TQFR-3000型同步牽引發(fā)電機(jī)的外特性曲線分析

石景主

（江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

內(nèi)燃機(jī)車通過燃油在柴油機(jī)氣缸內(nèi)燃燒，對外膨脹做功而產(chǎn)生機(jī)械能，通過機(jī)械連接并借助液壓傳動裝置直接驅(qū)動機(jī)車，或通過同步牽引發(fā)電機(jī)發(fā)電后借助電傳動系統(tǒng)控制與車輪連接的牽引電機(jī)的旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動機(jī)車。與蒸汽機(jī)車、燃?xì)廨啓C(jī)車相比，內(nèi)燃機(jī)車綜合能源利用效率更高。內(nèi)燃機(jī)車相比于燃?xì)廨啓C(jī)車有更好的穩(wěn)定性，且其牽引的貨物重量也非常大［1］。其中同步牽引發(fā)電機(jī)是電力傳動內(nèi)燃機(jī)車的專用發(fā)電機(jī)，為牽引電動機(jī)提供電力，日常稱為主發(fā)電機(jī)，其主要作用是輸出電功率。目前貴溪冶煉廠使用的GKD2型內(nèi)燃機(jī)車上安裝同步牽引發(fā)電機(jī)型號為TQFR-3000。

2 同步牽引發(fā)電機(jī)的外特性

根據(jù)牽引發(fā)電機(jī)和牽引電動機(jī)電機(jī)所用的電流進(jìn)行分類，可分為直流電傳動和交流電傳動［2］。因直流電機(jī)可實(shí)現(xiàn)平滑而經(jīng)濟(jì)的調(diào)速，通常情況下不需要其它設(shè)備的配合，只要改變其輸入或勵磁電壓電流就能實(shí)現(xiàn)調(diào)速，且改變直流電機(jī)的正負(fù)兩極就可快速實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，故在過去一段時間內(nèi)交直流傳動在電傳動內(nèi)燃機(jī)車上被廣泛應(yīng)用。當(dāng)前貴溪冶煉廠使用的GKD2型內(nèi)燃機(jī)車便是交直流電傳動。其采用的TQFR-3000同步牽引發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三相交流電，通過主硅整流柜將三相交流電整流為直流電，降低電流的脈動量，用以提供牽引電動機(jī)能源。由于牽引電動機(jī)具有一定的電感，其主極、換向極的繞組電感對電流的脈動成分會產(chǎn)生很強(qiáng)的電抗，起到了一定的平波作用，所以整流后的電流脈動量會比整流前更小，因此牽引電動機(jī)可以近似地看作是直流電動機(jī)。站在整流裝置角度看，牽引電動機(jī)相當(dāng)于一個純電阻性的負(fù)載。當(dāng)同步牽引發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n、勵磁電流IL、負(fù)載功率因素cos?保持恒定時，同步牽引發(fā)電機(jī)的端電壓UF和負(fù)載電流IF之間的關(guān)系，稱為牽引發(fā)電機(jī)外特性。TQFR-3000型同步牽引發(fā)電機(jī)的外特性曲線如圖1。

圖1 TQFR-3000同步牽引發(fā)電機(jī)的外特性曲線

由圖1可見，TQFR-3000同步牽引發(fā)電機(jī)具有很強(qiáng)的電樞反應(yīng)。當(dāng)機(jī)車在運(yùn)行過程中加載后，電樞電流會逐步增大，此時在電樞反應(yīng)的去磁作用以及電樞線繞組的電阻壓降和漏抗壓降的作用下，端電壓開始下降。但此時磁路很飽和，所以電樞反應(yīng)的去磁作用并未使端電壓產(chǎn)生明顯的下降。隨著電樞電流的逐步增加，電樞反應(yīng)的去磁作用也逐漸加強(qiáng)，在達(dá)到一個特定值后，電機(jī)磁路失去飽和狀態(tài)，此后，端電壓隨著電樞電流的增加而迅速下降。因此TQFR-3000同步牽引發(fā)電機(jī)外特性曲線為一根凸起的下降曲線。

3 同步牽引發(fā)電機(jī)的理想外特性

在交直流電傳動GKD2型內(nèi)燃機(jī)車上，機(jī)車柴油機(jī)曲軸通過彈性聯(lián)軸節(jié)與主發(fā)電機(jī)相連構(gòu)成動力機(jī)組［3］。柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組向所有用電設(shè)備供電，同時向蓄電池充電。柴油機(jī)的輸出功率，絕大部分都供給同步牽引發(fā)電機(jī)，只有小部分供給機(jī)車的輔助設(shè)備。柴油機(jī)的輸出功率與同步牽引發(fā)電機(jī)通過勵磁整流柜整流后的電功率之間的關(guān)系，可用公式（1）表示。

其中：PF為同步牽引發(fā)電機(jī)輸出功率（kW）；Ne為柴油機(jī)有效功率（kW）；Nf為輔助設(shè)備消耗功率（kW）；ηF為同步牽引發(fā)電機(jī)效率；ηZ為主硅整流柜效率。

當(dāng)同步牽引發(fā)電機(jī)的電流發(fā)生改變時，同步牽引發(fā)電機(jī)的輸出效率和輔助設(shè)備的能耗基本保持不變，分析研究時可認(rèn)為不變。所以，若同步牽引發(fā)電機(jī)的功率保持恒定，則柴油機(jī)的有效功率Ne也可以達(dá)到恒定的效果，即

其中：UF為牽引發(fā)電機(jī)整流后電壓（V）；IF為牽引發(fā)電機(jī)整流后電流（A）。

由公式（2）可知，若功率PF保持恒定不變，則可以把功率PF近似的看成一個常數(shù)，所以UF乘以IF的積也可以看成一個常數(shù)。在機(jī)車運(yùn)行過程中，電流會經(jīng)常發(fā)生變化，若想保持功率PF恒定不變，則電壓UF和電流IF之間的關(guān)系UF=f（IF）應(yīng)成反比，如圖2線段abcde所示。因此同步牽引發(fā)電機(jī)的理想外特性曲線是一根等邊曲線，又稱為恒功率曲線。

圖2 牽引發(fā)電機(jī)理想外特性曲線

4 同步牽引發(fā)電機(jī)的自然外特性

圖3所表示的是同步牽引發(fā)電機(jī)的自然外特性曲線。當(dāng)加載在負(fù)荷兩端的電流發(fā)生改變，若此時勵磁電流恒定，同步牽引發(fā)電機(jī)的輸出功率則會產(chǎn)生較大的變化，柴油機(jī)的有效功率也會隨之產(chǎn)生較大的改變。從圖2和圖3兩條外特性曲線可以看出，同步牽引發(fā)電機(jī)自然外特性并不符合牽引發(fā)電機(jī)理想外特性的要求。但在受最高電壓的限制線段ab、受最大電流的限制線段de非常相似，所以，可以在牽引發(fā)電機(jī)的自然外特性曲線上，通過調(diào)節(jié)同步牽引發(fā)電機(jī)的勵磁電流，使受最高電壓的限制線段ab以及受最大電流的限制線段de的勵磁電流恒定，而調(diào)節(jié)bfd線段中的勵磁電流，使得同步牽引發(fā)電機(jī)達(dá)到理想的外特性曲線的狀態(tài)。

圖3 牽引發(fā)電機(jī)自然外特性曲線

5 同步牽引發(fā)電機(jī)的恒功率調(diào)節(jié)原理

從圖2可以看出，在理想外特性曲線abc上，同步牽引發(fā)電機(jī)的勵磁電流或電壓會跟隨負(fù)載電流的變化而發(fā)生一定的改變。為了使同步牽引發(fā)電機(jī)具有理想的外特性，在恒功率區(qū)段bcd上發(fā)電機(jī)的勵磁電流必須隨著負(fù)載電流的變化而變化。這種同步牽引發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，勵磁電流IFL=f(IF)［5］。這種變化就是同步牽引發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性。在GKD2型內(nèi)燃機(jī)車上，設(shè)有一臺勵磁機(jī)和勵磁整流柜，用以提供同步牽引發(fā)電機(jī)直流勵磁。內(nèi)燃機(jī)車控制器DLC(Diesel Locomotive Controller)通過控制勵磁機(jī)的勵磁，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的恒功率控制［6］。

恒功率調(diào)節(jié)過程如圖4所示，當(dāng)機(jī)車速度增加，同步牽引發(fā)電機(jī)的勵磁電流沿自然外特性曲線IFL1工作，待勵磁電流上升至d點(diǎn)以上時，同步牽引發(fā)電機(jī)的功率超過額定功率，此時柴油機(jī)呈現(xiàn)過載狀態(tài)，發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速降低。在聯(lián)調(diào)器的調(diào)節(jié)作用下，通過提高柴油機(jī)的燃油供給量，從而提高發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速；同時，通過提高懸掛點(diǎn)的位置，使功率調(diào)節(jié)滑閥向上移動；壓力油從上油道流入伺服器，伺服器朝減載的方向移動，功率調(diào)節(jié)電阻滑臂隨伺服器的移動而逆時針轉(zhuǎn)動，增大功率調(diào)節(jié)電阻值，從而降低同步牽引發(fā)電機(jī)的勵磁電流，使其電壓下降，直到工況點(diǎn)落在理想外特性曲線bcd上，如圖4中的n點(diǎn)。此時聯(lián)合調(diào)節(jié)器進(jìn)入相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)，懸掛點(diǎn)也回到初始的平衡位置，使同步牽引發(fā)電機(jī)與柴油機(jī)處于一個新的平衡環(huán)境。這時的阻值增加了，同步牽引發(fā)電機(jī)的勵磁電流為IFL2，它小于IFL1。

若機(jī)車?yán)^續(xù)加速，同步牽引發(fā)電機(jī)電流又會進(jìn)一步下降，則同步牽引發(fā)電機(jī)的勵磁電流首先沿著自然外特性曲線IFL2工作，這時柴油機(jī)再次呈現(xiàn)過載現(xiàn)象，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速也再一次降低，聯(lián)調(diào)器再次發(fā)生作用，使同步牽引發(fā)電機(jī)的工況點(diǎn)再一次落在理想外特性曲線bcd上，這種調(diào)節(jié)一直持續(xù)到圖4中的c點(diǎn)為止，同步牽引發(fā)電機(jī)的勵磁電流達(dá)到最小值IFL3。若機(jī)車仍在加速，同步牽引發(fā)電機(jī)仍沿自然外特性曲線IFL3工作，但這時同步牽引發(fā)電機(jī)的輸出功率已低于柴油機(jī)給定功率，柴油機(jī)將呈現(xiàn)欠載，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速也會進(jìn)一步提高。此時聯(lián)調(diào)器會通過降低柴油機(jī)的燃油供給量，迫使發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速下降；同時還通過壓力油的作用，使伺服器朝著增載的方向移動，從而降低功率調(diào)節(jié)電阻的值，使得同步牽引發(fā)電機(jī)的勵磁電流和端電壓增加，最終同步牽引發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定工況點(diǎn)落在曲線bcd上的m點(diǎn)，此時，勵磁電流已經(jīng)由IFL3上升到IFL2。同步牽引發(fā)電機(jī)的工況點(diǎn)由m點(diǎn)調(diào)整到b點(diǎn)也是同樣的過程，調(diào)整后的勵磁電流則由IFL2上升到IFL1。

圖4 牽引發(fā)電機(jī)的特性調(diào)節(jié)曲線

通過以上分析可知，在理想外特性曲線bcd區(qū)段內(nèi)，只需通過改變同步牽引發(fā)電機(jī)的勵磁電流就可以使柴油機(jī)功率和同步牽引發(fā)電機(jī)的功率保持恒定不變，達(dá)到恒定功率后，柴油機(jī)的供油量、發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速都恢復(fù)到調(diào)節(jié)前的初始數(shù)值。如圖5所示，在曲線bc上，隨著同步牽引發(fā)電機(jī)的輸出電流增加，其勵磁電流卻在減小，達(dá)到c點(diǎn)時，同步牽引發(fā)電機(jī)的勵磁電流達(dá)到最小值；在曲線cd上，隨著同步牽引發(fā)電機(jī)的電流上升，勵磁電流也會上升。并在b、d兩點(diǎn)達(dá)到最大值且相等。

圖5 牽引發(fā)電機(jī)勵磁電流曲線

若輔助裝置的功率發(fā)生變化，調(diào)整勵磁電流的過程與上述相似。當(dāng)輔助裝置功率發(fā)生下降時，柴油機(jī)呈欠載狀態(tài)，此時發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速會反向升高，從而提高同步牽引發(fā)電機(jī)的輸出功率；相反的，當(dāng)輔助裝置的功率增加時，柴油機(jī)也隨之產(chǎn)生過載現(xiàn)象，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速則開始降低，同步牽引發(fā)電機(jī)的輸出功率也會隨之降低，調(diào)整后柴油機(jī)供油量和發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)到調(diào)整前的初始值。在調(diào)整過程中，柴油機(jī)功率一直保持恒定，使得同步牽引發(fā)電機(jī)的輸出功率得到充分利用。

6 結(jié)論

內(nèi)燃機(jī)車在一定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，同步牽引發(fā)電機(jī)的輸出功率經(jīng)常處于自動調(diào)節(jié)狀態(tài)，使柴油發(fā)電機(jī)組的有效功率在這種調(diào)節(jié)過程中保持恒定。在這種動態(tài)平衡下，同步牽引發(fā)電機(jī)使內(nèi)燃機(jī)車擁有了理想的外特性曲線和恒定功率。