内燃机车负载试验系统硬件电路优化设计

何志宁++李德辉

摘 要：内燃机车组装完成经过动作耐压试验之后都必须进行负载模拟实验也就是俗称的水阻试验。水阻试验是以水电阻作为负载，模拟机车的各种工况，检查通过组装后的机车是否满足设计要求，并通过试验，调整机车各项参数，以确保机车的组装正确，动作可靠，运行安全。由于车间水阻试验完全依靠人工，很难做到全程监测，仪表精确度也较差，因此需要进行一系列的改进。

关键词：水阻试验 柴油机转速 水阻试验系统 主发电机

水阻试验系统在进行水阻试验时需要测量的电量、非电量非常多，其硬件电路所要实现的功能就是将参数信号经过采集、检测后传输显示出来，在硬件电路设计中对于柴油机转速电路的设计非常重要，直接测量测速发电机输出端和光电编码法测量在操作上比较繁琐，误差大，一般不予采用。下面介绍两种柴油机转速测量电路取其优者进行设计：

1、脉动电压测量法

在进行水阻试验时，经柴油机带动主发电机旋转发出三相交流电，三相交流电经过主整流柜整流后发出脉动直流电压Uab，因为是通过柴油机旋转带动主发电机旋转，所以柴油机的转速跟主发电机的转速就会保持一致[1]，故而Uab的脉动频率就能够将柴油机的转速反映出来。根据公式n=60f/6p可以得知，每当主发电机旋转一周经过主整流柜整流后就会产生6p个脉动电压波形。

图1 柴油机转速测量电路

Figure 1 Speed measurement circuit of diesel engine

根据图1可知，该电路整体构成简单，重要组成部分是隔直电容跟耦合变压器。其中，Uab是从水阻箱的正负两端即正负极板处而来，隔直电容C1的作用就是将Uab中的直流电压滤除掉，耦合变压器的作用是降压和隔离。Udf是变压器T1的的副边输出电压，也是RM-02型专用数字转速表的输入电压。

2、采用PLC计数的柴油机转速测量方法

（1）工作原理

柴油机带动主发电机发出的都是三相交流电，柴油机的曲轴通过弹性联轴器与同步发电机相连[2]。在DF4型内燃机车中所用的主发电机型号是TQFR-3000，有9对磁极，也就是说当柴油机转动一圈时，主发电机随之转动一圈（同步的），主发电机定子绕组中的一相会产生9个正弦波，即按正弦规律变化，根据主发电机的此项固有规律，我们可以在主发电机中任选一相的输出波形进行处理，将波形处理成脉冲信号，再通过对脉冲信号的计数计算出相应的转速。测量原理图如图2所示：

在此转速测量系统中，首先需要直接将1ZL（主整流柜）通过交流母排的电信号采集过来，此电信号就是主发电机的电信号，接着上述电信号作为输入信号进入到信号预处理模块中，在此模块中信号经过限幅、滤波、稳压后，再将信号输送到电压比较器，电压比较器的输出信号是同频率的方波信号，该方波信号经过光耦隔离后输入到史密特触发器，史密特触发器再将信号整形后作为输入信号输入到倍频电路（如图5所示），输入到倍频电路的信号在信号后处理电路中需要完成将信号放大和将驱动提高的任务，完成全部上述工序后信号进入到PLC由PLC进行计数，最后将计数量通过RS-232串行通信电路输送到工控机。

（2）前端信号处理电路

内燃机车主发电机发出的是三相交流正弦波信号，最高电压可以达到1000V，前端信号处理电路的作用就是将主发电机发出的三相交流正弦信号转变成可测量的方波信号。内燃机车发出的高电压中掺杂着高频干扰，要想得到直接能够测量的信号就要进行降压和滤波，主发电压发出的高压电作为前端信号处理电路的输入信号，经过R1、R2分压，R3、C1高频滤波后，主发电压发出的高压电就变成去除高频信号的可直接测量的低压电。在R3、C1分支电路后面再分别并联上（正负颠倒）的两个二极管，就可以将主发电机电压信号滤波后的幅值钳制在0.7V左右，为了确保滤波的质量在二级管电路之后再并联上R4、C2作为第二层高频率波电路进行滤波，使最终得到的信号能够满足电压比较器的要求。该信号通过电压比较器之后输出的就是想要得到的方波信号，但为了防止干扰信号对电路的影响，在前后电路之间设计一光耦隔离电路，最后通过施密特触发器输出质量更好的标准方波信号。该电路中的信号转换如图4所示：

（3）倍频电路

根据公式f=p×n/60，柴油机的工作转速为400-1000r/min之间（对应频率只有6.67-16.67HZ），当柴油机旋转一周时主发电机定子绕组中的一相会产生9个正弦波，由公式可以得出前端处理电路输出信号的频率为60-150HZ。内燃机车水阻试验大纲中规定对柴油机转速测量的测量误差加减不能超过10r/min，而在此电路设计中设计每一秒对柴油机转速测量一次，假如一秒中能够检测到2个方波信号的误差，那么换算成转速就达到（2/150）*1000=13.3r/min，这样的误差率就超出了允许范围，所以一定要将频率进行倍增，故此必须设计倍频电路。如图5所示。

（4）信号后处理电路设计误差分析

主发电机发出的三相正弦信号经过前端处理电路和倍频电路后进入到信号后端处理电路，信号后端处理电路就是将前述电路输出的方波信号转换成同频率的脉冲信号，该脉冲信号再作为输入信号进入PLC，由PLC来完成对脉冲个数的测量，测量完成后再输送给工控机。

在测量过程中不可避免的要出现测量误差，若在测量时有加减两个脉冲信号的误差，那么当柴油机的转速为1000r/min时，测量误差将达到（2*60）/（1000*9*50）≈0.027%；当柴油机转速为400r/min时，测量误差将达到（2*60）/（400*9*50）≈0.067%，换算成转速相当于±0.27r/min的误差；如果没有进行倍频处理，相对误差更大，在柴油机转速为1000r/min时，测量误差将达到（2*60）/（1000*9）≈1.33%；在柴油机转速为400r/min时，测量误差将达到（2*60）/（400*9）≈3.33%，这换算成转速相当于±13.3r/min的誤差，超出大纲要求，所以，倍频电路的引入大大提高了测量柴油机转速的精度，在低速400r/min时的优势更加大，这样设计之后的电路就使测量结果完全符合大纲的要求。

在设计当中，考虑到信号数据的精度，采用了分压电阻对电压进行采样，采用分压电阻方法使信号的线性度即精度大大增加，由于柴油机转速在水阻试验中起着举足轻重的作用，所以这种试验方法非常适用，此外还需要考虑电路的抗干扰性，因为抗干扰性能差也大大影响数据的正确输出，经过如上所述，这样的柴油机转速设计电路中，PLC对脉冲信号个数的计算只跟柴油机本身的转速有关系，不受其他因素的干扰，所以电路的抗干扰能力大大提高，测量精度也非常符合水阻试验系统的要求。

综上所述，脉冲电压测量法使用了电压互感器，它的优点是自身带隔离作用，缺点就是由于磁化曲线等导致它的线性度较差，误差较大，影响对转速的判定。第二种测量方法受环境影响小，具有一定的机械可靠性，精度高，操作方便，抗干扰性强，适用性好，故在设计中采用第二种方法。

参考文献：

[1]木京京. 机车水阻试验中柴油机转速信号的提取[J]. 内燃机车 .2009（11）46-47.

[2]仲跻升. 东风4D系列内燃机车[J]. 中国铁道科学. 2004（3）141-143.