廣州地鐵6號(hào)線GKoc1000型內(nèi)燃機(jī)車空調(diào)故障解析

李金亮

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510380）

0 引言

廣州地鐵六號(hào)線GKoc1000型內(nèi)燃機(jī)車（以下簡稱內(nèi)燃機(jī)車）是南車資陽機(jī)車有限公司設(shè)計(jì)的液力傳動(dòng)調(diào)車機(jī)車，適用于城市軌道交通列車的調(diào)車及列車救援等作業(yè)。機(jī)車裝車功率444 kW，最大運(yùn)用速度為80 km/h。其主控電路為24 V，空調(diào)為220 V交流供電的上海立特工業(yè)空調(diào)。機(jī)車采用了PLC控制加彩色顯示屏、微機(jī)控制電液換向等。該機(jī)車在設(shè)計(jì)階段為更有利于減小機(jī)車通過65 m曲線時(shí)對(duì)軌道的側(cè)壓力，縮短了機(jī)車總長度，在機(jī)車總體布局上將原起動(dòng)發(fā)電機(jī)通過柴油機(jī)自由端驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸、傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)變速箱、變速箱再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的方案更改為柴油機(jī)自由端皮帶輪直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的方式，由于皮帶傳遞的功率有部分損失，導(dǎo)致輸出的110 V電壓存在波動(dòng)現(xiàn)象。

1 空調(diào)故障

在使用過程中發(fā)現(xiàn)空調(diào)工作時(shí)，空壓機(jī)啟動(dòng)瞬間，由于負(fù)載瞬時(shí)增加導(dǎo)致輔助發(fā)電機(jī)皮帶瞬時(shí)打滑異響嚴(yán)重，此時(shí)輔助發(fā)電機(jī)輸出功率急劇降低，實(shí)測其經(jīng)過電壓調(diào)整器后的110 V輸出電壓變化范圍在68～150 V之間，而空調(diào)逆變器輸入電壓范圍為90～150 V，電壓的突變導(dǎo)致空調(diào)頻繁出現(xiàn)停止工作、燒壞壓縮機(jī)啟動(dòng)電容、欠壓保護(hù)開關(guān)跳閘的現(xiàn)象。

1.1 系統(tǒng)原理分析

空調(diào)采用220 V交流電工作，輔助發(fā)電機(jī)發(fā)出的直流110 V經(jīng)過電壓調(diào)整器后通過逆變電源逆變?yōu)?20 V交流電。

1.1.1 電壓調(diào)整器參數(shù)

電壓調(diào)整器的作用是當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或負(fù)載改變時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，維持發(fā)電機(jī)輸出DC110V電壓恒定于DC110V±2V伏。TT-DYT/Ⅰ型電壓調(diào)整器具有雙備份電路，在一路電路出現(xiàn)故障時(shí)，可以立即切換到備用電路，提高了機(jī)車運(yùn)行安全。

1.1.2 空調(diào)系統(tǒng)電路原理

110 V直流發(fā)電機(jī)發(fā)電經(jīng)過電壓調(diào)整器后變?yōu)榉€(wěn)定的110 V直流電，打下空調(diào)電源開關(guān)FSM1后，K101和K102接線端子輸出110 V直流電進(jìn)入空調(diào)逆變電源。經(jīng)過逆變后的220 V交流電通過K401、K403、K404給空調(diào)壓縮機(jī)供電和空調(diào)控制面板供電。如圖1、2所示。

圖1 空調(diào)控制開關(guān)電路

圖2 空調(diào)逆變電源輸入輸出電路

2 原因分析

2.1 檢測分析

用示波器分別測試了空調(diào)逆變電源在只有空調(diào)負(fù)載和空壓機(jī)啟動(dòng)瞬間110 V直流輸入和220 V交流輸出電壓諧波信號(hào)波形圖，進(jìn)一步分析在各種工況下電壓信號(hào)跳動(dòng)幅度及平穩(wěn)度。

圖3 第二檢測點(diǎn)波動(dòng)圖

空調(diào)供電電路監(jiān)測點(diǎn)：空調(diào)開關(guān)FSM1閉合后由K101、K102進(jìn)入空調(diào)逆變電源，此處為第一監(jiān)測點(diǎn)；經(jīng)過逆變后的電壓變?yōu)?20 V交流電，即K101、K103進(jìn)入空調(diào)主回路，此處為第二監(jiān)測點(diǎn)。

第一監(jiān)測點(diǎn)顯示：只有空調(diào)工作時(shí)，進(jìn)入逆變器110 V電壓為直流波，但是存在較明顯的徑向跳動(dòng)，電壓保持在68～150 V之間，且在空壓機(jī)啟動(dòng)瞬間會(huì)達(dá)到150 V。說明電壓調(diào)整器輸出的電壓不平穩(wěn)。此時(shí)輔助發(fā)電機(jī)輸出功率急劇降低，而空調(diào)逆變器輸入電壓范圍為90～150 V，同時(shí)檢測空調(diào)回路電流突變最高值達(dá)到100 A左右。

第二監(jiān)測點(diǎn)顯示：220 V交流電壓的正弦波形橫向跳動(dòng)很大，說明逆變電源濾波不好，有雜波，徑向波動(dòng)不明顯。這是輸入電壓不穩(wěn)定所致（圖3）。

2.2 發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

值得注意的是，彈性聯(lián)軸器直接傳動(dòng)效率為0.99～0.995，傳動(dòng)效率接近1；但對(duì)皮帶傳動(dòng)效率為0.92～0.95之間，因此，皮帶傳動(dòng)機(jī)組需要小功率，傳動(dòng)的效率低。同時(shí)皮帶傳動(dòng)效率與皮帶的張緊和打滑程度有關(guān)，不好控制。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，滿載時(shí)功率消耗1%左右，同時(shí)由于皮帶的緩沖，會(huì)引起發(fā)電機(jī)組的波動(dòng)頻率[1]。

由于在空壓機(jī)啟動(dòng)瞬間，負(fù)載急劇增加，由于皮帶瞬時(shí)發(fā)生變形，皮帶和帶輪之間的摩擦力小于皮帶的傳動(dòng)力，故產(chǎn)生打滑現(xiàn)象；皮帶變形后不能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)原狀，故不能完全傳遞所需的功率，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電電壓不穩(wěn)定[2]。

3 解決措施

3.1 發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

該機(jī)車在設(shè)計(jì)階段為更有利于減小機(jī)車通過65 m曲線時(shí)對(duì)軌道的側(cè)壓力，縮短了機(jī)車總長度，在機(jī)車總體布局上將原起動(dòng)發(fā)電機(jī)通過柴油機(jī)自由端驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸、傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)變速箱、變速箱再驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的方案更改為柴油機(jī)自由端皮帶輪直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的方式。目前沒有足夠的安裝空間加裝張緊輪，故無法更改發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，可通過更換為齒槽型皮帶增加摩擦力，提高功率傳遞效率。

3.2 選擇合適的壓縮機(jī)電容

3.2.1 檢測方法

壓縮機(jī)從啟動(dòng)到正常運(yùn)行僅僅工作數(shù)秒鐘，當(dāng)啟動(dòng)電容因某種原因斷路或擊穿時(shí)，造成壓縮電機(jī)繞組與電壓形成不了相位差，壓縮機(jī)電機(jī)便不能正常工作，一旦壓縮機(jī)出現(xiàn)工作聲音異常，同時(shí)伴隨著數(shù)秒內(nèi)空調(diào)跳閘等現(xiàn)象，就有可能是其啟動(dòng)電容故障。具體測試方法如下[3]：拆下電容器，將電容器兩個(gè)接頭短接放電，因?yàn)槠鋬?nèi)部可能殘留電荷，測量時(shí)，它會(huì)向萬用表表頭放電，嚴(yán)重者，燒毀表頭線圈，輕者，會(huì)把表針打彎，影響表頭靈敏度。測量電容時(shí)，把萬用表撥到1 kΩ檔或10 kΩ檔均可，兩表筆接電容兩端接頭。

（1）若表針向0Ω偏轉(zhuǎn)，隨后，表針又慢慢返到幾百kΩ以上，此電阻是電容的漏阻，剛開始時(shí)表針的偏轉(zhuǎn)是表內(nèi)電池向電容充電的結(jié)果，表針返回，說明充電器是好的。

（2）若表針偏向0Ω不返回，說明電容短路。

（3）若表針不動(dòng)，說明電容斷路。

（4）若表針指向0Ω偏轉(zhuǎn)后，返回幾kΩ，可以確定電容漏電。電容漏電，使線路損耗增大，移相效果下降，旋轉(zhuǎn)磁場不正常，壓縮機(jī)不能正常啟動(dòng)。

3.2.2 壓縮機(jī)電容的選用

更換電容，要對(duì)其額定工作電壓、容量和型號(hào)有全面的了解。由于電容承受電壓有一定限度，這個(gè)限度就是它的額定工作電壓，俗稱耐壓，如果外加電壓超過了這個(gè)限度，電容器的壽命就會(huì)縮短，甚至被擊穿。容量過大，電路電流增大，雖然啟動(dòng)力矩增大，但運(yùn)行效率卻下降了，當(dāng)電容數(shù)值增加到原電容數(shù)值200%時(shí)，啟動(dòng)力矩會(huì)成倍增長，而運(yùn)行效率將從50%下降到20%，壓縮機(jī)會(huì)出現(xiàn)過熱，縮短使用壽命，所以，只要能保證壓縮機(jī)能正常啟動(dòng)和運(yùn)行，電容選小些，這樣耗電少，長時(shí)間運(yùn)行也安全。啟動(dòng)電容應(yīng)選用無級(jí)性電容器在更換時(shí)應(yīng)盡量按原規(guī)格使用。經(jīng)查資料，內(nèi)燃機(jī)車使用的空調(diào)壓縮機(jī)額定功率為1.925 kW，通過對(duì)照應(yīng)選用30～50μF的電容。

3.3 空壓機(jī)啟動(dòng)方式

空氣壓縮機(jī)電機(jī)的額定工作電流為165 A，起動(dòng)該空壓機(jī)電流大約為500 A，由于空壓機(jī)起動(dòng)電流很大，發(fā)電機(jī)短時(shí)負(fù)載很大，導(dǎo)致皮帶容易打滑，皮帶打滑又導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓下降，甚至低于空調(diào)正常工作電壓。為了解決該問題，采用空壓機(jī)電機(jī)降壓起動(dòng)的方案[4]。

在機(jī)車后機(jī)室增加一個(gè)降壓起動(dòng)柜，內(nèi)裝一只降壓起動(dòng)接觸器和一只0.5歐姆的降壓起動(dòng)電阻3R?？諌簷C(jī)起動(dòng)時(shí)，首先投入KMC1，空壓機(jī)降壓起動(dòng)，起動(dòng)電流大約200 A，5～10 s（PLC設(shè)置）后，KMC閉合，斷開KMC1，空壓機(jī)正常運(yùn)行。由于降壓起動(dòng)時(shí)，空壓機(jī)電機(jī)電流下降到原電流的40%，發(fā)電機(jī)的負(fù)載大幅下降，輸出電壓下降更小，有利于穩(wěn)定逆變電源的輸入電壓，減少對(duì)空調(diào)機(jī)組的沖擊。電氣原理如圖4所示。

該降壓啟動(dòng)動(dòng)作通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)（圖5）。

M8000為空壓機(jī)啟動(dòng)輸入，X036和X035為自動(dòng)打風(fēng)，X034為手動(dòng)打風(fēng)輸入程序；4 s后T20被激發(fā)，常開觸點(diǎn)閉合Y021激活，2 s后T21常閉觸點(diǎn)斷開，降壓啟動(dòng)結(jié)束，程序轉(zhuǎn)入全壓啟動(dòng)運(yùn)行。

4 總結(jié)

圖4 降壓啟動(dòng)電氣原理圖

圖5 降壓啟動(dòng)PLC程序梯形圖

通過更換發(fā)電機(jī)皮帶為齒槽型皮帶、選用容量相當(dāng)?shù)目照{(diào)壓縮機(jī)電容、空壓機(jī)采用降壓啟動(dòng)裝置后，經(jīng)過反復(fù)測試，空壓機(jī)不工作時(shí)，110 V回路電流為48～60 A；空壓機(jī)啟動(dòng)瞬間110 V回路電流最大為137 A，有效的緩解了發(fā)電機(jī)皮帶打滑，將空壓機(jī)的啟動(dòng)電壓連續(xù)、平穩(wěn)的上升直到達(dá)到額定電壓。降壓啟動(dòng)裝置安裝便捷，通過程序控制，隱患小，維護(hù)方便。降壓啟動(dòng)裝置故障后，可直接通過全壓啟動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，降壓啟動(dòng)后電壓突變對(duì)線路沖擊變小，徹底的解決了空調(diào)壓縮機(jī)空氣開關(guān)頻繁跳閘、燒損電容等現(xiàn)象。

［1］楊永平.皮帶傳動(dòng)發(fā)電機(jī)組［J］ .移動(dòng)電源與車輛，1993（3）：12-14.

［2］張琛.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［3］陳長勇，丁敬強(qiáng)，彭亞非.空調(diào)壓縮機(jī)啟動(dòng)電容損壞的檢測［Z］.冶金標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2003（5）：42-44.

［4］李永河.電機(jī)軟啟動(dòng)器在空壓機(jī)改造中的應(yīng)用 ［J］.軟件，2008（5）：59-60.