电力机车主变压器风机节能自动控制研究.pdf

研究与开发 RES EARCH AND DEVELOPM E N l 第 1 8卷第 1 1 期 V0 1 ． 1 8 No． 1 1 文章编 1 0 0 5 8 4 5 1 2 0 0 9 1 1 - o o o 4 0 3 电力机车主变压器风机节能 自动控制研究 温伟刚 ，龚明敏 ，张维 戈 1 ． 北京 交通 大学 机械 与电子控制工程 学院，北京 1 0 0 0 4 4 ； 2 ． 北京 交通 大学 电气工程学院， 北京 1 0 0 0 4 4 捅 婴电 气化铁 路的 发展对 电力机 车提 出高效 节能 的更高要 求 ，电力机车主 变压 器风机 节能 自动控 制应 用计算机控 制技术 ，根据 变压 器工作温度和环境 温度对 变压 器凤机运行进 行 自动控制 ，从 而 节约机车 辅助系统能源，提 高机车运用效率。 父赴 变压 器； 自动控制 ； 节能 ；风机 I 冈分类 U2 6 4 ． 6 爻I{ jl 【 j 5 A S t u d y o n e n e r g y s a v i n g a ut o c o n t r o l o f ma i n t r a n s f o r me r b l o we r t o e l e c t r i c l o c o m o t i v e W EN We i g a n g ． G0NG M i 1 1 2 一 rai n ZHANG We i g e 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l ， E l e c t r o n i c a n d C o n t r o l E n g i n e e r i n g ， B e O i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f E l e c t r i f y E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， B e ij i n g 1 0 0 0 4 4 ， C h i n a Ab s t r ac t W i t h t h e d e v e l o p me n t o f t h e e l e c t r i fie d r a i l wa y ，i t was r e q ui r e d t h a t t he e l e c t r i c l o c omo t i v e wa s mo r e e n e r g y s a v i n g a n d mo r e e ffic i e n t ． M a i n tra ns f o r me r b l o we r wa s c o nt r o l l e d f o r e n e r g y s a v i n g a c c o r d i n g t o the wo r k i ng t e mp e r a t ur e of t h e tra ns f o r me r a n d t h e e nv i r o n me n t t e mp e r a t ur e ． So t h e e n e r gy o f Lo c omot i v e As s i s t a n c e Sy s t e m wa s s a v e d． The l o c o mo t i v e wa s mor e s a f e t y an d e ffi c i e nt ． Ke y WO r d s tra n s f o rm e r ； a u t o c o ntro l ； e n e r g y s a v i n g； bl o we r 电气化铁路 的发展对 电力机车提 出了高效节 能的更高要求。主变压器是电力机车 主电路 中的 主要电器， 实现 电力机车所需 电能的转换。 主变压 器的运行状态对 电力机 车的功耗起着至关 重要的 作用。 为了保证主变压器的安全运行 ， 主变压器一 般采用强迫油循环风冷的散热 方式 ，主变压器风 机对主变压器进行通风冷却 ，通过油散热 带走变 压器热量 ，使主 电路 中主变压器不会因工作温 度 过高而 引起烧损 。主变压器风机 由电力机 车辅 助 电路 中的一个三相辅助 电机带动 ，通风机 在散热 的 同时也消耗大量的电能 。 电力机车主变压器风机节能 自动控制应 用现 代计算机技术 、 自动控制技术和传感器技 术 ，根 据 电力机车的运行状态和运行温度 自动调 整主变 压 器风机 的运行状态 ，实现主变压器和主变压器 风机 的智能监控 ，达到 电力机车安全节能运行的 目的 。 收稿 日期2 0 0 9 0 7 1 3 基金项 目铁道部科技研究开发计划项目 2 0 0 8 Z 0 0 6 作者简介温伟刚，讲师；龚明敏 ，工程师。 1 系统原川 电力机车主变压器风机节能 自动控制 系统对 主变压器风机按 照安全高效的策略进行 自动控制。 系统采用闭环控制方式 ， 其控制方式如 图 1 ， 首先 通过 传感器检测主 变压 器和主变压器风机的运行 状态 ，然后根据控制器的控制模型和控制参数对 主变压器风机 的运行进行 自动控制。 由于采 用单 片机作为系统 的智能控制器 ，可以对主变压 器及 其风机的各种状态参数进行在线监控 。 图 1 系统控制结构图 系统选取主 变压器油温 作为主要监 控对象 ， 应用温度传感器实时检测主变 压器油温 ，并根据 温 度控制主变压器风机的运行 。主变压器具有最 佳 工作温度范 围，工作温度过 高会引起变压器烧 毁 ， 过低却会降低变压器工作性能。因此 ， 在主变 研 究与开发 压器油温低的时候应该使主变压器风机停止运行 ， 而油温高 的时候才开 启风机的运行 。通过控制风 机的运行 状态使主变压器工作油温保持在最佳的 温度范围 ，从而达 到节约能源和降低噪声污染的 目的 。 为了避免系统振荡 ， 尽量减少变压 器风机的 频繁启动 ， 控制器采用滞环控制方式 ， 设 定上升点 温度值 T 和 下降点温度值 T ， ，其 中 T ， T 。为 了 保证主变压器工作温度范 围和风机节 能效果 ，下 降点与上升点之 间必须有合适的宽 度。并且为了 保证主变压 器的安全运行 ，控制 器还 设定 了温度 报警点 T ，当主变压 器油温高于 T 时 ，控制器采 取相应 措施并产生报警信 息。根据 T B1 6 8 0 9 7的 规定 ，为保证变压器使用寿命 ，油浸式 电力变 压 器的油顶层温升限制值为 6 0 K 周围冷却空气的 最高 温度 规定 为 40℃ ，油 顶 层温 度限值 可 达 T ⋯ 1 0 0 ℃ ，因此设定 T ≤T ⋯ 。控制 器同时对 主变压 器风机 的运行 电路进行监测 ，当风机运行 电路产生故障时 ，系统 能够产生风 机运行故障信 息 ， 提示乘务人员采取相应措施 。 并且 系统具有 自 诊断功能 ， 当系统产生故障时 ， 首先使控制器重新 复位；当控制器不能恢复正常时 ， 系统 自动切除控 制器转换为非 自动控制形式 ，从而保证 主变压 器 风机冷却系统的安全正常运行 。 2 什结构 电力机车 主变 压器风机节能 自动控制系统结 构框 图如图2 ，系统硬件 主要包括传感器和风机节 能控制器两大部分 。 其 中温度传感变送装 置实现 主变压器油温 的 检测 ，主要 由温度传感器和温度 变送 器整体封 装 而成 ， 通过安装孔把温度传感器端放入变压器中 ， 实时检测变压器油温 ，温度变送器对温度信号进 行放大整形 ，并转换为 4 mA～2 0 mA的标 准工业 电流信号 ， 以提高其抗干扰能力和传输能力 ， 最终 通过信号线输入风机节能控制 器中。 风机节能控制 器由电源模块 、主控制器单元 、 实时时钟单元 、 数据记录单元、 温度传感器转换接 口单元 、P C机通信接 口单元和显示单元构成 。实 现主变压器风机的节能监控 、 数据记录 、 信息显示 和人机通信等功 能。 控制器的 电源模块将机车的 1 l 0 V直流 电源 风 机 节 能 控 制 装 置 图 2系统硬件框图 滤波后通过 电压转换模块转为 1 5 V、1 2 V和 5 V 电源供给风机节能控制器 ，并 实现机车 电源和风 机节能控 制装置的 电源隔离 ，使机车和风机节能 系统之间的干扰达 到最小。 控 制器的 CP U单元为 MC9 S 1 2 一 C3 2 C P B1 6 MC U芯片 ，该芯片是一款广泛用于工业控制和汽 车 网络 的 1 6 b i t 单 片机 ，拥 有 3 2 K 的 F l a s h E E P R OM ，4 K的 RAM 存储器 ，并且拥有一个异 步 串行通信端 口 S C I 、一个 同步 串行外设接 口 S P I 、8通道 1 6 b i t 定时器、8通道 1 0 b i t 模数 转换 器 AI D和 CAN通 信模块 。控 制器采 用 MC9 S 1 2 C3 2 C P B 1 6 MC U实现温度信号的 A I D转 换和风机节能控制 ， 并采用其C AN通信接 口与P C 机 进行通 信 ，把控制器 中存储的监控数据转存至 P C机进行分析处理 。 控制器具有监控数据记 录功能 ，需要采用实 时 时钟 单 元作 为数 据记 录 的时 间基 准 ，使用 了 S D2 4 0 5 AP I 标准时钟芯片 ，该芯片可以在外部电 源关 闭时 自动转为 由内部 充电电池供 电 ，保证 时 钟精 度为 5 p p m 在 2 5 ℃ 1 ℃下 ，即年误差 小于 2 ． 5 mi n 。数据 记录单元采用 1 2 8 k b y t e的 F ROM 串行存储器组成数 据存 储空 间，数据有效 存储时间能达4 5 年 ， 并能保证 1 0 1 o 次的数据读 写， 保证 了数据存储 的可靠性 。 电力机车 主变压器风机节能控制系统的显示 界面单元 由4个 L E D灯 以及 6 个数码管组成 ， 4个 L E D灯分别指示程序运行 、高温报警 、风机电路 状态以及备用控制 电路 状态 ，数码 管用于显示当 前温度、 当前风机状态 以及故障代码 。 控制器 的风机控制输 出接 I 1 单元 由 3部分组 成 ，主控制 电路通过 MCU控制 MOS管实现风机 的状态控制 ，同时利用 安全继 电器作 为风机控制 的备用电路 ，在MCU出现故障时保证风机 电路的 圆2 0 0 9 ． 1 1 总 1 5 2 } } }I 研究与开发 1 8卷第 1 1 期 正常导通 ，并加入紧急开关保证 风机 主控制 电路 和备用电路在 同时失效时风机能正常开启。 3 软 件流程 电力机车主变压器风机节能 自动控制 系统程 序主要包括主程序和定时中断控制程序 2 个部分。 其中主程序流程如 图 3 ，首先设置程序相关参数 ， 配置MC U的寄存器和 A ／ D、 CAN等外设参数 ， 读 取实时时钟时间 ， 然后开启中断 ，启动定时器， 并 进入 自诊断 、存储数据和 CAN通信的程序循环。 定时 中断控制程序流程 如 图4，每次进入定时 中 断 ，首先读取温度 AI D转换值 ，对采样数据进行 均值滤波 ， 然后根据温度进行风机的滞环控制 ， 并 对风机电路进行采样判断 电路状态是否正确 ，如 不正确则启动安全继 电器，发 出报警信息 ，如果 采样数据产生了变化 则更新显示 ，最后再启动下 一 次 AI D转换 。为了提高 系统的抗干扰特性 ，软 件对采样数据采 用 “ 采 四取二”的防脉冲干扰平 均值滤波的方法 ， 均值滤波算法流程如图5 ，在连 续进行 4次数据采样后 ，去掉其中最大值和 最小 值 ， 然后求剩下的 2 个数据的平均值 。图中采样次 数在寄存 器 R 中设定，寄存器 R， R 存放最大值 ， 寄存器R R 存放最小值 ， 寄存器 R R 存放 累加和 与最后的平均值 。 图 3主程序流程 电力机车主变压器风机节能 自动控制 系统采 用计算机控 制技 术实现主变 压器风机节能监 控 ， 图 4 定时中断控制程序流程 图 5 “ 采四取”的防脉冲干扰平均值滤波 通过在 S S 4电力机车上进 行安 装测试 ，主变压器 风机 自动控制系统 不仅运 行稳 定 ，还进一步提高 了电力机车运用效率和安全性 。 参学殳献 【 1 】 姜忠 良，陈秀云． 温度 的测量与控制【 M】 ． 北京清华大学 出版 社 ，2 0 0 5 ． 【 2 】李建勇． 机电一体化技术【 M】 ． 北京科学出版社，2 0 0 5 ． 【 3 】 解绍锋，李群湛，贺建闽． ． 牵引变压器温升与寿命损失研 究【 J 】 ． 机车电传动，2 0 0 3 4 1 5 1 7 ． 【 4 】 刘友梅． 韶山4 B型电力机车【 M】 ． 北京中国铁道出版社， 1 9 99