GMC16A型钢轨打磨列车发电机低转速使用

张 松

（中车北京二七机车有限公司，北京100072）

GMC16A型钢轨打磨列车发电机低转速使用

张 松

（中车北京二七机车有限公司，北京100072）

提出了GMC16A型钢轨打磨列车发电机在低转速条件下使用的方案，解决了空调和空压机在发电机低转速下不能工作的问题。

钢轨打磨车；发电机；低转速；变频变压电源；空压机

GMC16A型钢轨打列车的发电机由柴油机驱动，柴油机转速在950 r/min～1 800 r/min范围内调节。当转速在950 r/min时，发电机发出的电压和频率无法提供给空调使用，普通的空压机电机也无法使用。根据发电机转速与输出电压特性（如图2），发电机输出电压与频率呈线性关系。通过在发电机输出端增加一台变频变压电源，可将发电机输出的变化的电压和频率转变为恒定电压和频率，为空调提供稳定的输入电源。同时发电机的这一电压频率特性符合变频电机调速时的压频比特性，同时根据发电机转速与输出电压特性，将变频空压机电机同样直接接入发电机输出端，空压机电机转速随发电机转速的变化而变化。。通过此方法可使空调和空压机在发电机低转速下工作。降低了噪音和能耗，解决了空调和空压机在发电机低转速下不能工作的问题。

1 方案介绍

1.1 方案图

发电机低转速使用空调及空压机方案如图1所示。

图1 方案图

柴油机转速在950 r/min时发电机输出线电压为AC260V，频率32 Hz，可输出72 KW功率。；转速在1 800 r/min时输出额定线电压AC440V，频率60 Hz.额定功率365 kW.柴油机转速在变化时，电压和频率线性成比例变化。发电机额定功率365 kW.空调额定功率3 kW，额定电压单相AC220V.空压机额定功率17 kW.为了能使空调在发电机怠速或额定转速下都能正常使用，在发电机和空调之间增加变频变压电源，将输入的变化的发电机电压和频率转变成稳定的三相380 V/50 Hz电源，满足空调等负载的使用。由于发电机的电压和频率成线性比例变化，可选用符合此特性的变频电机驱动空压机。

1.2 发电机U/f特性

由交流发电机的工作原理我们知道，交流发电机的三相绕组产生的相电动势的有效值

这里Ce为发电机的结构常数，n为转子转速，Ф为转子的磁极磁通，也就是说交流发电机所产生的感应电动势与转子转速和磁极磁通成正比。当转速升高时，Eφ增大，输出端电压UB升高，当转速升高到一定值时（空载转速以上），输出端电压达到极限，要想使发电机的输出电压UB不再随转速的升高而上升，只能通过减小磁通Ф来实现。又磁极磁通Ф与励磁电流If成正比，减小磁通Ф也就是减小励磁电流If.

所以，当交流发电机的转速升高时，调节器通过减小发电机的励磁电流If来减小磁通Ф，使发电机的输出电压UB保持不变。

出于对发电机的保护，最低使用频率不能低于28 Hz.同时也为了保证直接接入其输出端的变频空压机的轴头最低转速，发电机U/f特性如图2所示。

图2 发电机U/f特性

1.3 变频变压电源的选型

变频变压的负载包括空调在内共13 KW.国内可以提供13 kW容量的通用逆变电源厂家较多，但是工作温度均达不到70℃要求。且由于260 V～440 V的电压范围较宽，不属于标准输入规格，因此没有标准的产品可选，需按参数要求定制，且能够承接符合铁路机车要求。考虑到产品在打磨作业的苛刻环境中使用，供应商的生产资质与经验，售后服务，与产品尺寸成为选型的主要依据。因此选择由国内具有丰富铁路机车变频变压设备生产经验的厂家长沙广义变流电器有限公司设计制作，变频变压电源技术参数如表1所示。

表1 变频变压电源技术参数

1.4 工作原理说明

当本电源输入电压满足三相150 V～三相470 V时，经不控整流斩波升压后，升压控制电路工作，逆变模块控制输出接触器KM1闭合，变频器接收到KM1闭合信号后逆变模块输出三相380 V/50 Hz，经过正弦波滤波器滤波、Z型变压器形成中点后输出380 V/50 Hz正弦波电压，变频变压电源框图如图3所示，试验结果如表2.

图3 变频变压电源框图

表2 试验结果

1.5 发电机低转速使用空压机方案

1.5.1 变频调速的基本方式[1]

在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每级磁通量φm额定值不变。磁通太弱没有充分利用电机的铁心，是一种浪费，若要增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持φm不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通是定子和转子磁势合成产生的，要保持磁通恒定就比较复杂。

按电机理论，三相异步电机定子每相电动势的有效值是：

式中，Eg为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为V；f1为定子频率，单位为Hz；N1为每相绕组串联匝数；KN1为波绕组系数；φm为每极气隙磁通量，单位为Wb.

由式（2）可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通φm的目的。在基频以下，为了维持磁通不变，必须按比例地同时控制电压和频率，由于空压机在电源频率低于30 Hz时不工作，因此可不考虑补偿定子压降。

1.5.2 基频以下调速

由式 (2）可知，要保持φm不变，当频率f额定值fn下调节时，必须同时降低Eg，使

即采用恒定的电动势频率比的控制方式，如图4所示。

图4 恒压频比控制特性

然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U≈Eg，则得

这是恒压频比的控制方式。

通过以上控制方式可以得出，发电机的输出电压和频率特性符合变频电机的控制特性。因此可直接将变频电机接入发电机输出端使用。

空压机空载和负载运行曲线发电机电压与频率特性如图5、图6所示。

图5 空载运行曲线

图6 负载载运行曲线

从图4可以看出，发电机的输出电压和频率是线性变化的。符合电机变频调速的要求。如果空压机电机是变频电机可直接使用。

2 结论

（1）通过以上分析，此方案从电气系统上解决了GMC16A型钢轨打磨列车发电机在低转速工况下不能使用空调和空压机的问题。

（2）由于柴油机在低转速下使用，因此可降低噪音和能耗。

（3）目前此方案已经装车并通过试验和验收，效果良好。

[1]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，2013：15-18.

Application of GMC 16 Rail Grinding Train Generator Low Speed

ZHANG Song
（Beijing Zhongche 27 Locomotive Co.，Ltd.，Beijing 100072，China）

This paper puts forward the solution of GMC 16 rail grinding train used under low speed，and solves the problem that air conditioner and air compressor can not work at low speed of generator.

rail grinding car；generator；low speed frequency variable pressure variable pressure power supply；air compressor

TB857+3

A

1672-545X（2017）08-0252-03

2017-05-17

张 松（1984-），男，北京人，工程师，本科，研究方向机车电气系统设计。