GMC16A型鋼軌打磨列車發電機低轉速使用

張 松

（中車北京二七機車有限公司，北京100072）

GMC16A型鋼軌打磨列車發電機低轉速使用

張 松

（中車北京二七機車有限公司，北京100072）

提出了GMC16A型鋼軌打磨列車發電機在低轉速條件下使用的方案，解決了空調和空壓機在發電機低轉速下不能工作的問題。

鋼軌打磨車；發電機；低轉速；變頻變壓電源；空壓機

GMC16A型鋼軌打列車的發電機由柴油機驅動，柴油機轉速在950 r/min～1 800 r/min范圍內調節。當轉速在950 r/min時，發電機發出的電壓和頻率無法提供給空調使用，普通的空壓機電機也無法使用。根據發電機轉速與輸出電壓特性（如圖2），發電機輸出電壓與頻率呈線性關系。通過在發電機輸出端增加一臺變頻變壓電源，可將發電機輸出的變化的電壓和頻率轉變為恒定電壓和頻率，為空調提供穩定的輸入電源。同時發電機的這一電壓頻率特性符合變頻電機調速時的壓頻比特性，同時根據發電機轉速與輸出電壓特性，將變頻空壓機電機同樣直接接入發電機輸出端，空壓機電機轉速隨發電機轉速的變化而變化。。通過此方法可使空調和空壓機在發電機低轉速下工作。降低了噪音和能耗，解決了空調和空壓機在發電機低轉速下不能工作的問題。

1 方案介紹

1.1 方案圖

發電機低轉速使用空調及空壓機方案如圖1所示。

圖1 方案圖

柴油機轉速在950 r/min時發電機輸出線電壓為AC260V，頻率32 Hz，可輸出72 KW功率。；轉速在1 800 r/min時輸出額定線電壓AC440V，頻率60 Hz.額定功率365 kW.柴油機轉速在變化時，電壓和頻率線性成比例變化。發電機額定功率365 kW.空調額定功率3 kW，額定電壓單相AC220V.空壓機額定功率17 kW.為了能使空調在發電機怠速或額定轉速下都能正常使用，在發電機和空調之間增加變頻變壓電源，將輸入的變化的發電機電壓和頻率轉變成穩定的三相380 V/50 Hz電源，滿足空調等負載的使用。由于發電機的電壓和頻率成線性比例變化，可選用符合此特性的變頻電機驅動空壓機。

1.2 發電機U/f特性

由交流發電機的工作原理我們知道，交流發電機的三相繞組產生的相電動勢的有效值

這里Ce為發電機的結構常數，n為轉子轉速，Ф為轉子的磁極磁通，也就是說交流發電機所產生的感應電動勢與轉子轉速和磁極磁通成正比。當轉速升高時，Eφ增大，輸出端電壓UB升高，當轉速升高到一定值時（空載轉速以上），輸出端電壓達到極限，要想使發電機的輸出電壓UB不再隨轉速的升高而上升，只能通過減小磁通Ф來實現。又磁極磁通Ф與勵磁電流If成正比，減小磁通Ф也就是減小勵磁電流If.

所以，當交流發電機的轉速升高時，調節器通過減小發電機的勵磁電流If來減小磁通Ф，使發電機的輸出電壓UB保持不變。

出于對發電機的保護，最低使用頻率不能低于28 Hz.同時也為了保證直接接入其輸出端的變頻空壓機的軸頭最低轉速，發電機U/f特性如圖2所示。

圖2 發電機U/f特性

1.3 變頻變壓電源的選型

變頻變壓的負載包括空調在內共13 KW.國內可以提供13 kW容量的通用逆變電源廠家較多，但是工作溫度均達不到70℃要求。且由于260 V～440 V的電壓范圍較寬，不屬于標準輸入規格，因此沒有標準的產品可選，需按參數要求定制，且能夠承接符合鐵路機車要求。考慮到產品在打磨作業的苛刻環境中使用，供應商的生產資質與經驗，售后服務，與產品尺寸成為選型的主要依據。因此選擇由國內具有豐富鐵路機車變頻變壓設備生產經驗的廠家長沙廣義變流電器有限公司設計制作，變頻變壓電源技術參數如表1所示。

表1 變頻變壓電源技術參數

1.4 工作原理說明

當本電源輸入電壓滿足三相150 V～三相470 V時，經不控整流斬波升壓后，升壓控制電路工作，逆變模塊控制輸出接觸器KM1閉合，變頻器接收到KM1閉合信號后逆變模塊輸出三相380 V/50 Hz，經過正弦波濾波器濾波、Z型變壓器形成中點后輸出380 V/50 Hz正弦波電壓，變頻變壓電源框圖如圖3所示，試驗結果如表2.

圖3 變頻變壓電源框圖

表2 試驗結果

1.5 發電機低轉速使用空壓機方案

1.5.1 變頻調速的基本方式[1]

在電動機調速時，一個重要的因素是希望保持每級磁通量φm額定值不變。磁通太弱沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費，若要增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。對于直流電機，勵磁系統是獨立的，只要對電樞反應的補償合適，保持φm不變是很容易做到的。在交流異步電機中，磁通是定子和轉子磁勢合成產生的，要保持磁通恒定就比較復雜。

按電機理論，三相異步電機定子每相電動勢的有效值是：

式中，Eg為氣隙磁通在定子每相中感應電動勢有效值，單位為V；f1為定子頻率，單位為Hz；N1為每相繞組串聯匝數；KN1為波繞組系數；φm為每極氣隙磁通量，單位為Wb.

由式（2）可知，只要控制好Eg和f1，便可達到控制磁通φm的目的。在基頻以下，為了維持磁通不變，必須按比例地同時控制電壓和頻率，由于空壓機在電源頻率低于30 Hz時不工作，因此可不考慮補償定子壓降。

1.5.2 基頻以下調速

由式 (2）可知，要保持φm不變，當頻率f額定值fn下調節時，必須同時降低Eg，使

即采用恒定的電動勢頻率比的控制方式，如圖4所示。

圖4 恒壓頻比控制特性

然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓U≈Eg，則得

這是恒壓頻比的控制方式。

通過以上控制方式可以得出，發電機的輸出電壓和頻率特性符合變頻電機的控制特性。因此可直接將變頻電機接入發電機輸出端使用。

空壓機空載和負載運行曲線發電機電壓與頻率特性如圖5、圖6所示。

圖5 空載運行曲線

圖6 負載載運行曲線

從圖4可以看出，發電機的輸出電壓和頻率是線性變化的。符合電機變頻調速的要求。如果空壓機電機是變頻電機可直接使用。

2 結論

（1）通過以上分析，此方案從電氣系統上解決了GMC16A型鋼軌打磨列車發電機在低轉速工況下不能使用空調和空壓機的問題。

（2）由于柴油機在低轉速下使用，因此可降低噪音和能耗。

（3）目前此方案已經裝車并通過試驗和驗收，效果良好。

[1]陳伯時，陳敏遜.交流調速系統[M].北京：機械工業出版社，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

張 松（1984-），男，北京人，工程師，本科，研究方向機車電氣系統設計。