内燃机车电压调整器功能的优化研究

蒋斌鹏

(广深铁路股份有限公司 广州机务段， 广州 510010)

内燃机车在未来相当长时间内有必要对机车相关电气技术进行优化、改进来适应当今对牵引动力设备高可靠性的要求。在内燃机车110 V电压调整器功能的控制方面，进行优化研究，以提升机车质量可靠性。

内燃机车采用的启动发电机为直流电机，当柴油机启动时，它作为串励电动机，由蓄电池供电来起动柴油机；当柴油机启动完毕运转后，作为他励发电机(由柴油机的联轴节带动运转)，通过电压调整器控制励磁，发出110 V的直流电。电压调整器为A、B组双套装置，其作用是通过自动调节启动发电机的励磁电流，使启动发电机在1 160～2 700 r/min(相当于柴油机430～1 000 r/min)转速变化范围内，无论启动发电机是空载还是满载，其输出电压均保持DC 110 V。此时110 V输出电压分别给蓄电池进行补充电以及提供机车控制、辅助系统工作所需的电源。目前，现行的电压调整器控制输出为110 V恒压制，在实际运行中主要存在以下不足：

一是无法对机车蓄电池状态进行判断并采取合理的充电模式。充电分为限流充电、快速充电和浮充电3种模式，现仅库内充电机可实现不同模式的切换，而机车上的电压调整器无法自动调整适宜的充电模式，降低了蓄电池的使用寿命和质量可靠性。

二是无机车蓄电池工作温度自动补偿功能。无论是采用浮充电方式还是采用均衡充电方式，充电电压都要进行温度补偿。如：某蓄电池单节的温度补偿系数为-3.5 mV/℃(不同产品单节补偿系数不同，有的为-4.0 mV/℃，内燃机车一般有48个单节), 即温度每升高1 ℃，蓄电池单节的浮充或均充电压应降低3.5 mV，而温度每降低1 ℃，蓄电池单节的浮充或均充电压应升高3.5 mV。如果在长期使用过程中，蓄电池的充电设备没有温度补偿功能，浮充或均充电压值不变，那么在温度较低时会造成蓄电池充电不足，而在温度较高时又会造成蓄电池过充。蓄电池长期充电不足，会引起蓄电池的容量非正常衰减。而蓄电池长期过充电，会引起蓄电池内的电解液干涸、蓄电池内阻增加、蓄电池单节温度异常升高鼓胀，最终导致蓄电池寿命提前终止。尤其在我们华南地区，从5月1日～11月1日均为长时间的高温天气，蓄电池组经常发生单节鼓胀、开路及电解液损耗大等惯性问题。其原因为：蓄电池箱内温度过高(尤其是调车机最为严重，其运行速度较低，电池箱内部气流不强致蓄电池组温度达60 ℃～70 ℃)，一般蓄电池的工作环境温度为：-40～50 ℃或-40～40 ℃，而此时在110 V的恒压、高温下补充电会导致蓄电池长时间严重过充，其电解水的副反应速率大增，电解水的产物是生成氧气和氢气。氢气在蓄电池内部不能复合，氢气会在蓄电池气室内不断累积，同时如果氧气产生的速率大于氧气在负极的复合速率，氧气也会在气室内累积，最后蓄电池单节内的压力不断增大，致使蓄电池单节鼓胀或爆裂。每年夏季广州机务段因高温天气导致机车蓄电池组爆裂、鼓胀的有20多台份。因电池单节为物理损坏，大部分电池均无法恢复，只能作报废处理，严重影响了机车质量安全，增加了机车检修成本。

三是现在的电压调整器A、B组独立的双套装置(两组调整器无任何电气关联)，当一组故障需转换到另一组时须人工调换扁插，故障应急处置不便，且扁插连接可靠性差，极易出现电气接触不良故障。

1 设计方案确立

为解决旧设备实际运行中多方面的不足，研发新的电压调整器来提升机车质量可靠性，新产品具备以下功能和指标：

(1) 对蓄电池进行充电管理。充电方式分为限流充电，快速充电和浮充电3种模式，其中限流充电和快速充电属于均充模式。均充充电压设定为112 V，浮充电压设定为108 V。当监控模块检测到蓄电池电压放电低于96 V时，电压调整器将工作在均充快速充电状态，输出电压为112 V，充电电流最大为45 A；随着充电过程的持续，当充电电流小于25 A时，转为浮充电状态，输出电压为108 V。

(2) 对充电器的各种工作状态、参数和故障进行滚动显示。

(3) 根据蓄电池实际工作温度，按照不同厂家的蓄电池进行温度补偿(因不同厂家、型号的电池温度补偿系数各异，可利用主机的功能按键进行大小设置)，防止蓄电池单节过充或欠充问题的发生。

(4) 系统工作电压为DC 70～130 V，输出电压值为106～112 V。

(5) 新型电压调整器输出电压分析。内燃机车输出端电压要求为(110±2) V(即：最高电压为112 V)，新型电压调整器的最高输出电压也为112 V，符合原车技术要求；内燃机车固定发电端电压要求为105～108 V (即：最低电压为105 V)，新型电压调整器最低输出电压为106 V，符合原车技术要求。

综上述，机车新型电压调整器的输出电压为106～112 V，在内燃机车供电电压105～112 V的区间范围内，因此内部软件设计合理。

2 设计方案实施

2.1 装置硬件构成

新型电压调整器由系统主机、蓄电池温度检测电路、蓄电池电流检测电路、蓄电池电压检测电路等组成。

其中，系统主机由以下几个功能模块组成：主控芯片模块，ADC采样模块，PWM控制模块，显示与人机互动模块以及通讯接口模块。

2.2 装置工作原理

2.2.1系统总体架构框图如图1所示。

2.2.2系统工作过程

在机车正常运行过程中，发电机两端并联的电压传感器实时检测蓄电池的电压，系统主机通过采取传感器电压信号经过ADC采样模块转化获取蓄电池的实时电压值，同时，安装在蓄电池正极的电流传感器实时检测蓄电池的电流，系统主机同样通过采集传感器的电流信号经过ADC采样模块转化获取蓄电池的实时电流值，最后，安装在蓄电池箱内部的温度传感器实时采集的蓄电池温度值也通过ADC采样模块转化被系统主机获取。系统主机通过这3个传感器获取到的蓄电池即时电压，电流和温度值，结合用户蓄电池充放电需求，先对蓄电池温度补偿表对电压进行补偿，然后通过软件内部PI调节器调整，确定充放电的电流、电压以及充放电模式，然后，通过调节主机的PWM模块的PWM波占空比来控制一个大功率开关管，间接控制励磁绕组的电流大小，从而控制发电机的输出电压大小。最后检测的实时数据和蓄电池充放电状态等信息将在主机显示屏上实时滚动显示，供维护人员监控。

图1 系统总体架构图

2.3 系统主机设计

2.3.1主控芯片模块

系统主机的主控芯片采用TI的PICCOLO系列的32位DSP，运行频率为60 MHz具有12路PWM，16路12 bit的AD。被广泛用做环境复杂的DC/DC电源和逆变器等。使用MCU自带的AD转换系统，结合传感器采集发电电压、充电电流和蓄电池箱温度3个模拟物理量。系统软件采用Bootloader+Application的方式，方便后期维护与升级。软件架构图如图2所示。

2.3.2ADC采样模块

系统需要同时采集机车蓄电池的电压、电流和温度3个模拟物理量，因此，系统设计有三路模拟-数字转换电路，通过系统主机外部的传感器采集到对应的模拟信号，通过ADC模数转换，主控芯片对采集到的电压，电流和温度值进行综合判断计算。

2.3.3PWM控制模块

系统设计有PWM(脉冲宽度调制)模块，主要用于调节和控制机车蓄电池电压大小。通过系统主控芯片输出实时变化的占空比的脉冲方波电压，脉冲电压控制系统主机上的功率开关管，开关管再通过打开和关断的频率控制机车上励磁绕组的电流大小，从而控制辅助发电机的输出电压大小。驱动采用隔离型专用芯片FOD3084，配套电源为BCP011515,功率管为高压MOS管FOD50N50。DS间耐电压最高500 V，最大电流50 A,设计有RC和二极管吸收回路，对过电压进一步吸收。

图2 软件架构图

2.3.4显示与人机互动模块

系统采用一块6位的LED数码显示屏及4个按键，数码显示屏直接集成到电压调节器的主机上，循环显示系统采集的数据和蓄电池状态，包括电压、电流值和温度值等参数。同时，维护人员可通过主机面板上的功能按键对系统进行设置，包括电压、电流门限值修改等。

2.3.5通讯接口模块

通讯接口设计为一个RS232的DB9(母端口)串行接口。系统通讯接口模块主要是用于专业人员的调试和产品维护人员的软件程序升级使用，平时采用防尘帽遮盖。

2.4 系统主机外围电路设计

系统主机外围电路主要由3个传感器电路组成，包括蓄电池温度检测电路、蓄电池电流检测电路、蓄电池电压检测电路。

蓄电池温度检测电路由一个温度传感器及其传感器线路组成，温度传感器置于机车蓄电池箱内，传感器须贴近蓄电池表面以获得蓄电池最真实的实时温度。选型采用PT100温度变送器对应0 ℃～100 ℃输出4～20 mA。

蓄电池电流检测电路由一个电流传感器及其传感器线路组成，电流传感器采用霍尔电流传感器，环套于机车蓄电池正极线路上。选型采用TBC300TBH型电流传感器采集蓄电池充放电电流，比例为300 A∶3 V。

蓄电池电压检测电路由一个电压传感器及其传感器线路组成，采用霍尔电压传感器，电压传感器并联在机车辅助发电机的正负两极上，以获取蓄电池的实时电压。选型采用LV25型电压传感器，比例为188.40 V∶3 V。

2.5 系统双套冗余设计

新型电压调整器采用双套冗余设计，采用冷备份的方式运行。双套系统分为A、B两套，B套为备份系统，机车检修、司乘人员可通过系统切换开关迅速切换到备份系统，且对外插头采用一个高可靠的航空插头连接，解决原扁插头易接触不良及应急处置不人性化等缺点。

3 新型电压调整器的应用

经对现场需求及反复论证，新型电压调整器样品已研发成型，新设备在地面及试验台上进行了多次试验，相关功能均正常。考虑到广州机务段内燃调车机运行速度低，其蓄电池箱内温度更高，环境更恶劣情况，决定首先以DF5调车机为考核运用机型。DF5机车新型电压调整器对外接口图如图3所示。

图3 对外接口图

具体的安装方案为：在机车蓄电池箱外壁开一φ10孔，将PT100温度变送器感温杆穿入孔后用螺母紧固好，此时感温元件可贴近蓄电池单节表面获得最准确的实时温度；TBC300TBH型电流传感器环套于机车蓄电池正极线路上，实时采集电池的电流大小；LV25型电压传感器并联在机车辅助发电机的正负两极上，实时采集电池的电压大小；新型电压调整器的安装尺寸按原车设计，可直接替换旧设备。

特别提醒：当柴油机起动运转后，新型电压调整器A、B组需转换运行时，必须断开辅发扳键开关(5K)后方可转换操作，防止带电转换损坏系统硬件。

目前，新型电压调整器在广州机务段DF5机车上运行了一年多，其性能完全满足设计要求，有效提升了机车蓄电池的质量可靠性。新型电压调整器在所有内燃机车上的电气控制线路、控制原理，安装方案、尺寸均一致，下一步将逐步推广应用于广州机务段DF4B、DF4C、DF11和DF12等内燃机型上，确保机车蓄电池质量稳定。

4 结束语

通过对电压调整器相关功能进行了深入研究，分析梳理了三项关键优化项点。根据机车运用特性，研制了新的电压调整器，并在DF5机车上运用考核良好，其软、硬件均达到了设计指标和要求，使蓄电池质量得到了大的提升。目前，内燃机车均用电压调整器来控制110 V输出，因此其他路局机务段存在同样的问题困扰。新设计的电压调整器具有通用性，在内燃机车上均可适用，可有效解决现行设备运行的诸多弊端,提升了机车质量安全,降低了机车检修成本。