CN2742676Y - 恒功率励磁调节装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种恒功率励磁调节装置，该装置包括：功率基准输出单元，用于接收机车同步发电机的电流互感器输出的频率信号，并根据该频率信号得到功率基准给定值，输出该功率给定值至功率比较单元；反馈功率采样单元，用于接收同步发电机经整流柜输出的电压、主发电机电流检测整流组上的电流，并计算出主发电机经主整流柜输出的功率，并将该功率输出至功率比较单元；功率比较单元，用于将所述功率基准给定值与所述主发电机经主整流柜输出的功率进行比较，输出调节信号至励磁电流控制单元；励磁电流控制单元，用于根据所述调节信号输出励磁电流。本装置完全脱离微机控制系统，并取用现成可靠的信号，结构简单，成本低廉，可靠性、稳定性强。

Description

恒功率励磁调节装置

技术领域

本实用新型涉及内燃机车技术领域，特别是指一种在东风7C、7G型调车中的恒功率励磁调节装置。

背景技术

在电传动的内燃机车中，柴油机在一定转速下，保证同步主发电机经主整流柜输出的电压、电流在恒功率范围内运行是主要任务。而柴油机在固定转速时，唯一可以人工调节的就是同步主发电机励磁磁通φFL，而磁通φFL取决于励磁电流iFL(φFL∝iFL)，因此，同步主发电机实现恒功率特性的调节实质上是对其励磁电流的调节。

目前，东风7C、7G调车机车包括两套励磁系统。一种是微机控制装置，其励磁调节范围较大，适合柴油机正常运行的任何转速下，所以一般情况，采用这种微机控制装置进行励磁调节；另一种就是故障励磁系统，这是一种简易的励磁系统，励磁调节范围较小，通常在微机控制装置出现故障时，需要采用这种励磁系统替代微机控制装置来进行励磁调节，从而维持机车牵引运行。而故障励磁调节器是故障励磁系统的核心器件。

图1为现有故障励磁器的原理图。参见图1所示，故障励磁器包括恒流源电路、线性电压电流变换电路和稳压电源及其它电路三部分。其中，恒流源电路由二极管DW2、可调电阻W、电阻R2、R3和BG1组成。线性电压电流变换电路包括C2、DW3、R4、R5和BG3。BG3为V-MOS场效应管。它起线性电压、电流变换作用。稳压电源及其它电路：DW1、C1组成稳压电源，J1继电器的作用是在每次回司机控制器手柄断电时其常闭触点短路C2放电，以保证重提司机控制器手柄给电时有相同的输出特性。

上述故障励磁器的工作原理是：来自电压调整器的110V电源经过外接电阻后接到A、B两端，稳压电路对其进行稳压，使A、B之间保持16～19V电压。在恒流源电路中，调节W电位器，改变BG1射极电阻值，控制BG1集电极输出电流的大小。BG1集电极输出的恒定电流对C2进行充电，C2两端的电压随时间按线性规律变化。当BG1的集电极电压达到一定值时，BG3导通，BGS的源极和漏极之间的电流即为励磁电流，励磁电流由0逐渐达到额定值。当每次回司机控制器手柄断电时，J1继电器的常闭触点短路，因此C2放电，从而保证重提司机控制器手柄给电时有相同的输出特性。并且，图中DW3的作用是抵消V-MOS管的阀值电压。但是，当使用该上述励磁调节装置时，由于采用固定电流励磁，即励磁电流恒定，所以无法保证柴油机恒功率，即不能充分发挥柴油机的功率。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种恒功率励磁调节装置，该励磁调节装置可以通过自动控制励磁机的励磁电流，控制同步主发电机的功率，从而控制柴油机的功率，确保机车在柴油机恒定转速时，同步主发电机功率恒定不变，从而使柴油机功率基本不变。

为了达到上述目的，本实用新型提供的一种恒功率励磁调节装置是这样实现的：

功率基准输出单元，用于接收机车同步发电机的电流互感器输出的频率信号，并根据该频率信号得到功率基准给定值，输出该功率给定值至功率比较单元，或，在初始状态直接输出预先设置的功率基准值至功率比较单元；

反馈功率采样单元，用于接收同步发电机经整流柜输出的电压、主发电机电流检测整流组上的电流，并根据测得的电压和电流计算出主发电机经主整流柜输出的功率，并将该功率输出至功率比较单元；

功率比较单元，用于接收功率基准输出单元输出的功率基准给定值、反馈功率采样单元输出的主发电机经主整流柜输出的功率，并将所述功率基准给定值与所述主发电机经主整流柜输出的功率进行比较，输出调节信号至励磁电流控制单元；

励磁电流控制单元，用于根据接收到的所述调节信号输出励磁电流。

所述功率基准输出单元包括：

频率电压变换单元，用于接收机车同步发电机的电流互感器输出的频率信号，并将该频率信号转换为模拟信号后，输出至比例放大单元；

比例放大单元，用于将接收到的频率电压变换单元输出的模拟信号，并将其进行比例放大后，输出至功率基准获取单元；

功率基准获取单元，接收经过比例放大后的模拟信号，并根据自身预先设置的柴油机模拟信号与功率基准值的对应关系确定该模拟信号对应的功率基准值，并将功率基准值输出至功率比较单元。

所述反馈功率采样单元包括：

测压单元，用于接收主发电机经主整流柜输出的电压，并将该电压输出至功率计算单元；

测流单元，用于监测同步主发电机电流监测整流组上的电流，并将监测出的电流输出至功率计算单元；

功率计算单元，用于将接收到的电压和电流计算出主发电机经主整流柜输出的功率，并将计算出的功率输出至励磁电流控制单元。

在所述功率比较单元中，

当所述主发电机经主整流柜输出的功率大于所述功率基准给定值时，所述调节信号为减少励磁电流的调节信号；

当所述主发电机经主整流柜输出的功率等于所述功率基准给定值时，所述调节信号为保持励磁电流的调节信号；

当所述主发电机经主整流柜输出的功率小于所述功率基准给定值时，所述调节信号为增加励磁电流的调节信号。

所述励磁电流控制单元包括：

光电隔离单元，用于将接收到的调节信号进行光电隔离；

脉宽调制单元，用于将经过光电隔离的调节信号进行脉宽调制后，输出脉冲信号至励磁电流输出单元；

励磁电流输出单元，根据接收到的脉冲信号输出励磁电流。

所述测流装置为霍尔测流器。

功率计算单元为乘法器AD532。

所述励磁电流输出装置包括VMOS管。

该装置进一步包括散热装置，与VMOS管相连接。

所述散热装置为主机底座。

本装置根据柴油机的转速确定当前功率基准值，并获取到同步发电机输出功率，当主发电机经主整流柜输出的功率大于所述功率基准给定值时，减少励磁电流；当主发电机经主整流柜输出的功率等于功率基准给定值时，保持励磁电流；当主发电机经主整流柜输出的功率小于功率基准给定值时，增加励磁电流，进而实现在同步主发电机励磁时能够使柴油机的输出功率恒定。

本装置具有如下优点和特点：

(1)本装置完全脱离微机控制系统的依赖，尽量取用现成可靠的信号，硬件结构由一电压电流传感器及一主机部分组成，结构简单，外形小巧，成本低廉，可靠性、稳定性强。

(2)输出电路与控制、检测电路采用光电隔离，避免了系统的相互串扰，大大提高了装置的抗干扰性。

(3)柴油机转速信号直接取自测量同步发电机三相交流电的电流互感器上，波形完整无干扰信号，无需单独的柴油机转速传感器。

(4)测流霍尔传感器测量的是同步主发电机电流检测整流组上1000∶1的值，比例准确、电流值小，只需小量程霍尔传感器就可完成。

(5)主机结构中散热器即作为散热使用又作为安装底座，结构简单，散热性好。

附图说明

图1为现有技术中故障励磁调节器的原理图；

图2为实现本实用新型的原理框图；

图3为实现本实用新型的具体实施例框图1；

图4为实现本实用新型的具体实施例框图2；

图5为本实用新型的电路原理图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对实用新型作进一步的详细描述。

参见图2所示，本实用新型的装置包括功率基准输出单元200、反馈功率采样单元201、功率比较单元202、励磁电流控制单元203。其中，功率基准输出单元200，用于接收机车同步发电机的电流互感器输出的频率信号，并根据该频率信号得到功率基准给定值，输出该功率给定值至功率比较单元，或，在初始状态直接输出预先设置的功率基准值至功率比较单元；反馈功率采样单元201，用于接收同步发电机经整流柜输出的电压、主发电机电流检测整流组上的电流，并根据测得的电压和电流计算出主发电机经主整流柜输出的功率，并将该功率输出至功率比较单元；功率比较单元202，用于接收功率基准输出单元200输出的功率基准给定值、反馈功率采样单元201输出的主发电机经主整流柜输出的功率，并将所述功率基准给定值与所述主发电机经主整流柜输出的功率进行比较，输出调节信号至励磁电流控制单元；励磁电流控制单元203，用于根据接收到的所述调节信号输出励磁电流。

参见图3所示，功率基准输出单元200包括频率电压变换单元301、比例放大单元302、功率基准获取单元303。其中，频率电压变换单元301接收机车同步发电机的电流互感器输出的频率信号，并将该频率信号转换为模拟信号后，将其输出至比例放大单元302；比例放大单元302将接收到的频率电压变换单元输出的模拟信号，并将其进行比例放大后输出至功率基准获取单元303；功率基准获取单元303，接收经过比例放大后的模拟信号，并根据自身预先设置的柴油机模拟信号与功率基准值的对应关系确定该模拟信号对应的功率基准值，并将功率基准值输出至功率比较单元202。

反馈功率采样单元201包括：测压单元304、测流单元305、功率计算单元306。其中，测压单元304接收主发电机经主整流柜输出的电压，并将该电压输出至功率计算单元；测流单元305监测同步主发电机电流监测组上的电流，并将监测出的电流输出至功率计算单元；功率计算单元306将接收到的电压和电流计算出主发电机经主整流柜输出的功率，并将计算出的功率输出至励磁电流控制单元203。

所述励磁电流控制单元203包括：光电隔离单元308、脉宽调制单元309和励磁电流输出单元310。其中，光电隔离单元308将接收到的调节信号进行光电隔离后输出至脉宽调制单元309；脉宽调制单元309将经过光电隔离的调节信号进行脉宽调制后，输出脉冲信号至励磁电流输出单元310；励磁电流输出单元309再根据接收到的脉冲信号输出励磁电流。

并且，在所述功率比较单元中，当所述主发电机经主整流柜输出的功率大于所述功率基准给定值时，所述调节信号为减少励磁电流的调节信号；当所述主发电机经主整流柜输出的功率等于所述功率基准给定值时，所述调节信号为保持励磁电流的调节信号；当所述主发电机经主整流柜输出的功率小于所述功率基准给定值时，所述调节信号为增加励磁电流的调节信号。

下面结合图4对本装置作进一步说明。

参见图4所示，本实用新型的励磁调节器包括频率电压变换单元301、比例放大单元302、功率基准获取单元303、测压单元304、测流单元305、功率计算单元306、功率比较单元307、光电隔离单元308、脉宽调制单元309和励磁电流输出单元310。

其中，频率电压变换单元301由F/V频率电压变换器组成，将电流互感器上取得类似正弦波的频率信号变成模拟直流电压信号，再将其输入至比例放大单元302，通过比例放大器放大后得到与频率信号成正比的模拟电压信号，将该信号送入功率基准获取单元303得出Pref基准给定值，并将Pref基准给定值输出至功率比较单元307，该单元采用PI调节方式控制。这里，Pref基准给定值是根据柴油机的配套性能试验数据，即油耗曲线，以及实际运用经验，得出功率函数曲线Pref＝f(n)。函数发生器即实现这个曲线，以控制恒功性能。

柴油机转速信号直接取自测量同步发电机三相交流电的电流互感器，波形完整无干扰信号，根据同步发电机感应电势频率为 $f=\frac{\mathrm{pn}}{60},$ 对于DF7C、7G调车机车使用的同步发电机p＝9是固定的，所以同步发电机的转速即柴油机转速n与互感器上所取信号频率f成正比。

测压单元304测量来自同步发电机经整流柜整流后输出的电压，测流单元305通过霍尔测流器测量主发电机电流检测整流组上的电流，所述单元测出的电压和电流输出至功率计算单元306。功率计算单元306输出该电压和电流的乘积至功率比较单元307，该乘机即为主发电机经主整流柜后的输出反馈功率信号P。

功率比较单元307根据接收到的Pref基准给定值和反馈功率信号P进行比较，根据比较结果调节励磁电流，输出(中间量)Vp信号。具体比较包括三种情况：

(1)P＜Pref时，增加励磁电流ILL；

(2)P＞Pref时，减少励磁电流ILL；

(3)P＝Pref时，保持励磁电流ILL不变。

光电隔离单元308将接收到的Vp值经光电隔离后，送入脉宽调制单元309。脉宽调制单元309对其进行定频调节后，将其输出至励磁电流输出单元310，励磁电流输出单元310再根据脉冲宽度控制VMOS管输出，从而调节励磁机励磁电流。

在实际应用过程中，上述VMOS管在工作的过程中，可能产生大量的热，所以如果将VMOS管与主机机箱的底座相连接，可以利用主机机箱的底座作为VMOS管的散热器。

当然，为保证机车启动时同步发电机没有剩磁的情况下能够顺利启动，采用通电后给定一个初始的Pref值，从而产生一定的励磁电流的方法为同步发电机励磁。而且，在柴油机每一转速下，需要预先设定好主发电机整流后所应该发出的牵引功率Pref值，在机车运行过程中，通过不间断地调节励磁电流，使主发电机的实际电流输出功率P，永远跟踪Pref来改变。而且，只要Pref恒定，柴油机功率就恒功。

图5为上述实施例的电路原理图。

参见图5所示，频率电压变换单元301包括R1、R2、R3、D1、D2、C4、C5、C6、C19、LM2907。其中，R1、R2的一端分别连接机车同步主发电机的电流互感器一个输出端，D2的负极、D1的正极、C3连接以及R1的另一端接地，D2的正极、D1的负极、C3的另一端与R2的另一端以及R4的一端相连，R4的另一端接LM2907的管脚1，LM2907的的管脚2通过C5接地，管脚3、4通过R3、C4、C19接地，并且R3、C4、C19三者之间并联。LM2907的管脚11、12接地，管脚8、9与+12V相连，管脚5、10与比例放大器器的R5相连。这里，来自电流互感器的频率信号经过LM2907实现频率电压转换，然后输出电压信号至比例放大单元302。比例放大单元302包括R5、R6、滑动变阻器W1、放大器A3B。其中，R5的一端与LM2907的管脚5、10相连，另一端连接滑动变阻器W1的一端、放大器A3B的负输入端相连，放大器A3B的正输入端通过R6接地。放大器A3B的输出端与滑动变阻器W1的中间抽头相连。来自频率电压变换单元301的电压信号经过电压放大器A3B放大后输出至功率基准获取单元303。

功率基准获取单元303包括整流管D4、D5、D6，二极管D9、D10，电阻R18、R25、R52、R53、R54、R7。其中，稳压二级管D4、D5、D6依次串行连接，并且D4的正极连接放大器A3B的输出端，D6的两端分别与R18的两端相连接，D6的负极与R25的一端相连，R25的另一端通过R7接地，D9的负极与R25和R7的连接点相连，D9的正极与D10的正极、R52的一端相连，R52的一端接地，R53一段接地，另一端与D10的负极、R54的一端相连，R54的另一端与电源-12V相连。D9、D10、R52的连接点即为功率基准Pref点。当比例放大单元302放大后的电压信号达到一定值时，电压值经过D4、D5、D6有一定压降后并经R25、R7分压产生一定斜率的输出曲线；当电压信号比较小时，电压经过D4、D5，此时D6不起作用，通过R18、R25、R7分压输出曲线斜率有所改变。R53、R54分压所得值为通电后给定一个初始的较低的Pref值，然后将功率基准值输出至功率比较单元307。

测流单元305包括电阻器R51、R37、R33、R34、R35、电容器C11、放大器A28以及霍尔传感器U2。其中，主发电机电流检测整流组上的电流穿过霍尔传感器，电阻R51一端接地，另一端与霍尔片的M端相连，并且，霍尔片的M端与电容C11以及电阻R37的一端相连，电容C11的另一端接地，电阻R37的另一端与放大器A2B的正输入端相连，电阻R33一端接地，另一端与放大器A2B的负输入端相连，电阻R34一端与放大器A2B负输入端相连，另一端与A2B的输出端相连，A2B的输出端与电阻R35一端相连，电阻R35另一端与乘法单元206中AD532的管脚13相连。主发电机电流检测整流组上的电流穿过霍尔传感器后，霍尔传感器输出电压信号，该电压经过A2B放大后输出至功率计算单元306。

测压单元304包括R41、R42、R43、R44、R45、R46、R47、R48、R49、R50，C20、C21、C22、C23、放大器A5A、A5B、A5D，滑动变阻器W7。

其中，R41、R42的一端分别连接同步主发电机整流柜输出端，1R41、R42的另一端分别通过并联的R43、C20以及并联的R44、C21接地。放大器A5A的正输入端与R43、C20与R41的连接点相连，放大器A5B的正输入端与R42与R44、C21的连接点相连。放大器A5A的负输入端通过滑动变阻器W7与放大器A5B的负输入端相连，并且，放大器A5A的负输入端连接滑动变阻器W7的中间抽头，在W7的中间抽头与放大器A5A的输出端之间并联连接R45和C22，A5B负输入端与输出端之间并联连接R46和C23。放大器A5A、A5B的输出端分别连接R47、R48的一端，R47、R49与A5D的正输入端相连，R49的另一端接地，R48的另一端与R50的一端与A5D的负输入端相连，R50的另一端与A5D的输出端相连，A5D的输出端与乘法器406中的AD532的管脚7相连。功率计算单元306包括AD532、滑动变阻器W2、电阻R36、放大器A2A、滑动变阻器W3。其中，管脚7与A5D的输出端和电容C10相连，AD532的管脚1、2与电阻R36相连，管脚14与滑动变阻器的一端相连，该端与12V电源相连，管脚3与-12V相连，管脚9、10、12接地，管脚11与滑动变阻器W2的中间抽头相连，电阻R36与放大器A2A的正输入端相连，电阻R32一端接地，另一端与放大器A2A的负输入端相连，放大器A2A的工作电压是+12V、-12V，放大器A2A的输出端与功率比较单元307相连，滑动变阻器W3的一端与放大器A2A的负输入端、电阻R32的相连，另一端以及中间抽头与放大器A2A的输出端相连。来自测压单元304的电压信号以及来自测流器305的信号经过AD532进行乘法运算后，再将其进行放大，即得到主发电机经主整流柜输出的功率P。

功率比较单元307包括R8、R9、R10、R12、R13、R14，电解电容C8和C7、C9、D3、W4。其中，功率基准获取单元303输出的Pref与R8电阻的一端相连，R8电阻的另一端与C8的负极相连，C8的正极接地，R8与C8之间的连接点与R10的一端连接，R10另一端与R12的一端、A3A的负输入端以及D3的正极相连，功率计算单元306输出的P与R9电阻的一端相连，R9的另一端与C9以及R11相连，C9的另一端接地，R11的另一端与A3A的负输入端相连，D3的负极与C7的正极以及A3A的输出端相连，C7的负极与R12的另一端相连，C7的正极与D3的负极的连接点与R14的一端相连，R14的另一端与W4的一端及中间抽头相连，W4的另一端与光电隔离单元308的正输入端相连。

光电隔离单元308包括光电隔离器件和R15。其中，光电隔离单元308的正输入端与W4相连，负输入端通过R15接地，输出端分别与脉宽调制单元相连。

脉宽调制单元309包括脉宽调制器件SG2525、C3、C13、C14、C15、C12，R19、R16、R17、R24，稳压二极管DW2。其中，SG2525的管脚1和9相连，SG2525的管脚2与光电隔离单元308的负输出端以及R16与C14相连，管脚5和7与C13相连，管脚6连接R19，管脚8连接C12的正极，管脚15和13与R17的一端、C3的正极、C15的一端、DW2的负极、R24的一端相连，R17的另一端与光电隔离单元308的正输出端相连，并且，C14、R16、C13、R19、C12、C3的负极、C15的另一端、DW2的正极连接110V的负端，R24的另一端与110V的正端连接，管脚14和11分别连接励磁电流输出单元310。励磁电流输出单元310包括R20、R21、R22、R23，MOS管G1、G2、D8。其中，R20的一端连接SG2525的管脚14，另一端与G1的栅极以及R22的一端相连，R21的一端与SG2525的管脚11相连，另一端与R23的一端以及G2的栅极相连，G1和G2的源极与D8的正极相连，两者的漏级、R23的另一端、R22的另一端都与110V的负端相连，D8的负极与110V正端相连，D8的正端即为励磁电流输出点。这里，经过脉宽调制后的信号控制MOS管的输出，进而控制励磁电流的大小。

总之，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1、一种恒功率励磁调节装置，其特征在于，该装置包括：

功率基准输出单元，用于接收机车同步主发电机的电流互感器输出的频率信号，并根据该频率信号得到功率基准给定值，输出该功率给定值至功率比较单元，或，在初始状态直接输出预先设置的功率基准值至功率比较单元；

反馈功率采样单元，用于接收同步发电机经整流柜输出的电压、主发电机电流检测整流组上的电流，并根据测得的电压和电流计算出主发电机经主整流柜输出的功率，并将该功率输出至功率比较单元；

功率比较单元，用于接收功率基准输出单元输出的功率基准给定值、反馈功率采样单元输出的主发电机经主整流柜输出的功率，并将所述功率基准给定值与所述主发电机经主整流柜输出的功率进行比较，输出调节信号至励磁电流控制单元；

励磁电流控制单元，用于根据接收到的所述调节信号输出励磁电流。

2、根据权利要求1所述的恒功率励磁调节装置，其特征在于，所述功率基准输出单元包括：

频率电压变换单元，用于接收机车同步发电机的电流互感器输出的频率信号，并将该频率信号转换为模拟信号后，输出至比例放大单元；

比例放大单元，用于将接收到的频率电压变换单元输出的模拟信号，并将其进行比例放大后，输出至功率基准获取单元；

功率基准获取单元，接收经过比例放大后的模拟信号，并根据自身预先设置的柴油机模拟信号与功率基准值的对应关系确定该模拟信号对应的功率基准值，并将功率基准值输出至功率比较单元。

3、根据权利要求1所述的恒功率励磁调节装置，其特征在于，所述反馈功率采样单元包括：

测压单元，用于接收主发电机经主整流柜输出的电压，并将该电压输出至功率计算单元；

测流单元，用于监测主发电机电流检测整流组上的电流，并将监测出的电流输出至功率计算单元；

功率计算单元，用于将接收到的电压和电流计算出主发电机经主整流柜输出的功率，并将计算出的功率输出至励磁电流控制单元。

4、根据权利要求1所述的恒功率励磁调节装置，其特征在于，在所述功率比较单元中，

当所述主发电机经主整流柜输出的功率大于所述功率基准给定值时，所述调节信号为减少励磁电流的调节信号；

当所述主发电机经主整流柜输出的功率等于所述功率基准给定值时，所述调节信号为保持励磁电流的调节信号；

当所述主发电机经主整流柜输出的功率小于所述功率基准给定值时，所述调节信号为增加励磁电流的调节信号。

5、根据权利要求1所述的恒功率励磁调节装置，其特征在于，所述励磁电流控制单元包括：

光电隔离单元，用于将接收到的调节信号进行光电隔离；

脉宽调制单元，用于将经过光电隔离的调节信号进行脉宽调制后，输出脉冲信号至励磁电流输出单元；

励磁电流输出单元，根据接收到的脉冲信号输出励磁电流。

6、根据权利要求3所述的恒功率励磁调节装置，其特征在于，所述测流装置为霍尔测流器。

7、根据权利要求3所述的恒功率励磁调节装置，其特征在于，功率计算单元为乘法器AD532。

8、根据权利要求5所述的恒功率励磁调节装置，其特征在于，所述励磁电流输出装置包括VMOS管。

9、根据权利要求5所述的恒功率励磁调节装置，其特征在于，该装置进一步包括散热装置，与VMOS管相连接。

10、根据权利要求9所述的恒功率励磁调节装置，其特征在于，所述散热装置为主机底座。

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