內(nèi)燃機車負(fù)載試驗系統(tǒng)硬件電路優(yōu)化設(shè)計

何志寧++李德輝

摘 要：內(nèi)燃機車組裝完成經(jīng)過動作耐壓試驗之后都必須進行負(fù)載模擬實驗也就是俗稱的水阻試驗。水阻試驗是以水電阻作為負(fù)載，模擬機車的各種工況，檢查通過組裝后的機車是否滿足設(shè)計要求，并通過試驗，調(diào)整機車各項參數(shù)，以確保機車的組裝正確，動作可靠，運行安全。由于車間水阻試驗完全依靠人工，很難做到全程監(jiān)測，儀表精確度也較差，因此需要進行一系列的改進。

關(guān)鍵詞：水阻試驗 柴油機轉(zhuǎn)速 水阻試驗系統(tǒng) 主發(fā)電機

水阻試驗系統(tǒng)在進行水阻試驗時需要測量的電量、非電量非常多，其硬件電路所要實現(xiàn)的功能就是將參數(shù)信號經(jīng)過采集、檢測后傳輸顯示出來，在硬件電路設(shè)計中對于柴油機轉(zhuǎn)速電路的設(shè)計非常重要，直接測量測速發(fā)電機輸出端和光電編碼法測量在操作上比較繁瑣，誤差大，一般不予采用。下面介紹兩種柴油機轉(zhuǎn)速測量電路取其優(yōu)者進行設(shè)計：

1、脈動電壓測量法

在進行水阻試驗時，經(jīng)柴油機帶動主發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)出三相交流電，三相交流電經(jīng)過主整流柜整流后發(fā)出脈動直流電壓Uab，因為是通過柴油機旋轉(zhuǎn)帶動主發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，所以柴油機的轉(zhuǎn)速跟主發(fā)電機的轉(zhuǎn)速就會保持一致[1]，故而Uab的脈動頻率就能夠?qū)⒉裼蜋C的轉(zhuǎn)速反映出來。根據(jù)公式n=60f/6p可以得知，每當(dāng)主發(fā)電機旋轉(zhuǎn)一周經(jīng)過主整流柜整流后就會產(chǎn)生6p個脈動電壓波形。

圖1 柴油機轉(zhuǎn)速測量電路

Figure 1 Speed measurement circuit of diesel engine

根據(jù)圖1可知，該電路整體構(gòu)成簡單，重要組成部分是隔直電容跟耦合變壓器。其中，Uab是從水阻箱的正負(fù)兩端即正負(fù)極板處而來，隔直電容C1的作用就是將Uab中的直流電壓濾除掉，耦合變壓器的作用是降壓和隔離。Udf是變壓器T1的的副邊輸出電壓，也是RM-02型專用數(shù)字轉(zhuǎn)速表的輸入電壓。

2、采用PLC計數(shù)的柴油機轉(zhuǎn)速測量方法

（1）工作原理

柴油機帶動主發(fā)電機發(fā)出的都是三相交流電，柴油機的曲軸通過彈性聯(lián)軸器與同步發(fā)電機相連[2]。在DF4型內(nèi)燃機車中所用的主發(fā)電機型號是TQFR-3000，有9對磁極，也就是說當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)動一圈時，主發(fā)電機隨之轉(zhuǎn)動一圈（同步的），主發(fā)電機定子繞組中的一相會產(chǎn)生9個正弦波，即按正弦規(guī)律變化，根據(jù)主發(fā)電機的此項固有規(guī)律，我們可以在主發(fā)電機中任選一相的輸出波形進行處理，將波形處理成脈沖信號，再通過對脈沖信號的計數(shù)計算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。測量原理圖如圖2所示：

在此轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)中，首先需要直接將1ZL（主整流柜）通過交流母排的電信號采集過來，此電信號就是主發(fā)電機的電信號，接著上述電信號作為輸入信號進入到信號預(yù)處理模塊中，在此模塊中信號經(jīng)過限幅、濾波、穩(wěn)壓后，再將信號輸送到電壓比較器，電壓比較器的輸出信號是同頻率的方波信號，該方波信號經(jīng)過光耦隔離后輸入到史密特觸發(fā)器，史密特觸發(fā)器再將信號整形后作為輸入信號輸入到倍頻電路（如圖5所示），輸入到倍頻電路的信號在信號后處理電路中需要完成將信號放大和將驅(qū)動提高的任務(wù)，完成全部上述工序后信號進入到PLC由PLC進行計數(shù)，最后將計數(shù)量通過RS-232串行通信電路輸送到工控機。

（2）前端信號處理電路

內(nèi)燃機車主發(fā)電機發(fā)出的是三相交流正弦波信號，最高電壓可以達(dá)到1000V，前端信號處理電路的作用就是將主發(fā)電機發(fā)出的三相交流正弦信號轉(zhuǎn)變成可測量的方波信號。內(nèi)燃機車發(fā)出的高電壓中摻雜著高頻干擾，要想得到直接能夠測量的信號就要進行降壓和濾波，主發(fā)電壓發(fā)出的高壓電作為前端信號處理電路的輸入信號，經(jīng)過R1、R2分壓，R3、C1高頻濾波后，主發(fā)電壓發(fā)出的高壓電就變成去除高頻信號的可直接測量的低壓電。在R3、C1分支電路后面再分別并聯(lián)上（正負(fù)顛倒）的兩個二極管，就可以將主發(fā)電機電壓信號濾波后的幅值鉗制在0.7V左右，為了確保濾波的質(zhì)量在二級管電路之后再并聯(lián)上R4、C2作為第二層高頻率波電路進行濾波，使最終得到的信號能夠滿足電壓比較器的要求。該信號通過電壓比較器之后輸出的就是想要得到的方波信號，但為了防止干擾信號對電路的影響，在前后電路之間設(shè)計一光耦隔離電路，最后通過施密特觸發(fā)器輸出質(zhì)量更好的標(biāo)準(zhǔn)方波信號。該電路中的信號轉(zhuǎn)換如圖4所示：

（3）倍頻電路

根據(jù)公式f=p×n/60，柴油機的工作轉(zhuǎn)速為400-1000r/min之間（對應(yīng)頻率只有6.67-16.67HZ），當(dāng)柴油機旋轉(zhuǎn)一周時主發(fā)電機定子繞組中的一相會產(chǎn)生9個正弦波，由公式可以得出前端處理電路輸出信號的頻率為60-150HZ。內(nèi)燃機車水阻試驗大綱中規(guī)定對柴油機轉(zhuǎn)速測量的測量誤差加減不能超過10r/min，而在此電路設(shè)計中設(shè)計每一秒對柴油機轉(zhuǎn)速測量一次，假如一秒中能夠檢測到2個方波信號的誤差，那么換算成轉(zhuǎn)速就達(dá)到（2/150）*1000=13.3r/min，這樣的誤差率就超出了允許范圍，所以一定要將頻率進行倍增，故此必須設(shè)計倍頻電路。如圖5所示。

（4）信號后處理電路設(shè)計誤差分析

主發(fā)電機發(fā)出的三相正弦信號經(jīng)過前端處理電路和倍頻電路后進入到信號后端處理電路，信號后端處理電路就是將前述電路輸出的方波信號轉(zhuǎn)換成同頻率的脈沖信號，該脈沖信號再作為輸入信號進入PLC，由PLC來完成對脈沖個數(shù)的測量，測量完成后再輸送給工控機。

在測量過程中不可避免的要出現(xiàn)測量誤差，若在測量時有加減兩個脈沖信號的誤差，那么當(dāng)柴油機的轉(zhuǎn)速為1000r/min時，測量誤差將達(dá)到（2*60）/（1000*9*50）≈0.027%；當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速為400r/min時，測量誤差將達(dá)到（2*60）/（400*9*50）≈0.067%，換算成轉(zhuǎn)速相當(dāng)于±0.27r/min的誤差；如果沒有進行倍頻處理，相對誤差更大，在柴油機轉(zhuǎn)速為1000r/min時，測量誤差將達(dá)到（2*60）/（1000*9）≈1.33%；在柴油機轉(zhuǎn)速為400r/min時，測量誤差將達(dá)到（2*60）/（400*9）≈3.33%，這換算成轉(zhuǎn)速相當(dāng)于±13.3r/min的誤差，超出大綱要求，所以，倍頻電路的引入大大提高了測量柴油機轉(zhuǎn)速的精度，在低速400r/min時的優(yōu)勢更加大，這樣設(shè)計之后的電路就使測量結(jié)果完全符合大綱的要求。

在設(shè)計當(dāng)中，考慮到信號數(shù)據(jù)的精度，采用了分壓電阻對電壓進行采樣，采用分壓電阻方法使信號的線性度即精度大大增加，由于柴油機轉(zhuǎn)速在水阻試驗中起著舉足輕重的作用，所以這種試驗方法非常適用，此外還需要考慮電路的抗干擾性，因為抗干擾性能差也大大影響數(shù)據(jù)的正確輸出，經(jīng)過如上所述，這樣的柴油機轉(zhuǎn)速設(shè)計電路中，PLC對脈沖信號個數(shù)的計算只跟柴油機本身的轉(zhuǎn)速有關(guān)系，不受其他因素的干擾，所以電路的抗干擾能力大大提高，測量精度也非常符合水阻試驗系統(tǒng)的要求。

綜上所述，脈沖電壓測量法使用了電壓互感器，它的優(yōu)點是自身帶隔離作用，缺點就是由于磁化曲線等導(dǎo)致它的線性度較差，誤差較大，影響對轉(zhuǎn)速的判定。第二種測量方法受環(huán)境影響小，具有一定的機械可靠性，精度高，操作方便，抗干擾性強，適用性好，故在設(shè)計中采用第二種方法。

參考文獻：

[1]木京京. 機車水阻試驗中柴油機轉(zhuǎn)速信號的提取[J]. 內(nèi)燃機車 .2009（11）46-47.

[2]仲躋升. 東風(fēng)4D系列內(nèi)燃機車[J]. 中國鐵道科學(xué). 2004（3）141-143.