柴電機車工況過渡原理詳解

柴油電力機車在美國作爲火車的主要動力來源 已經快一個世紀了 但其中很多機車都有一個特點 這個特點除了在一些特別硬核的圈子裏 外界幾乎沒人知道 或者說沒人真正瞭解 活動 從電氣工程師的角度看 這事簡直一目瞭然 沒什麼稀奇的 但從火車司機的角度來看 這東西聽說過 但真沒搞明白是怎麼回事 那今天我們就來解釋一下 大家好 我是Hice 歡迎來到電氣工程 我想一下 內燃電力機車是靠一臺大型柴油機 來驅動一個大型發電機或交流發電機 它產生的電流會輸送給牽引電機 最終讓我們能夠拉動整列火車 這概念聽起來很簡單 但早期的機車設計師遇到了不少麻煩 他們很難讓電壓保持在合適的範圍裏 不管是給牽引電機供電 還是給發電機或交流發電機本身 在整個機車的運行速度範圍內 都很難讓它們穩定的工作 要搞懂這個 咱們先來點基礎的電工學知識 歐姆定律 我們說的是電阻 不是禪修 歐姆定律告訴我們 在任何電路中 電壓都等於電流乘以電阻 所以在電阻固定的電路里 電壓越高 電流就越大 而電流纔是讓火車頭拉動車廂的力量 所以電流越大 拉力就越強 你把油門推到八檔 那個大電轉子就猛轉 電壓蹭蹭往上漲 多帶勁 咱們這就該出發了 對吧 不過 直流電機的實際情況 可沒這麼簡單 首先 電流過大會讓電機各種燒壞 這可不是我們想看到的 而且你轉的越快 它反彈的力道就越強 電機在運轉時會產生一種現象 叫做反向電動勢 它本質上是一種反向電壓 會抵消供電電壓 整體上削弱你獲得的動力 電機轉的越快 產生的反電動勢就越高 這意味着我們需要持續給電機 提供越來越高的電壓 所以到了某個點 我們沒法再給更多電壓 電機也克服不了反電動勢 就再也無法讓電機保持在驅動狀態了 我們已經沒法再往前推了 所以在運行速度上 高端和低端都出了問題 低速式電流又容易過大 燒壞牽引電機 導致過熱 拉弧 各種麻煩都來了 而在高端 我們又遇到反向電動勢過大的問題 沒法給電機提供足夠的電壓 來持續供電 於是我們引入了轉換電路 作爲一種特殊的電路方案 來幫我們同時應對這兩個不同的問題 VMD也就是通用汽車旗下的電氣動力部門 在美國柴油機車製造史上 長期佔據主導地位 不過它的縮寫還有個玩笑說法 叫每款都不一樣 因爲搞定這個問題的辦法 簡直多到數不清 但我會先講一下通用的工作原理 之後你要是有興趣 可以再去深入研究你最喜歡的那款機車 很多早期的內燃機車設計上 都是讓所有牽引電機先串聯起來 從發電機出發 先連到第一個牽引電機 然後是第二個 第三個 第四個 第五個 第六個 如果是六軸機車的話 最後再把電路接回發電機 形成一個迴路 這樣串聯起來 每個牽引電機分到的電壓就都一樣了 所以在第八檔位運行時 你供應600伏電壓 有六個牽引電機 這樣一來 我們就不會給電機輸入過大電流 尤其是在接近獨轉的時候 因爲每個電機只分到發電機輸出電壓的一小部分 等速度提上來 功率開始下降 因爲電壓不夠對抗反電動勢了 我們就可以切換到串並聯模式 這時候就變成一臺轉向架一組 另一臺轉向架一組 這樣一條迴路帶三臺牽引電機接回發電機 另一條迴路帶另外三臺 所以現在每個轉向架都是600伏 這樣每個牽引電機分到的電壓就高多了 因爲你實際上把電路分開了 所有東西都減半了 所以在這種配置下 每個電機能獲得雙倍電壓 隨着速度繼續提升 我們還能用同樣的思路 把每個牽引電機都接到獨立的電路上 所以每個電機都能得到發電機輸出的全部電壓 足足600伏 要是以前的電機一啓動就直接燒了 但在高速運轉時 反向電動勢會抵消一部分電壓 這樣我們就能在高速下施加更大的功率了 再說一次 這對電子工程師或電工來說 可能就像小學一年級的內容 電路非常簡單 真的很簡單 但在機車這邊 除了知道怎麼操作帶有轉換電路的機車之外 大家通常並不瞭解這背後的原理 這個概念我自己是知道的 但直到我爲蒸汽試劑開發內燃機車模擬系統 才真正搞明白它爲什麼存在 蒸汽 柴油都一樣 等我真正動手算起來 哦 一下子就全通了 這個簡單的電路方案是怎麼讓火車頭效率大增的 視頻裏講的明明白白 所以注意 這並不意味着機車能拉得更多 這意味着它能在更廣的速度範圍內做到這一點 實際操作中 很多早期的內燃機車都是手動換擋的 駕駛室裏有個物理手柄用來選擇不同的擋位 司機得手動降功率切換模式 然後再重新給上動力 大多數現代化機車 我說的現代化 指的是六十年代及之後生產的 都配備了自動轉換系統 所有電路操作都由系統自動完成 不需要司機手動干預 你可能會看到電流表指針回落再回升 也可能完全沒反應 這取決於機車有多新 但這一切通常都是自動處理的 不過要注意 並不是所有內燃電力機車都有這套系統 尤其不是我剛纔舉例說明的那種 串並聯切換方式 那是早期的做法 後來很多機車改用其他配置 甚至完全不需要全串聯模式了 使用交流牽引電機的機車 壓根不需要這套系統 因爲交流側的整個供電方式完全不一樣 這個嘛 等我哪天徹底搞懂了 專門做一期視頻來聊 細節問題 很多更現代更結實的機車 裝了大功率交流發電機 和更先進的牽引電機之後 其實什麼都不用做 直接全並聯運行就行 根本不會壞 這其實就是爲什麼 EMD後來改用交流發電機 而不是直流發電機的一個重要原因 要想造一臺能提供足夠電壓的發電機 那玩意大到根本塞不進火車頭裏 而交流發電機在更小的空間裏 就能做到同樣的事 所以後來那些更現代化的交流發電機機車 很多都不需要切換了 因爲交流發電機功率夠強 能同時滿足所有牽引電機的需求 而且牽引電機的設計也變了 再說一遍 EMD在我們業內就是 每個型號都不同的意思 這得看具體是哪款機車 差別還挺大的 所以我強烈建議你去搜搜 你最喜歡的EMD型號 那它做了什麼 它有過渡嗎 難道沒有嗎 那它是怎麼做到的 因爲這個基本概念之外 還有很多東西 先講往細吧 有些機車直接在發電機裏做切換 用多個不同的磁場之類的設計 還有些機車 甚至能改變電機自身的電阻 來精確控制電流 XXGP35型機車 這玩意兒居然有16種不同的配置 EMD你們到底在想什麼 他們就是把電氣工程的東西往牆上扔 看哪個能粘住 這確實挺有意思的 總之希望你們喜歡這期視頻 說到機車這塊 有些話題確實知道的人不多 這就算其中一個 對電氣工程師來說可能顯而易見 但對我們火車司機來說 平時真不太會去想這個 好吧 機車進入轉換狀態 但這到底是什麼意思呢 還有向世界聞名的傑夫泰勒致敬 我就是因爲他才做這期視頻的 當我瞭解到這一切 並在今年早些時候 爲模擬系統做了數學推算之後 我就覺得哇 這太酷了 這又是我在開發模擬系統時學到的 關於內燃機車的新知識 可以加到清單上了 然後這事就慢慢淡忘了 後來我們爲戴爾托馬斯 從喬治城那邊弄來了一臺內燃機車 放在博物館裏運營 盧普斯130的控制面板上 寫着一些關於轉換的細節 傑夫看了就說 哦 我不懂那是什麼意思 可你可是大名鼎鼎的傑夫泰勒啊 在機車這方面 他比我懂得多太多了 我當時心想 這不就是柴油機車的基礎知識嗎 他怎麼 哦 好吧 他確實不知道 畢竟他是搞蒸汽機車的 沒在柴油機車車間待過 所以這事我就牢牢記在心裏 一定要做出來 希望你們也學到了點東西 也覺得這挺有意思的 原理很簡單 但在整個鐵路史上 它確實非常有效