并从电气上将有故障的马达与牵引交流发电机断开足够间隔，以允许闪络的换向器恢复。

另一具体目的是柴油电机车推进系统提供闪络保护装置，该装置迅速有效地消除直流牵引马达中的闪络，但在推进系统的电源整流电桥中失效的二极管引起短路的情况下该装置是无效的。

本发明的又一目的是在利用高速、固态可控电阀的闪络保护装置中配备用于以容许简化旁路该阀的缓冲电路的方式协调这种阀的开和关操作的装置。

该改进的闪络保护装置在包含用于激励具有电枢和场绕组及遭受闪络的换向器的多个直流牵引马达的可控电源的牵引车辆推进系统中是有用的。该电源含有具有电枢和场绕组以及由车辆上装载的原动机驱动的转子的三相同步发电机。该发电机的场绕组连接到包含用于改变随可变控制信号的数值而变化的该电流值的装置的单向励磁的可控电流源。合适的励磁控制装置通常响应所选出的输入信号确定该控制信号的值，所选出的输入信号包括其值通常依赖于车辆节流阀（或制动手柄）的功率设定的基准信号。

同步发电机定子上的三相电枢绕组借助于一未受控的电源整流器（含有多对电源二极管和有关的电熔丝）和多个电接触器连接到牵引马达换向器。为使每个接触器在关闭和开路位置之间变化而设置操作装置，从而如所希望的将各马达连接（或非连接）到整流器，一组分别表示牵引马达中电枢电流大小的反馈信号由合适的电流传感装置得到。任何一个马达的换向器上的闪络使该马达的电枢电流量值异常地大量增加。

在以一种形式实现本发明时，一个高速、固态可控电阀连接在励磁电流源与发电机场绕组之间。该阀具有交替的第一和第二状态。在其第一状态下，该阀具有可忽略不计的电阻及自由传导的励磁电流，而在第二状态下，它具有类似于开路的非常高欧姆值的电阻并有效地将励磁电流源从发电机场绕组断开。适当地构造该可控阀以非常迅速地改变状态，并配备每当在任何牵引马达中出现闪络时响应由闪络检测装置产生的故障信号将它从第一状态变化到第二状态的装置。一旦该阀变化到它的第二、开路的状态，发电机场绕组中的励磁电流迅速衰减为零，并且该发电机的输出电压相应地减小以在有故障马达中电枢电流可升高到最大有效短路值之前快速消除闪络。换言之，第当闪络发生时最好通过迅速地将发电机场从励磁电流源断开而将初始电流冲击加以限制。

在本发明的一个方面，前述可控电阀含有在接通状态（对应于所述第一状态）传导发电机场激励电流和在断开状态（对应于所述第二状态）有效地阻塞这种电流的闸门电路断开（gate  turnoff）晶闸管。该晶闸管由最好含有非线性电阻和当改变状态时限制GTO晶闸管端电压变化速率的缓冲电容器的并联组合的阻抗装置来分流。

在本发明的另一方面，前述闪络检测装置含有当任何所述牵引马达的电枢电流大小超过高于所有正常条件下马达电枢电流大小的预定阈值时响应电流反馈信号以产生该故障信号的装置。

在本发明的一个不同方面，当用闪络检测装置产生故障信号时，发电机励磁电流源的控制装置暂时施加相应于零励磁电流的控制信号值。同时，牵引马达接触器的操作装置将这些接触器中的每一个开路但不是在相关马达中电枢电流值低于预定电平之前完成，以确保接触器可靠地开路。因为发电机励磁电流路径中的可控电阀如上面所归纳的迅速发将励磁电源从发电机场去耦，有故障马达中的电流值非常快地从其初始冲击降低到这种安全电平。

闪络保护装置最好包含在已响应闪络开放接触器以后工作的附加装置，以使前述操作装置除了与出故障的马达有关的接触器之外重新闭合所有的接触器，该故障马达由用于识别其中电枢电流值超过前述预定值的任何牵引马达的装置所确定。该操作装置按照由闪络检测装置初始产生的故障信号阻止重新闭合有故障的接触器达一个足够长的间隔以允许用叠置在换向器表面的刷子清洗闪络的换向器。

在本发明的又一方面，设置GTO选通装置用于将由相关联的逻辑装置可选择地控制的交替的接通与断开信号提供给前述闸门电路断开晶闸管。安排该逻辑装置执行几种不同的功能。它包含用于提供在无故障信号和某些其它条件为正常时具有第一状态否则具有第二状态的命令信号的装置。每当命令信号处在其中一状态时，产生接通信号且该接通信号具有一定的最小持续时间。当命令信号在其第二状态并且无接通信号产生时含有定时器的装置产生断开信号。安排该定时器阻止命令信号在从第一状态变化到第二状态之后返回其第一状态达一个足够长的预定周期，以允许牵引马达接触器如以上所归纳开路和重新闭合。这也为前述阻抗装置中的电容器提供了通过并联电阻放电的时间，从而避免用与该电容器串联的常规装置在GTO晶闸管由下一接通信号返回接通状态时限制其放电电流的必要。

该逻辑装置最好也包含响应发电机励磁电流的大小、在这种大小超过高于根据闪络典型地获得的最大励磁电流的异常高电平时阻止命令信号从第一状态变化到第二状态的装置。在励磁电流大于这种电平的情况下这将禁止产生断开信号，正如电流整流器中的二极管未能阻截反向电流的情况（在该情况下最好让发电机输出电流升高到足够大的量值，以烧断与失效二极管相接的熔丝）。结果，闸门电路断开晶闸管不必具备截止超过前述高电平的电流的能力。

由以下结合附图的说明可更全面地理解本发明及其许多目的和优点。

图1是机车电推进系统的方框图，它包含热原动机（如柴油发动机），同步发电机，电源整流器，多个牵引马达，可控励磁电流源，和控制器;

图2A是图1简单框图所表示的一个直流牵引马达的原理图;

图2B是典型同步发电机的一族负载饱和曲线，表示各种大小的励磁电流时输出电压与电流间的关系;

图3是与发电机励磁电源合作实现本发明的控制器的某些部分的扩展框图;

图4是如图3单个框所表示的闪络检测装置的电路原理图;

图5是图1和3中单个框所表示发电机励磁电流源的扩展图;

图6是图5中单框所示GTO控制装置的扩展框图;

图7是图6中单框所示逻辑装置的功能框图;以及

图8是说明实现图3中单个框所表示的系统响应功能的目前最佳方式的流程图。

图1所示推进系统包含机械地耦合于含有三相交流同步发电机的电动发电机12的转子的变速原动机11，也称之为主牵引交流发电机。主交流发电机12在其定子上具有一组三个星形连接的电枢绕组。工作时，它在这些绕组中产生三相电压，该电压施加到至少一个三相桥式不受控电源整流电桥13的直流输入端。在传统方式中，电桥13由多对功率二极管构成，两个或三个这种二极管对与交流发电机12的三个不同相中的各相相联。各对中的二极管串联连接在整流器电桥的有关正的和负的直流输出端之间，它们的结点通过保护熔丝（未示出）连接到该电桥的各相关的交流输入端。电桥13的输出端通过直流总线14和多个单独的电接触器15C、16C以激励关系电连接到多个并联连接的、可调速的直流牵引马达，在图1中仅示出其中两个（15、16）。原动机11、交流发电机12、及整流器13被合适地安装在典型地为4轴或6轴柴油电机车的自推进牵引车辆的平板上。该机车平板再支撑在两辆卡车（未示出）上，每辆卡车具有两个或更多的轴轮组。单独的牵引马达安装在各轴上，其转子通过传统齿轮以驱动关系机械地耦合于组合的轴轮组。适当的电流传感装置用来提供一组电流反馈信号11、12等，其分别代表马达电枢电流的大小。

在图2A中示出了带一牵引马达15、它是其它马达的代表。在该马达的圆柱形转子上具有多个分别端接于常规换向器15A的不同片或段的电枢绕组，而非旋转碳刷15B与该换向器15A处于滑动接触状态。接地的闪络环15R以相隔开的关系环绕该换向器放置。在该马达的定子上具有场绕组15F，在电动机运行或推进操作方式期间这些绕组与电枢串联电连接，如图2A所示。电枢旋转的方向以及机车推进的方向依赖于场电流的有关方向，并可通过改变与场绕组15F串联连接的常规双稳态机电反负器（未示出）的接触位置而反向。为了动态地制动或减速机车，将各牵引马达的电枢绕组从电源整流器13断开并重新连接到常规风扇动力制动电阻电网（未示出），将所有马达的场绕组彼此再串联连接以便由主交流发电机12的整流输出来进行激励。如在图2A中可见到的，用与牵引马达15的电枢绕组串联连接的适当的电流传感器15S提供电流反馈信号I1。因此11表示以电动机运行方式操作时串联连接的电枢及该马达的场绕组中的电流值。

主交流发电机12的电源整流器13用作各牵引马达的可控电功率源。该电源的输出电压（或电流）的大小由提供给主交流发电机转子上的场绕组12F的励磁电流量所确定并改变。为激励这些场绕组将它们连接到调节励磁电流IF的合适电源17的输出端。在所说明的本发明实施例中，场绕组12F与励磁电流源17之间的连接包含常规电机场开的触点12C。该场开关具有用来将它移动到第一或正常状态的控制装置12D，在该状态下将接触器12C闭合并自由地传导励磁电流，并使该开关在其第一状态与第二或替换状态之间变化，在所述第二状态下触点12C开路并将励磁电流有效地中断。实际上控制装置12D包含一电磁线圈和一个仅当该线圈被激励时使场开关移动到其正常状态并将其固定的相关启动机构。

励磁电流源17最好包含一个三相控制整流电桥，其输入端18接收来自主原动机驱动的辅助交流发电机的交流电压，该辅助交流发电机实际上在与主交流发电机12相同的构架上可含有辅助的三相电枢绕组组合。在图1中电源17注明为“场调节器”。它包含当需要使输入线19上的可变控制信号VC的数值与电动机运行期间表示主交流发电机12的整流输出电压的平均值V的反馈信号之间的任何差异最小时用来改变提供给交流发电机场12F（因此交流发电机12的输出端）的直流电流IF的大小的常规装置。主交流发电机12的整流输出电压值分别是场绕组12F中励磁电流量与主交流发电机电枢绕组中输出电流量的已知函数，它也随原动机11的速度而变化。它由跨接在电源整流器直流输出端的常规电压传感模块检测。图2B中的曲线表示V与电源整流器13输出端曲典型交流发电机12提供的负载电流平均值之间的示例关系，所述交流发电机12由原动机11以恒定速度（例如，1050RPM）驱动并由各曲线上标明的各种不同大小的场电流IF激励。

较低阻值（例如，约10欧姆）的电流检测模块22连接在交流发电机电枢绕组的中性点S与接地的底座或机车构架之间，如图1中所指出。模块22在输出线23上提供表示电推进系统中漏地电流量值（IGND）的反馈信号。很显然IGND是通过模块22对中性点S与主交流发电机12的电枢绕组中、电源整流器13或连接到电源整流器的负载电路中的任何接地故障之间的电流的度量。所述负载电路包含牵引马达15、16等的场绕组，在发电机运行方式下还包含马达电枢绕组。

驱动交流发电机磁场12F的原动机11是热或内燃式发动机或等价物。在柴油电机车上，一般由大马力、涡轮增压的16汽缸柴油发动机提供原动力。这样的发动机有一燃料系统24，该燃料系统包含一对燃料泵支架，每当相联的燃料注入器被发动机和凸轮轴上的相应燃料凸轮启动时用来控制流入各汽缸的燃料油有多少。各燃料支架的位置和供给发动机的燃料量由连接两个支架的发动机速度调节系统25的输出位置控制。该调速器通过自动地移动支架在预定极限内以某一方向调节发动机的速度达到使发动机曲轴的实际速度与所需要速度之间的差值最小的量值。用从相关联控制器26接收的可变速度识别信号设置所需速度，该信号此处称为速度控制信号或速度识别信号。发动机速度信号（RPM）指出发动机曲轴及交流发电机场的实际旋转速度。

发动机调速系统25的速度控制信号和交流发电机场电流源17的励磁控制信号VC由控制器26提供。在正常的电动机运行或推进工作方式下，这些信号的数值由控制器26所电耦合的手动操作节流阀27的手柄位置确定。机车节流阀通常有8个动力位置或档（N），加上空转和停车。N1对应于最小的所要求发动机速度（功率），而N8对应于最大速度和满功率。当节流阀在其空转位置时，控制器26工作给控制信号VC施以对应于IF＝0的数值，并且主交流发电机12无牵引功率产生，当要求运动机车的动态制动时，司机将节流杆移至其空转位置并操纵相伴制动控制装置28的联锁杆，因此这时主控制器26提供有可变“制动识别”信号，该信号确定交流发电机励磁控制信号VC的值。（在制动方式下，表示从主交流发电机12的整流输出加给牵引马达场绕组的电流大小的反馈信号将加给交流发电机励磁电源17并在那里从线19上的控制信号中减去以确定电源17响应的差值或误差信号。）在两个或更多机车的组合中，通常仅注意牵引组，各施曳组所载的控制器接收车组控制线上表示由牵引组中司机所选择的节流阀位置或制动识别的编码信号。

对于该发动机的每个功率级存在一相对应的理想负载。适当地安排控制器26将来自节流阀27的档信息转换为基本上等于牵引功率符合所需功率时电压反馈信号V将具有的数值的基准信号值，只要交流发电机输出电压和负载电流均在预定极限内，励磁电流源17输入线19上的控制信号按需要发生变化以获得这种所要求的负载。由于该原因，并为了降低定额（即给发动机卸载）和/或在某些非正常状态时限制发动机速度的目的，有必要给控制器26提供关于包含发动机的推进系统各种工作条件和参量的信息。

如图1中所示，控制器26接收上述发动机速度信号RPM、电压反馈信号V、以及电流反馈信号I1、I2等，它们分别表示各牵引发达的电枢绕组中的电流量值。它还接收在发动机不能产生所要求功率并仍保持要求的速度时由调节系统25发出的负载控制信号。（当发出该信号时，该负载控制信号可有效地用于减小控制器26中的功率参考值以便削弱交流发电机场直到达到新的平衡点）。供给控制器26的附加数据包括：分别为交流发电机输出电压和电流设立绝对最大极限的“电压最大值（VOLT  MAX）”和“电流最大值（CUR  MAX）”数据;表示发动机起动（即用曲柄起动）程序是否正在执行的“曲柄”数据;以及如由命名为“其它”的方框所表示的来自其它所选择信号源的有关输入。交流发电机励磁电源17和控制器彼此通过多线路串行数据链或总线21相沟通。控制器26还与控制装置12D连通，当响应来自控制器的“闭合”命令激励时，该控制装置操作以将场开关触点12C移动到其被该激励的控制装置所吸持的闭合位置，它还与经适当构造并安排来启动各个牵引马达接触器15C、16C等的“接触器驱动器”（方框29）连通。一般接触器驱动器29是由依次被来自控制器26的命令有选择在或一致地加以控制的组合的电磁阀所控制的气动机构。

为了响应推进系统中的接地故障，通过电流检测模块22的输出线23将其值随漏地电流的量值IGND而变化的前述反馈信号供给控制器26。如果该信号指出IGMD为异常的大，该控制器自动地执行某些保护功能，同时将适当的信息或报警信号送给机车司机室中的显示模块30。控制器26所实现的接地故障保护功能最好与那些在前面所引述的现有技术中的1990年2月20日授与并转让给通用电气公司的加拿大专利1，266，117中所公开的相同或等价，该专利的公开物特意在这里结合作为参考。总而言之，当漏地电流异常地大时所述保护可以修改线19上控制信号VC的数值，因此：（1）如果地电流量是在预定的降低定额阈值电平与预定的最大允许极限之间的范围内，则交流发电机场电流IF的量值被减少，结果主交流发电机12的功率输出减少到其正常所需要的几分之一，该分数随超过定额降低阈值电平的地电流量值反向变化，以及（2）如果地电流量值增加到其最大极限以上在至少一最小时间间隔内功率输出限制为零。

在本发明的最佳实施例中，控制器26包含一微计算机。本领域技术人员知道微计算机实际上是可编程执行多种要求功能的市场上可购得的部件和组合的电路及元件的联动体系。在一典型的微计算机中，中央处理器（CPU）执行存储在可擦除并可电气重新编程的只读存储器（EPROM）中的工作程序，该只读存储器还存储程序中所用到的表格和数据。在CPU内包含常规计数器、寄存器、累加器、触发器（标识位）等，以及提供高频时钟信号的精密振荡器。该微计算机还包含一个随机存取存储器（RAM），可将数据暂时存储于其中并可从其中读出由EPROM中所存储程序确定的不同地址单元的数据。这些部件由适当地址、数据及控制总线相互连接。在本发明的一个应用实施例中，利用了Intel  8086微处理器。

在电动机运行工作方式下，这控制器26编程以在线19上产生当需要将交流发电机电压反馈信号V值与通常依赖于机车司机所选择的节流阀位置及主交流发电机牵引功率输出的基准值之间的任何误差降低为零时发生变化的控制信号值。实现这一点的目前最佳的方法公开在1987年1月6日提交的并转让给通用电气公司的美国专利4，634，887（Balch等人）号中，其公开物特意在此结合作为参考。为了实现电气制动工作方式，将控制器26编程以在需要使马达电枢电流反馈值与通常依赖于机车司机所选的动态制动位置的基准值之间的任何误差减小为零时改变控制信号VC的数值。

按照本发明，上述推进系统包含用于保护牵引马达免于闪络的装置。由控制器26结合主交流发电机励磁电流源17实现要求的闪络保护。由图3以简化方式示出了与闪络保护有关的控制器部分，其中方框32表示用于检测任何一个直流马达15、16等的换向器上出现的闪络的合适装置。

检测装置32接收牵引马达电流反馈信号组I1、I2等以及线23上的漏地电流（IGND）反馈信号。每当闪络发生时，它工作以在输出线33（在图3-7中命名为“闪络（FLASH）”上产生故障信号，如以下两种情况下由至少一个电流反馈信号量值的异常升高所指出的，（1）任何牵引马达中电枢电流的量值超过大于所有正常条件下电枢电流量值的预定阈值，或（2）IGND量值超过比漏电流的最大允许极限更大的其它阈值（例如25安培），在该漏电流最大允许极限以上上述接地故障保护功能将控制信号VC箝位于其零牵引功率值。马达电枢电流的阈值大小最好近乎是各牵引马达将正常传导的最大电流的两倍，在本发明的一种实际应用中，已选择3，000安培的阈值大小。为了尽可能快地响应闪络的出现，最好借助于模拟电路而不是微计算机来执行检测功能。

在图4中示出了闪络检测装置32的目前最佳的实施例，现在对其进行说明。分别将马达电枢电流反馈信号I1、I2等提供给比较器35、36等的阵列的第一输入端。同样的比较器的第二输入端共同连接到用于导出对应于前述马达电流的大阈值最值的预定常数值K1的偏置信号的适当装置37。这些比较器的输出端分别通过二极管38、39等耦合到依次通过缓冲器41和另一二极管42连接到PNP晶体管43的基极的线路40。晶体管43的发射极通过二极管44的电阻45连接到相对正的恒定电位的控制电压总线（+），电阻46连接在晶体管基极与二极管44和电阻45的接点之间。晶体管43的集电极通过电阻47连接到在图4中用加圈的负号表示的基准电位总线，它还通过电阻48连接到闪络检测器的输出线33。通常没有一个所馈信号I1、I2等的量值超过K1，所有的比较器35、36等具有高输出，二极管38、39等是反向偏置的（即非导通），线40上的信号为高，晶体管43截止，电阻47中无电流流过，该晶体管的集电极（以及线33）的电位相对于参考电位为低或零，故该检测器不输出故障信号。然而，当马达电流反馈信号中的任何一个（或更多）升高到K1以上时，所关联的比较器的输出将转换为低状态，导致线40上的信号为低，二极管42导通，这样正向偏置晶体管43的射基结，此时该晶体管导通并通过它的集电极电阻47传导电流，从而升高集电极电位并在输出线33上产生高故障信号。

如可从图4中所见到的，线23上的电流反馈信号表示牵引交流发电机12的电枢绕组中的电流IGND的大小，将该电流反馈信号加到附加比较器51的一个输入端，比较器51上的另一个输入端连接到用于导出对应于前述IGND的高阈值量值的预定常数值K2的另一偏置信号的合适装置53。比较器51的输出通过二极管54耦合于线56，接着通过缓冲器57和二极管58连接到晶体管43的基极。通常地电流反馈信号的大小不超过K2，比较器51输出为高，二极管54为反向偏置（即非导通），以及线56上的信号为高。但是，当该反馈信号的量值升高到大于K2时，比较器51的输出转换为低状态，这导致线56上的信号为低，二极管58导通，从而导通晶体管43并在输出线33上产生大故障信号。事实上，二极管42和58形成一“或”逻辑电路，其使得该检测器响应交流发电机电枢绕组中漏地电流的非正常增值或在任何一个牵引马达中的电枢电流的非正常增值产生故障信号，在两种情况下这种增加均是由马达换向器上的闪络引起的。

如图4所示，线23上的漏地电流反馈信号还加至求和装置59，在该装置中将该信号减去线61上的另一信号。线61上的信号具有对应于IGND的定额降低阈值电平（例如，约0.5安培）的预定常数K3。如果IGND高于该电平，则由求和装置59所得的合成数值启动定额降低程序62，如前面引述的加拿大专利1，266，117号所全面公开的，定额降低程序62以减小交流发电机场电流大小的方式修正线19（见图1）上的控制信号VC的数值，因此交流发电机12的功率输出减小为其通常所需量值的几分之一，该分数反比于超过定额降低阈值电平的漏电流大小，并在该漏电流值起过其最大允许极限（例如约一安培）时等于零。注意当达到上面最后所提到的极限时K2大于线23上的反馈信号值。

返回到图3，每当闪络出现时检测装置32在输出线33上产生的故障信号通过数据线21加给交流发电机励磁电流源17。按照本发明，励磁电源17在交流发电机场电流的路径中配备有固态可控电子阀，以响应产生的故障信号快速将该电源从交流发电机场绕组12F去耦，于是交流发电机场中的励磁电流大小迅速减小为零，主交流发电机12的输出电压也相应地降低。该部分闪络保护装置的组成，操作和优点现在参照图5进行更为详细的描述，该图示出励磁电流源17目前最佳的实施例。所示电源17含有一个三相桥式整流器64，它由互连的六个可控单向电子阀或其栅极分别接收来自如标明为“晶闸管桥控制”的常规控制装置65的周期起动或接通信号的晶闸管形成，这种起动信号与加到电桥64三个交流输入线18的三相交流电压同步。该三相交流电压由交流发电机12的辅助绕组获得，因此它们的频率及幅度将随原动机的旋转速度（RPM）而变化。一般该输入电压量值范围为空转速度下的近30伏有效值到满速下的68伏有效值。为了实现如前面所述的所要求交流发电机场调节，控制装置65工作以推进或延迟起动信号的时序，其为线19上控制信号VC与代表交流发电机输出电压V的反馈信号之间的任何误差的函数。

在图5所示，整流电桥64的负直流输出端N直接连接到主交流发电机场绕组12F的一端，该电桥的相对的正输出端P通过线66、交流发电机场开关的常闭触点12C以及线67连接到场绕组12F的另一端。场12F与触点12C被较小欧姆值（例如，2欧姆）的限压电阻68旁路，该限压电阻与一个正端连接到线66及负端连接到线67的双极性电压导通装置69串联。导通装置69在正常状态下提供很大电阻并基本上为开路。但是，当线67的电位相对于电桥64的输出端N为负并超过第一预定导通电平（例如，1000伏）或线66的电位相对为正并超过可等于或不同于第一导通电平的第二导通电平时，则适当地构造并安排导通装置69突然转换为很小电阻的状态。只要装置69处在所说后一状态下，场12F中的任何励磁电流将通过2欧姆电阻68循环或“空转”。

可控电路装置70与电桥64的正输出端P与线66之间场开关触点12C串联连接。在所图示的本发明实施例中，电路装置70含有一高速、固态可控电阀71，其与依次含有与非线性电阻元件73并联的缓冲电容器72的阻抗装置并联连接。如图5所指出的，阀71最好是闸门电路断开装置（GTO）。另一方面，该阀可含有一功率晶体管或可控硅整流器与外部通信装置的常规组合。

GTO装置71（通常称之为GTO晶闸管）是一种多层半导体，当其栅极由一合适的接通或起动信号触发时它自由地传导“正向”负载电流（即流入其阳极并流出其阴极的电流），并在负的截止信号交替加于同一栅极之后有效地阻截该电流。在本发明的一种应用中，该晶闸管定额在导通时传导450安培稳态单向负载电流，而在截止时承受超过1，600伏的正向电压，这种晶闸管能够响应适当大小的截止信号成功地截断高达1，2000安培的电流。GTO71导通时其极性可传导励磁电流。为在反向极性电压冲击时保护GTO晶闸管免于破坏，它由反向接入的二极管74旁路，若有必要该二极管74也可包括在GTO结构中。

每当GTO晶闸管或阀71处于导通状态时，它对正向负载电流呈现很小的电阻。这时励磁电流可从端P通过电路装置70、触点12C（假定闭合）及主交流发电机场12F流向端点N。但在其截止状态该阀电阻具有如此高的欧姆值以致阻截或中断正向负载电流。为在这两种替换状态之间改变GTO阀71，在其中接入标明为“GTO控制”的合适控制装置80。该控制装置80响应线33上接收的故障信号而工作，以将GTO阀71从第一状态变化为第二状态，并同时将输出线81上的常高（“1”）“状态”信号改变为低（“0”）状态。该控制装置80也响应输入线82上接收的“启动”信号而工作以将GTO阀71从第二状态改变为第一状态。线66中的电流传感器83耦合于控制装置80以提供表示供给交流发电机场12F的励磁电流（IF）的大小的反馈信号。

电路装置70中的非线性电阻元件73一般称为“变阻器”。它由当所加电压值增加时其欧姆值减小的合适材料（例如，硅碳化物）制成，从而使通过该元件的电流随该电压的n次幂而变。一般n大于3。变阻器的一种有用形式熟知为砂砾特盘（Thyrite  disk）。在本发明的一种应用中，图示元件73包含一并联的两砂砾特盘的组件。当该元件的端电压为150伏时它的电阻（在25℃）约为1，100欧姆，并在所加电压增加到1，600伏时下降到2欧姆以下。

当发生闪络并且控制装置80响应由闪络检测装置32在线33上产生的故障信号将GTO阀71断开时，交流发电机场励磁电流迅速地从阀71传送（“传达”）到并联阻抗装置72、73，在其中它遇到高电阻。电容器72限制GTO阀端电压的变化速率。由于为非线性，变阻器73的电阻值随断开阀71的端电压升高而减小，并将该电压的最大电平限制为安全值。GTO阀71的断开过程实际上有三个阶段。一但GTO断开信号被加于该阀的栅极，在正向负载电流开始减少之前存在暂时的延迟（通称为“存储”时间）。然后，在称为“下落”时间的很短间隔内，电流迅速减小为很低的量值。阀71的断开时间（例如，约15微秒）为该存储时间与下落时间之和，然而，断开信号不必在一较长间隔（称为“尾部”时间）的终端之前被除去，该时间间隔为阀完全恢复其承受断开状态电压而不过早地转换为导通状态的能力所需要的时间。在所说的后一时间间隔内，该阀将继续随其电阻的增加和端电压的升高传导较小量值的正向负载电流（通称为“尾部”电流）。在该过程结束时，GTO阀71中无负载电流，放加于该阀主电极的断开状态电压与整流电桥64的直流输出端P、N两端的电压相同（例如，约50伏），并且电桥64有效地从交流发电机场绕组12F去耦合。

在以上所归纳的该阀的断开过程中，高阻抗的变阻器73插在交流发电机场励磁电流的路径中，这马上降低该交流发电机场中的电流量值。快速变化的电流在场绕组12F中引入高电压。该电压很快达到导通装置69的负导通电平，故导通装置将转换为其很小电阻的状态，从而将2欧姆电阻68连接在场12F两端并允许当场电流连接减小时部分场电流通过电阻68而循环。场电流量值的衰减导致主交流发电机12的电枢绕组中更大的电流衰减，并且交流发电机输出电压和电流迅速下降。图2B演示出根据交流发电机输出电压V的量值场电流每衰减1安培交流发电机输出电流的减少，在约5安培到近乎15安培之间发生变化。在励磁电流路径中快速插入阻抗和从交流发电机场12F去耦整流电桥64的有益结果由下面对交流发电机的闪络响应的说明会得到更好的理解。

主交流发电机12是无阻尼或阻尼器绕组的高电抗、凸极同步机器。如果连接到该机器电枢绕组输出端的负载电路被闪线络短路，电枢电流的幅度会趋向于徒然增加到远高于正常值的峰值，然后随时间衰减。电枢绕组中电流的初始增长产生几乎直接对抗场磁动力的磁动力（MMF），从而趋向于去磁或削弱该机器定子转子气隙中所得到的磁场。去磁磁动力在场12F中感应额外的电流，因此总磁通链将保持恒定。励磁电流源17中受控整流电桥64的控制装置65通过启动校正作用响应输出电压V中的合成变化，但其响应时间太慢，并且电桥64的电压不足以防止该场电流的增加。只要励磁电流源17保持不变，则由交流发电机的瞬变电抗（更准确地说，为直轴瞬变电抗）和交流发电机电枢绕组与其换向器发生闪络的牵引马达之间的电流路径中的电抗来确定短路电流的初始峰值大小。接着发生的电流衰减的时间常数由励磁电流路径中的电感和电阻确定。当以描述的GTO阀71开始断开且励磁电流路径中的电阻有效增加时，该时间常数马上就变得非常小并且励磁电流很快地衰减为零。事实上，交流发电机的电抗迅速从其起始较低的瞬变值（不超过该机器的稳态同步电抗的约30%）增加到其同步电抗的数值，同时电枢电流值相应地减小。如果励磁电流源如所述迅速地与场12F去耦合，则交流发电机12的输出电流将从其到达最大有效短路值之前的初始冲击开始下降。在本发明的一种应用中，至有故障马达的峰值短路电流在无这种改进的闪络保护装置、能够提供28，000安培或更大电流的推进系统中已限制为约18，000安培，而在有故障马达电路中的电路已限制为其在其它情况下的25%左右。

如前所述，电路装置70中的GTO阀71由控制装置80响应线33上的故障信号和线82上的启动信号在其通和断状态之间变化。控制装置80目前最佳的实施例在图6中示出，下面对其进行说明。它含有用于将实现该装置的接通的正电流或实现该同一装置的断开的相对负的电流提供给阀71的栅极的合适的选通装置85。为了提供接通信号，相对于阀71的阴极电位具有约5伏的正电位的合适电源通过低欧姆值（例如0.5欧姆电阻86、第一可控固态开关87及线88连接到GTO阀71的栅极。开关87最好是常规电源场效应晶体管（FET）。电容器90连接在该开关的高侧与GTO阀71的阴极之间。当第一开关87的状态从非导通变为导通时，+5伏的接通信号源立即施加给GTO栅极，该电源最好包含电能存储装置（例如，每次预充电到较高电压电平、例如13伏的较高电容量的电容器），当开关87开始导通时该电容器迅速地放电，以将导通能量的初始脉冲提供给GTO71的栅阴结，此后开关87继续传导来自+5伏电源的所需吸持电流。为提供GTO阀71的断开信号，将其栅极连接到相对于GTO阴极有近似为13伏的负电位的控制电压端（通过线88）以及最好含有两个或更多个安排成一致导通和断开的并联FET阵列的第二可控固态开关89。第二开关89被电阻器91以及包含另一与电容器串联的电阻的电路92旁路。当第二开关89变为其导通（接通）状态时，上述电容器将通过该开关放电，从而反转线88中电流的流向。GTO阀的栅阴结的电流将从其正吸持电流值（例如，+6安培）迅速地变化为（例如以每微秒约40安培）负峰值大小（例如，约100安培或更大，取决于被换向的负载电流大小），以恢复该阀截断正向负载电流的能力。一旦GTO阀断开并且尾部时间终止，它将保持断开直到另一接通信号加至其栅极，并且其栅阴结的电阻将负的栅极电流限制为微小量值。GTO阀的栅极电位在该装置接通时略微高于阴极电位，并且当阀71断开且第二开关89导通时几乎与13伏端的电位相同。

由所组合的逻辑装置93选择地控制两个开关87和89导通状态，因此在任何时间仅一个开关导通（接通）。逻辑装置93的第一输出线94通过放大器95耦合于第一开关87的控制端，第二输出线96通过双工放大器95连接到第二开关89的控制端。该逻辑装置93加有线33上的故障信号及线82上的启动信号。线33和82分别通过合适的光耦合器98连接到逻辑装置的两个不同输入端。逻辑装置93还提供有代表励磁电流路径的线66中电流I2的大小（由图5中电流传感器83所检测的）的反馈信号，并且它通过线99与第二开关89耦合，该线99为它提供等于开关89两端电压值的反馈值。以下面所描述的方式，逻辑装置93响应其各种输入信号在其相应输出线94和96上形成下列交变信号组合：（1）线94上的输出信号具有高或“通”状态，这导致第一开关87导通，从而将可控GTO阀71变为其导通状态，而线96上的信号同时为低，以致将第二开关89偏置为其非导通状态;或（2）线96上的输出信号为高或“断”状态，这导致第二开关89导通，由此使GTO阀变为其断开状态，而线94上的信号同时为低，以致将第一开关87偏置为其非导通状态;或（3）输出线94及96上的信号均为低。

逻辑装置93的本最佳实施例利用多个适当互连并安排执行下面参照图7描述的各种功能的双输入模拟逻辑电路。为方便起见，在图7中以某种程度上简化的形式符号地示出了各个逻辑电路，下文中称之为“单元”。一种单元仅在其第一输入为高而其其它输入为低（“0”）时，有高（“1”）输出状态，后者输入称为“非”输入。实际上，可用其它等价的逻辑电路执行这种相同的功能，例如常规“与”逻辑电路与其第二输入端之前的极性反向器的组合，或常规“或非”逻辑电路与其第一输入端之前的极性反向器的组合。

如图7所示，故障信号耦合到第一单元101的“非”输入端。该单元101的第一输入端连接到其上通常有高电平信号形成的线102，该单元的输出端通常为高状态，因为它的“非”输入在无故障信号时为低。第一单元101的输出端连接到第二单元103的第一输入端，第二单元103的“非”输入连接以通常为低输出状态的第三单元104的输出端。通常为高状态的第二单元103的输出通过线105连接到“与”逻辑单元106的第一输入端。启动信号耦合于“与”逻辑单元106的第二输入端。如下文中将要更详细地说明的，只要激励控制装置12D关闭交流发电机场开关的触点12C，则启动信号为高;否则，“与”单元106的第二输入端为低。

假设场开关触点12C是闭合的（其常态），“与”逻辑单元106的通常输出状态为高。该单元的输出端通过“或”逻辑单元107耦合到另一单元108的第一输入端，该单元108的“非”输入连接到其上通常不存在高电平信号的线109。结果，逻辑单元108的输出状态通常为高。该单元在连接其输出端的线110上形成命令信号“OND”。该信号具有第一和第二交变状态;它的第一状态为高并与单元108的常高输出状态一致，而它的第三状态为低并与单元108的低输出状态一致。

在单元108的输出线110与逻辑装置93的第一输出端94之间有一带两个输入端的“或”逻辑单元111。该单元的第一输入端直接连接到线110，由此单元111可有效地在输出端94上产生高电平信号（即接通GTO阀71的前述“通”状态），同时在线110上具有高电平命令信号OND。单元111的第二输入端也连接到线110但通过图7中标以“延迟”的第一计时器112。计时器112是一常规的“单触发”时间延迟电路，其第一输出端为常低但一当加到该电路输入端的信号从低变为高电平将变为暂时的高状态，然后将在一个固定的时间间隔内保持为高电平即使输入信号更快地从高电平高为低电平，并将自动地在该间隔结束时返回其常低状态即使输入信号保持为高。延迟计时器112的目的是确保加于GTO阀71栅极的任何导通信号至少具有要求的最小时间间隔（例如，65微秒），以允许并联电容器72在每次GTO阀71的状态从断变为通时完全放电。因此适当调节该计时器从而它的单触发高输出状态等于这种最小间隔。

单元108的输出线110也连接到另一单元114的“非”输入端。第一计时器112的第二为常高的输出端连接到单元114的第一输入端。结果，单元114的输出状态与第一输出线94上的信号状态相反。由图7可见，单元114的输出线115借助于带有两个输入端的“或”逻辑单元116连接到逻辑装置93的第二输出线96，一个输入端通过第二计时器117（标明为“最小截止”）连接到线115，另一输入端通过线118连接到另一单元119的输出端，单元119的第一输入端连接到线115，其“非”输入端连接到线120，当GTO阀为通时线120上提供有高电平信号，但当正常状态下GTO阀载止时则不产生高电平信号。只要线110上的命令信号OND为高，线115上的信号为低，因此“或”逻辑单元116的输出状态为低。但当命令信号响应“与”逻辑单元106输入端的任何一个高信号的去作而变为低状态时，则好象有一高的故障信号被加到第一单元101的“非”输入端，输出线94上的信号从高状态变为低状态，而线115上的信号变为高（但不是在延迟计时器112已将其第一和第二输出端返回到它们各自的低和高正常状态之前）。最小截止计时器117（基本上与单触发延迟计时器112相同）响应线115上信号的低到高跃迁，暂时地将一高电平信号加到“或”单元116，由此在第二输出线96上产生高信号（即前述用于断开GTO阀71的前述截止状态）。一旦以这种方式产生，线96上的高信号将在从线115上的信号由低变为高状态的瞬时测得的所需最小间隔内保持为高。适当调节计时器117以确保加于阀71栅极的任何截止信号的持续时间等于或超过该阀的前述截止和尾部时间之和。

线115也通过第三计时器122（标明为“截止脉冲”）连接到线109。该截止脉冲计时器122类似于延迟计时器112，它工作以防止命令信号OND在从高状态变为低状态之后继续其高状态达一个预定周期（即，约一秒），以便延迟下一GTO导通信号。该延迟周期有两个用途。它确保GTO阀71截止时间不能在完成确定的系统响应功能之前返回其导通状态，如下面参照图8所描述的。它也允许缓冲电容器72在阀71返回导通状态之前通过并联变阻器73放电到整流电桥64输出电压的较低电平（例如，约50伏）。注意当在GTO阀71截止过程中交流发电机励磁电流IF从该GTO阀换向到阻抗装置72、73时（见前面图5的说明），电容器72充电到高电压（例如，1600伏或更高）。然而，因为截止脉冲延迟，存在足够充分的时间供电容器在产生下一GTO导通信号之前释放这种高电压，并且当该阀再次导通时相当小的剩余电荷不会引起损坏或难对付的切换损耗。结果，GTO缓冲电路得到简化，并通过省去与电容器72串联的常规电流限制电阻（被接入传导充电电流的二极管所旁路）而使其成本和尺寸最小。

工作时，图7所示的截止脉冲计时器122具有常低输出，但是一当线115上的信号从低变为高它的输出就变为高状态，然后在预定延迟周期结束时自动返回到正常状态。这种暂时的高输出由线109耦合到单元108的“非”输入端，因此单元108的输出状态保持为低，同时定时器122具有高输出。它也由线109耦合到第三单元104的第一输入端，第三单元104的“非”输入端连接到线105，并与第二单元103的输出具有相同状态。很显然单元104的输出状态通常为低，线105上的信号与加到单元103第一输入端的高信号时间，但是一旦高故障信号被加到第一单元101的“非”输入端，线105上的信号从高状态变为低状态并且只要截止脉冲计时器122的输出为高其保持在低状态。

线105连接到另一单元124的第一输入端。单元124的“非”输入端连接到线125，在该线上通常不存在高信号，因此该单元的输出通常为高状态，该输出用作提供在GTO控制装置80的输出线81上的前述状态信号。每当GTO阀71的状态为“良好”时（即，当GTO阀导通且其栅极未短路时）它为高。但是一旦将故障信号提供给逻辑装置93，线105上的信号以及因此单元124的输出就从高变为低，从而指出“坏”状态（即，GTO阀为截止）。在截止脉冲定时器122的输出为高的周期内上述单元104保持坏状态。

如很快将会明白的（见图8的说明），控制器26包含响应用于立即使交流发电机场开关控制装置12D去激励的状态信号的高到低变化的装置，由此导致开关触点12C打开并使加到逻辑装置93的启动信号由高变为低状态。接着再激励控制装置12D，从而使触点12C返回其正常关闭的位置并恢复启动信号的高状态。在启动信号为低的整个时间区间，“与”逻辑单元106的输出为低，线110上命令信号OND保持为低，不能产生GTO导通信号。但是一当恢复了启动信号的高状态（假定预先除去高故障信号且截止脉冲计时器122的突出已返回其常低状态），单元106的输出从低变为高，命令信号OND返回其高状态，线115上的信号变为低，输出线96上的信号从高状态变为低状态，由此终止GTO截止信号，同时输出线94上的信号从低变为高从而导致GTO选通装置85施加导通信号给GTO阀71的栅极。

在GTO阀71的栅极短路的情况下，该阀在截止信号加于其栅极时将不能达到截止。逻辑装置93包含用于检测这种非正常状况和防止GTO控制装置80发生损坏的装置。该装置最好具备短路栅极检测和保护特征，这些特征在R.B.Bailey和H.J.Brown并此同时提交并转让给通用电气公司的共同未决的美国专利申请（20-LC-1571）中予以公开并提出了权利要求。如图7所示，它包含最小截止计时器117、逻辑单元119以及用于将线99上的反馈值（即，图6中截止开关89两端的实际电压）与预定的较小参考量值K4（即，约0.7伏）进行比较的合适装置127。选择K4等于截止开关89（每当该开关处在其导通状态而GTO阀71的栅极的负电流等于一定的高阈值（例如，约100安培）时两端产生的电压，该电压通常仅在该阀的成功截止过程的截止和尾部时间期间碰到，并且它远小于开关89偏置为非导通状态时两端的电压，只要线99上的反馈值大于K4比较装置127具有高输出状态，当截止开关89导通并且传导高电流或者截止开关和GTO阀二者均截止时以上情况是正确的，但是当截止开关89导通而不传导明显的电流时则是不正确的。在后一种情况下，比较装置输出为低状态，比较装置127的输出状态借助于线120传送到逻辑单元119的“非”输入端。只要该输入为低，逻辑单元119的输出（即线118上的信号）将跟踪线115上信号的高和低状态，否则线118上的信号为低。

工作时，一当线115上的信号响应加到逻辑装置93的高故障信号而从低变为高，最小截止计时器117的输出从其常低状态变为高状态，这种状态一直维持只到前述最小间隔结束。这种暂时的高输出由“或”逻辑单元116耦合到逻辑装置93的第二输出线96，从而如前所述使传导断开GTO阀71所需的负栅极电流的截止开关89导通。当开关89初始导通时，其两端的电压衰减为很小的量值，比较装置127的输出线120上的信号从高变为低。同时，单元119使线118上的信号从低变为高。此后开关89中负的GTO栅极电流迅速地增加并很快超过线99上的反馈值等于K4的阈值，随后线120上的信号返回它以前的高状态，而线118上的信号返回它以前的低状态。在正常GTO截止过程中，负栅极截止电流从大峰值下降为微小量值，截止开关89两端的电压在阀71的尾部时间结束之前将减小到小于K4。当该电压下降到低于K4，线120上的信号再次变化为其低状态，同时单元119将线118上的信号变为高状态。线118上的信号由“或”逻辑单元116耦合到第二输出线96，从而在最小截止计时器117的输出在最小间隔结束时自动转变为其低状态以后维持该线上输出信号的“截止”状态。

但是，如果将GTO阀71的栅极短路，在试图截止过程中负栅极电流不会衰减。在这种情况下，开关89的端电压不会下降到低于K4，线118上的信号将保持为低，一当最小截止计时器117的输出在最小截止间隔结束时返回其正常的低状态时，输出线96上的信号就返回低状态。输出线96上的合成低信号将使开关89偏置为其截止状态，从而除去该开关假若未被截止另外会形成的从GTO阀栅极到13伏控制电压端（见图6）的低阻路径。中断阀71短路栅极中的负电流将保护开关89免于在最小截止时间间隔结束之后继续传导大电流而引起的损坏。为保护短路栅极检测器的正确操作，最小截止时间间隔约为80微秒。

检测短路栅极还引起逻辑装置93的线125上信号的低到高状态变化。如图7所示，该信号由逻辑单元128提供，单元128的第一输入端连接到线115，其“非”输入端连接到线118。如果在上述线115上低到高状态变化之后检测短路GTO栅极，线118上的信号为低。在这种非正常情况下，线125上的信号为高，单元124的输出状态必须为低，从而在前述截止脉冲计时器122提供的延迟周期结束以后将继续指示坏状态。

逻辑装置93包含用于在交流发电机励磁电流IF超过预定的大于响应闪络所获得的最大励磁电流的非正常高电平（例如，1200安培）时防止线110上的命令信号OND从高状态变为低状态的附加装置，从而在IF大于该电平的情况下禁止产生GTO截止信号。如图7所示，交流发电机励磁电流反馈信号最好加到比较器130的第一输入端，该比较器的另一输入端连接到合适的装置131，该装置131用于导出相应于前述IF的高电平的预定常数量值K5的偏置信号，其远大于（例如，超过2.5倍）推进系统正常满负荷工作期间IF的最大值，但是当发生闪络时则不大于所观测的IF值。比较器130的输出通常为高，但在励磁电流反馈信号值超过K5时变换为低状态，该输出通过线102传送到第一单元101的第一输入端，它还传送到另一其第一输入端连接到线110的单元132的“非”输入端。单元132的输出耦合到“或”逻单元107两输入端之一。只要IF还未达到预定的高电平，逻辑装置93如前面所说明般工作。但是如果IF超过该电平，比较器130的输出从高变为低状态。线105上的信号从高变为低，从而引起状态信号的相应变化，并且逻辑单元132产生高输出，该高输出不考虑“与”逻辑单元106而将线110上命令信息OND“封入”高状态。只要OND为高，GTO选通装置85将不产生GTO截止信号。本发明的该特征有两个有益的目的。如果电源整流电桥13中的二极管未能阻截反向电流，在主交流发电机12的输出端产生的短路将使IF超过K5。在这种情况下最好让交流发电机输出电流上升到足够高的量值，以烧断与出故障的二极管相连的熔丝，从而将有故障二极管与推进功率电源隔绝。为避免干扰这种所需要的响应，附加装置130-132防止截止GTO阀71。附加装置也使得GTO阀的换向能力（即可由该阀成功地截止的最大电流）低于IF的最大可能值，从而使该阀的成本和尺寸最小。

已描述了如图5-7所示交流发电机励磁电流源17目前最佳的实施例，下面再参照图3来说明改进的闪络保护装置的剩余部分。电源17的输出线81上的状态信号通过数据链21耦合到控制器26。一当由于在牵引马达15、16等中的一个或多个的换向器上发生闪络而使闪络检测装置32的输出线33上的常低信号变为高时，励磁电流源17中GTO控制装置80就同时将截止信号加到GTO阀71，并除去线81上的常高状态信号。状态信号的这种高到低变化使控制器中激发两种功能。第一种功能由图3中框140表示，其上加有一组马达电枢电流反馈信号I1、I2等，即当状态信号从高变为低时识别电枢电流值超过预定的高阈值的任何马达。所述阈值（例如，约2，000安培）大于所有正常状态下电枢电流的最大值。对识别功能140适当地编程以读出电流反馈信号的大小，将每一个与对应于前述阈值的数值进行比较，并存储电流大于该阈值的任何牵引马达的标识号数（“＃X”）。假定马达＃X将遭到闪络。有故障马达的识别可在框140的输出线141上获得。

状态信号所启动的另一功能在图3中用标有“系统响应功能”的框142表示。适当地设置它及时响应线81上状态信号的任何高到低变化控制以下作用：发动机调速系统25的速度识别信号变化为其空转值;控制器26的励磁控制装置中的电源参考值复位到零，从而暂时将对应于IF＝0的值施加到控制信号VC上;闪络信息进入显示模块30，有故障马达的识别被记入;“开”命令通过线143传送到场开关控制装置12D，以便去激励12D，使得触点12C的操作机构将该触点从其常闲位置移动到其交变的开路位置;对所有马达接触器15C、16C等发出接触器开路命令;一当相应马达中的电枢电流减小到可由相关接触器可靠地中断而无难对付的飞弧或焊接的预定电平，这些开路命令中的每一个就传输到马达接触器的操作装置29（但是在发出开路命令之后不迟于5秒），以及触发“闪络计时器”。由于这些动作的结果，励磁电源17中受控整流电桥64的起动信号被延缓，以致该电桥的输出电压很快减小为零，励磁电流路径中的场开关触点12C开路（尽管交流发电机场12F可由循环通过电阻68和导通装置69的剩余电流继续激励），并且所有牵引马达从推进系统的直流总线14断开。每当检测到闪络，励磁电流路径中固态控制阀71的快速响应将导致交流发电机输出电流迅速地从其前述初始冲击下降。结果，各马达电流迅速地减小，且发出接触器开路命令与传输接触器开路命令之间的时间延迟较短。注意当控制装置12D和操作装置29分别接收开路命令时，场开关和马达接触器的触头将不会立即分开，这是因为这些电机装置操作中的固有时间延迟（例如，约100毫秒）。到与故障马达串联的接触器开路时，则闪络被消除，闪络检测器32的输出线33上的故障信号被消除。只要场开关触点12C是开路的通过线82从场开关控制装置12D中到励磁电流源17中控制装置80的前述启动信号将为低状态。

在完成前段描述的作用以后，系统响应功能142将控制几个附加的作用：将接触器关闭命令传输到马达接触器的操作装置29以便重新闭合所有的接触器15C、16C等，除了用前述功能140所识别的与有故障的牵引马达（即，马达＃X）相关联的接触器以外;通过线143将“关闭”命令传送到场开关控制装置12D以便激励12D，从而令它使触点12C返回其闭合位置;允许发动机速度识别信号恢复由节流阀27的位置确定的数值。当控制装置12D接收到线143上的关闭信号，线82上的启动信号马上从低变为高状态，励磁电源17中的GTO控制装置80自动地响应该状态变化产生使GTO阀71返回到前述导通状态的GTO导通信号。但是，在以前的GTO截止信号被来自闪络检测器32的故障信号激发之后不能在比大约1秒（逻辑装置93中截止脉冲计时器122提供的延迟周期）更快的时间内产生该导通信号。线81上的状态信号的高状态根据该一秒延迟周期的结束自动地恢复（假定在该时间闪络检测器32不产生故障信号）。由于消除对速度识别信号空转值限制的结果，重新闭合场开关触点12C，并导通GTO阀71，交流发电机励磁电流将线性增加到所要求的稳态值，主交流发电机12此时再次加于未出故障的牵引马达的电源将平滑地增加到由节流阀位置确定的任何电平。在由系统响应功能142中的闪络计时器确定的延时以后，允许操作装置29再闭合与马达＃X相关联的接触器，这种重新闭合实际上发生在通过其空转位置移动节流杆的下一时间。如果闪络发生时机车速度较高（例如，每小时60英里或更高），按通常为正确的情况，这样计算延迟时间以便获得一定的换向器旋转次数，从而当去激励的马达＃X的转子连续被它耦合的机车轴旋转时闪络换向器被安放在其表面上的电刷刷净。较低速度时延迟时间具有预定的最大长度（例如，15分钟）。

虽然为获得以上所归纳的结果可以几种不同的方式实现系统响应功能，目前最佳的方法是对控制器26编程，以执行图8所示的程序。该程序每100毫秒重复一次。它由询问151开始判定线81上的状态信号是否从高变为低。若否，该程序进行到第二询问152判定闪络计时器是否在工作。如果回答是肯定的，该程序的下一步也是最后步骤153将闪络计时器递减1。否则该程序从询问152通过附加步骤154进行到步骤153，步骤154除去可防止与前述有故障牵引马达＃X相关联的马达接触器再闭合的任何约束。在除去这种约束之后，每当控制器26发出命令时由操作装置29再闭合该接触器。

假若对第一询问151的回答是肯定的，图8程序通过一系列步骤160-166（将在下面描述）从该询问进行到最后步骤153。在步骤160中，闪络计数器递增1。下一步161将发动机速度识别信号变为其空转值，将功率参考值复位到零，初始化励磁控制中的其它变量，并为场开关控制装置12D和马达接触器操作装置29发出开路命令。（注意发动机燃料系统的有关时间常数、交流发电机场励磁电路以及它们的相应控制按以下方式，即交流发电机输出电源较慢地响应步骤161的执行，太慢以致不能依赖其保持故障马达中的初始冲击电流达到可能的损坏值。）步骤161后面是步骤162，其中从功能140（图3）输出故障牵引马达的识别，然后进入显示模块30。该相同信息也用在步骤163中，以对与这种马达相关联的接触器施加重闭合约束。

在下一步骤164中，图8程序计算对应于时间延迟的一定的初始计数，该时间延迟少于15分钟或为900除以每小时米为单位的实际机车速度。然后在步骤165通过将前面步骤中所建立的初始计数装入微计算机的寄存器启动闪络计时器。只要该寄存器中的计数未达到零，闪络计时器保持有效。初始计数是足够大的，这样，当以每秒100的速率递减时，如果在计算初始计数时机车速度大于60mph，存储在寄存器中的计数值将在前述最大时间长度（例如，15分钟）结束时、或更快地达到零。一当接触器操作装置29中的位置传感器指出所有马达接触器15C、16C等响应步骤161发出的开路命令已打开就执行下一步骤166。它除去来自速度识别信号的空载限制，发出闭合命令给场开关控制装置12D，并发命令给操作装置29以关闭所有接触器15C、16C等，除了与有故障的马达＃X相关联的接触器以外，只要步骤163所施加的约束是有效的就阻止了这类接触器的再闭合。上述约束一直是有效的直到通过执行步骤154而去除。

尽管已示出并描述了本发明的最佳实施例，毫无疑问本领域技术人员可作出许多改型。例如，可删去常规场开关12C、12D而仍可适当地控制阀71执行其所有的正常功能。此外，交流发电机励磁电源17中的可控硅电桥64可用二极管整流电桥代替，在该情况下控制GTO阀71作为通常开关调节元件操作以便按要求调节交流发电机场电流的平均值。因此所附权利要求书意在覆盖在本发明实质与范围内的所有改型。

Claims (26)

1、一种牵引车辆推进系统含有：多个各具有电枢和场绕组以及遭受闪络的换向器的直流牵引马达，具有电枢和场绕组以及由原动机驱动的转子的同步发电机，可控励磁电流源，用于互连所述电流与所述发电机场绕组的装置，以及包括一用于将所述发电机的电枢绕组连接到所述马达的换向器的电源整流器的装置，其特征在于：在该系统中，改进的闪络保护装置含有：

a)每当在任何所述马达中发生闪络时用于产生故障信号的检测装置，

b)连接在励磁电流源与发电机场绕组之间并具有交替的第一和第二状态的固态可控电子阀，所述阀在其第一状态在发电机场励磁电流路径中具有可忽略的电阻，而在其第二状态可有效地将所述电流从发电机场绕组去耦，以及

c)用于响应所述检测装置产生的故障信号将所述阀从第一状态变为第二状态，从而发电机场绕组中的励磁电流量值迅速地下降为零，同时所述发电机的输出电流每当闪络发生时相应地减小的装置。

2、如权利要求1所述的推进系统的改进，其特征在于：以并联电路关系连接阻抗装置与所述阀。

3、如权利要求2所述的推进系统的改进，其特征在于：所述阻抗装置含有与非线性电阻元件并联的电容器。

4、如权利要求3所述的推进系统的改进，其特征在于：所述电阻元件含有一变阻器。

5、如权利要求2所述的推进系统的改进，其特征在于：所述检测装置包含用于导出分别表示所述牵引马达中电枢电流大小的一组反馈信号的电流传感装置，以及当任何一个所述牵引马达中的电枢电流值超过其值大于所有正常状态下的电枢电流大小的预定阈值时响应所述反馈信号以产生所述故障信号的装置。

6、如权利要求2所述的推进系统的改进，其特征在于：所述阀包含当在所述第一状态时传导发电机场励磁电流并在所述第二状态时有效地阻截该电流的闸门电路断开晶闸管。

7、如权利要求6所述的推进系统的改进，其特征在于：所述闸门电路断开晶闸管被反向连接的二极管旁路。

8、如权利要求6所述的推进系统的改进，其特征在于：所述阻抗装置含有与非线性电阻元件并联的电容器。

9、如权利要求1所述的推进系统的改进，其特征在于：发电机场绕组被与电压导通装置串联的较低欧姆值的电阻旁路。

10、如权利要求1所述的推进系统的改进，其特征在于：所述检测装置包含用于导出分别表示所述牵引马达中电枢电流大小的一组反馈信号的电流传感装置，以及当任何一个所述牵引马达中的电枢电流值超过其值大于所有正常状态下的电枢电流大小的预定阈值时响应所述反馈信号以产生所述故障信号的装置。

11、如权利要求10所述的推进系统的改进，其特征在于：所述检测装置还含有与所述同步发电机相关联用于导出表示发电机电枢绕组中漏地电流大小的附加反馈信号的装置，当所述附加反馈信号指出漏地电流值超过其值大于漏电流的预定最大允许限制的另一阈值时便产生所述故障信号。

12、如权利要求1所述的推进系统的改进，其特征在于：所述检测装置含有与用于导出表示发电机电枢绕组中漏地电流大小的反馈信号的所述同步发电机相关联的电流传感装置，以及当漏地电流量值达到预定阈值时响应所述反馈信号产生所述故障信号的装置。

13、如权利要求12所述的对其中同步发电机具有一组三相星形连接的电枢绕组的推进系统的改进，其特征在于：所述电流传感器连接在地与所述发电机电枢绕组的中性点间。

14、如权利要求12所述的推进系统的改进，该推进系统包含与发电机场励磁电流源相关联、用于按该电流与可变控制信号值的函数关系改变该电流大小的装置，以及响应用于确定所述控制信号值的所选输入信号而正常操作的控制装置，所述控制装置包含用于当所述反馈信号指出漏电流量值大于预定定额降低阈值电平但未超过预定最大允许极限时以减小励磁电流量值的方式修正所述控制信号值的装置，其中所述检测装置产生所述故障信号的漏电流阈值大于所述最大极限。

15、如权利要求1所述的推进系统的改进，该推进系统包含与发电机场励磁电流源相关联、用于按该电流与可变控制信号值的函数关系改变该电流大小的装置，以及响应用于确定所述控制信号值的所选输入信号而正常操作的励磁控制装置，其中时间上安排所述励磁控制装置响应由所述检测装置产生的故障信号施加对应于零励磁电流的控制信号值。

16、如权利要求15所述的推进系统的改进，该推进系统包含分别连接在牵引马达换向器与所述电源整流器之间的多个电子接触器，以及用于引起每个所述接触器按需要在闭合和开路位置之间变化的操作装置，其中设置所述操作装置响应所述检测装置产生的故障信号打开所有的所述接触器。

17、如权利要求16所述的推进系统的改进，该推进系统包含用于导出分别表示所述牵引马达中电枢电流大小的一组电流反馈信号的装置，其中电流反馈信号响应装置是提供来每当所述检测装置产生故障信号时用于识别具有非正常的大电枢电流的任何牵引马达，以及其中存在一在所述接触器响应所述故障信号已开路之后操作，以使所述操作装置除了与所识别出的牵引马达相关联的接触器以外重闭合所有的所述接触器。

18、如权利要求17所述的推进系统的改进，其特征在于：设置在所述检测装置初始产生所述故障信号之后防止所述操作装置重闭合所述相关联的接触器达一定时间间隔的装置，所述间隔足够长，以允许所识别马达的换向器在牵引车辆以较高速度推进时旋转一定转数。

19、如权利要求1所述的对含有与所述阀串联的电子开关的推进系统的改进，所述开关具有用于使它在自由传导发电机场励磁电流的正常状态与有效中断该电流的交替状态之间变化的控制装置，其中

安排所述开关控制装置响应所述检测装置产生的故障信号将所述开关从其常态变为其替换状态。

20、如权利要求19所述的推进系统的改进，其特征在于：具有在所述开关已响应所述故障信号变化为其替换状态以后操作以导致所述开关控制装置将所述开关返回其常态的附加装置，其特征还在于：所述状态变化装置自动响应在所述检测装置不产生故障信号时将所述开关返回其常态的所述开关控制装置有效将所述阀从第二状态变为第一状态。

21、如权利要求1所述的推进系统的改进还含有用于检测所述路径中励磁电流量值的装置，以及用于防止所述状态变化装置每当励磁电流量值超过预定高电平时将所述阀变为所述第二状态的装置。

22、如权利要求21所述的推进系统的改进，该系统具有连接在电源整流器与发电机之间的多个保护熔丝。

23、如权利要求1所述的推进系统的改进，其特征在于：设置用来防止所述状态变化装置在其将所述阀从第一状态变化为第二状态之后使所述阀返回所述第一状态达一预定时间周期的装置。

24、如权利要求23所述的推进系统的改进，其特征在于：阻抗装置以关联电路关系与所述阀连接，所述阻抗装置含有与电阻并联的缓冲电容器，其特征还在于：所述延迟周期足够长以允许所述电容器在所述状态变化装置将所述阀从第一状态变为第二状态之后通过所述电阻放电。

25、一种组合，组合有：

a）闸门电路断开晶闸管连接在电流源与负载电路之间，并具有交替的第一和第二状态，所述晶闸管在其第一状态时在负载电流路径中具有可忽略的电阻，而在其第二状态有效地将所述电源从所述负载电电路去耦，

b）与所述晶闸管的并联连接的阻抗装置，所述阻抗装置含有与非线性电阻元件并联的缓冲电容器，以及

c）用于响应故障信号将所述晶闸管从第一状态变为第二状态并响应启动信号使所述晶闸管返回其第一状态的控制装置，

d）所述控制装置包含用于防止它在将所述晶闸管从第一状态变为第二状态以后使所述晶闸管返回所述第一状态一个预定时间周期的装置，所述延迟周期足够长以允许所述缓冲电容器在所述控制装置将所述晶闸管从第一状态变为第二状态之后通过所述电阻元件放电。

26、如权利要求25所述的组合，其特征在于：在所述缓冲电容器与所述闸门电路断开晶闸管之间不存在限流电阻。

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