柴油机变频起动方法及柴油发电机组、机车与流程

本发明涉及一种柴油机变频起动方法及柴油发电机组、机车,属于内燃机车技术领域。

背景技术：

在采用交流同步主发电机的内燃机车上，对柴油机发电机组实行变频起动，可以省去起动电机、变速箱等设备，不仅解决了占用空间大、轴重增加等问题，还可大幅度地减少噪音、异音、发热、机油泄漏等现象，机车的性能及可维护性大大提高。因此变频起动技术越来越得到生产厂商和用户的重视。

柴油发电机组的变频起动，现在一般的做法是利用机车蓄电池直流电源，通过斩波器控制主发电机的励磁绕组，通过机车的牵引逆变器向主发电机的三相电枢绕组供电，不断改变定子旋转磁场转速，利用同步转矩来起动柴油机。现有技术虽然在驱动及控制方面都已经比较成熟，但是仍存在控制策略复杂、其控制性能受电机参数影响较大等问题。尤其在牵引逆变器额定中间电压较高的情况下，同步发电机做电动机运行，需要逆变器输出三相交流电的压频比高，然而在蓄电池供电条件下，中间直流电压却比较低，同时较低转速下同步电机还会产生较高的反电势，使同步电机输出转矩受到限制。

技术实现要素：

本发明的目的就是克服上述现有技术之不足，提供一种更加优化起动控制和系统配置的柴油机变频起动方法及柴油发电机组、机车。

本发明的目的是这样实现的：一种柴油机变频起动方法，其特征在于：

A.励磁绕组的控制

A1.励磁电流给定信号I_f^*先给出一个初始单脉冲励磁电流给定信号；

A2.根据柴油机转速n查励磁电流-柴油机转速表，得到励磁电流给定值I_f^*；

A3.检测主发电机励磁电流反馈信号I_f,根据I_f^*、I_f进行励磁电流PI控制，得到励磁脉宽占空比控制信号IfCtrl,将IfCtrl限制于IfMin至IfMax，控制斩波器的输出；

A4.当柴油机转速n小于设定转速ns且起动时间T小于设定时间Ts时，返回步骤A2；否则进入下一步骤；

A5.关闭励磁斩波器控制信号。

B.电枢绕组的控制

B0.在励磁绕组初始单脉冲励磁电流给定信号结束时，令直轴电流给定值I_d^*的初始值为零；

B1.根据柴油机转速反馈值n，计算机械角频率ω_e＝π*P*n/60，其中：P为电机极数，ω_e的计算单位为rad/s，n的计算单位为r/min；

B2.以初始相位角为初始值对ω_e积分运算，得到转子位置角θ，其中：u、v、w为初始单脉冲励磁电流给定信号下降沿时电机输出的线电压信号瞬时值；

B3.对电机转子位置角θ和电机瞬时电流值I_a、I_b、I_c进行Clark和Park变换，得出直轴电流I_d和交轴电流I_q；

B4.根据柴油机转速给定值n^*和反馈值n，进行柴油机转速PI控制，输出交轴电流给定值I_q^*，柴油机转速给定值n^*的增长斜率按照设定的柴油机起动转速和时间来确定；

B5.根据I_q^*、I_q，进行交轴电压PI控制，得到交轴电压控制信号U_q；

B6.根据I_d^*、I_d，进行直轴电压PI控制，得到直轴电压控制信号U_d；

B7.对直轴电压控制信号U_d、交轴电压控制信号U_q和转子位置角θ进行Clark和Park逆变换，得出三相交流输出电压参考信号U_a^*、U_b^*、U_c^*；

B8.根据三相交流输出电压参考信号U_a^*、U_b^*、U_c^*生成PWM控制信号，控制逆变器输出三相交流电压U_a、U_b、U_c；

B9.当柴油机转速n小于设定转速ns且起动时间T小于设定时间Ts时，返回步骤B1；否则，进入下一步骤；

B10.关闭逆变器驱动控制信号。

一种柴油发电机组，其发电机为交流同步主发电机，其特征在于采用上述柴油机变频起动方法。

一种内燃机车，其动力装置为包含交流同步主发电机的柴油发电机组，其特征在于采用上述柴油机变频起动方法。

本发明的方案，通过精确的转子位置检测和转子磁场矢量定向控制，实现了更加优化的变频起动控制和系统配置，能够更好的适用于可应用变频起动的内燃机车及各类柴油发电机组的场合。

附图说明

图1为本发明实施例的柴油机变频起动电路原理示意图。

图2为本发明实施例的柴油机变频起动方法主程序流程图。

图3为本发明实施例的励磁绕组控制子程序流程图。

图4为本发明实施例的电枢绕组控制子程序流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1，本实施例的柴油机变频起动电路,机车蓄电池BATT作为直流电源，通过励磁斩波器向主发电机的励磁绕组供电，通过机车的牵引逆变器向主发电机的三相电枢绕组供电，不断改变定子旋转磁场转速，利用同步转矩来起动柴油机。

参看图2本实施例的柴油机变频起动方法主程序流程图。主流程开始，进入框1.1判断起动指令为真吗？如果否，进入框1.4，置初始位置标志P＝0；如果是，进入框1.2，判断柴油机转速为零吗？如果否，进入框1.4；如果是，进入框1.3，判断转子初始位置确定标志P＝1？若框1.3条件不满足，进入框1.5，设定I_f^*为脉冲宽度为T1、幅值为A1的励磁电流给定信号。进入框1.6，调用励磁脉宽控制子程序，生成励磁控制信号PWM1。进入框1.7，判断脉冲励磁电流给定信号T1是否结束？如果否，主流程结束；如果是，进入框1.8，检测同步主发电机的输出三相线电压信号瞬时值u、v、w，计算置转子初始位置标志P＝1。若框1.3条件满足，进入框1.10，根据柴油机起动转速和时间设定值，按一定斜率控制柴油机转速给定值n*。进入框1.11，检测柴油机转速n，根据n查励磁电流-柴油机转速表计算励磁电流给定值I_f^*，此处根据得到式中i_d的控制值为零，即得到其中L_mf和ψ_f为与电机转速(即柴油机转速)相关的参数，由此可得出励磁电流-柴油机转速表。随后进入框1.12，调用励磁脉宽控制子程序，生成励磁控制信号PWM1。进入框1.13，调用变频起动柴油机转速闭环控制子程序。进入框1.14，判断柴油机转速n>设定转速ns？如果是，进入框1.17，逆变器停止。如果否，进入框1.15，T＝T+1。进入框1.16，判断起动时间T>设定时间Ts？如果否，主流程结束；如果是，进入框1.17，逆变器停止。进入框1.18，置起动时间T＝0。主流程结束。

参看图3的励磁绕组控制子程序流程图。子程序流程开始，进入框2.1，检测主发电机励磁电流反馈信号I_f。进入框2.2，根据I_f^*、I_f，进行励磁电流PI控制，得到占空比控制信号IfCtrl。进入框2.3，将IfCtrl限制于IfMin至IfMax。进入框2.4，输出占空比控制信号PWM。然后本流程结束。

参看图4的电枢绕组控制子程序流程图。子程序流程开始，进入框3.1，根据柴油机转速给定值n*、反馈值n，进行柴油机转速PI控制，输出Iq*。进入框3.2，设定Id*为零。进入框3.3，计算机械角频率ω_e＝π*P*n/60,其中：P为电机极数，ω_e的计算单位为rad/s，n的计算单位为r/min。进入框3.4，对ω_e积分，得到转子位置角θ,其积分运算的初始值为初始相位角θ₀。进入框3.5，检测I_a、I_b、I_c瞬时值。进入框3.6，根据I_a、I_b、I_c、θ,通过Clark和Park变换计算I_d、I_q。进入框3.6，根据I_d^*、I_d，进行直轴电压PI控制，得到直轴电压控制信号U_d。进入框3.8，根据I_q^*、I_q，进行交轴电压PI控制，得到交轴电压控制信号U_q。进入框3.9，根据U_d、U_q、θ,通过Clark和Park逆变换计算三相交流输出电压参考信号U_a^*、U_b^*、U_c^*。进入框3.10，根据U_a^*、U_b^*、U_c^*生成PWM控制信号，控制逆变器输出三相交流电压U_a、U_b、U_c。然后本流程结束。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。