HXn5型机车5.docx

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HXn5型机车5

5

牵引电传动系统

HXN5型燃机车属交流电传动燃机车。

该车由柴油机来产生机械能。

利用交流发电机将机械能转换成交流电源。

由于该交流电频率及电压均不适合HXN5型燃机车的交流牵引

电动机。

所以必须进行转换调整，首先由主整流器组将交流转换成直流。

然后再由采用IGBT器件的逆变器转换成可变频变压的交流电，在机车牵引时，牵引电传动系统传送给牵引电机定子绕组的交流电源信号频率必须高到它足以产生一个转速稍高于转子转速的旋转磁场。

即逆变器产生的同步转速高于转子转速时。

旋转的定子磁场给转子导条中产生电流，因而它对转子就提供了转矩，使其旋转并驱动机车。

当机车在电阻制动时，轮轴制动能量通过牵引电动机转换为电能并损耗在制动电阻上。

因此，HXN5型燃机车牵引电传动系统主要主要由以下几部分组成：

交流牵引发电机

整流及逆变装置

交流牵引电动机

制动电阻原理及装置

具体布置见图5-1（图中制动电阻未示出）。

5.1交流牵引发电机

HXN5型燃机车的牵引发电机采用的是凸极转子的同步发电机，牵引发电机与辅助发电机同轴，相当于一个机座有4个电机，结构复杂。

5.1.1牵引发电机的主要数据

5GMG201E1

5.1.2牵引发电机的结构

HXN5型燃机车用的5GMG201E1型同步牵引发电机为卧式单轴承结构的三相凸极同步发电机，星形连接，转子极数为10，图5-2、图5-3为该电机的外形图和结构图。

该电

机为主、辅发电机同轴，轴承为单列圆柱滚子轴承，可用型号有FAG558830C和SKF466860VAR，主、辅发电机与滑环位于轴承两端。

机座上装有转子支撑以支撑转子，防止轴承在电机安装到机车前遭到破坏。

电机的输入端为法兰形式，与柴油机曲轴直接耦合传递动力。

该电机的冷却为轴向强迫通风，冷却空气由辅助发电机外围的大端盖上方的入口进入，一条支路冷却主发电机定子和转子，另一条支路冷却辅助发电机定子和转子，冷却空气在主发电机后端汇合，从后端排出。

图5-25GMG201E1型同步牵引发电机外形图

图5-35GMG201E1主/辅发电机结构图

1-转子装配；2-转子支撑；3-主发定子装配；4-主发出线端；5-辅发出线端；

6-刷盒；7-滑环；8-辅发转子；9-辅发定子；10轴承

5.1.2.1定子结构该电机的定子铁芯由9片扇形冲片拼成整圆，90个开口槽，设两排共计162个通风孔。

定子铁芯叠片成型后用拉杆、压圈和压块固定，再与定子机座热套紧固，机座上有挡肩定位。

定子引出线在位于电机固定后端盖的侧上方，并由绝缘子沿电机轴向固定在端盖的圆周面上。

定子绕组为三相星形连接，中性点没有引出线。

线圈节距为1～9，每极相绕组由3

个线圈串联，每相绕组由10个并联支路组成。

定子线圈由两根熔敷导线并绕而成，每个线圈4匝，除端部外，直线段和圆弧段为三分之二叠包增强云母带一次。

5.1.2.2转子结构电机转子是主发电机转子和辅发电机转子同轴，辅发电机为外转子结构，主、辅发转子位于轴承的一端，轴承的另一端安装了滑环系统。

转子外径为1086.5mm，中心点气隙为4.65mm，转子磁极由两排8根螺栓与磁轭紧固。

转子磁极铁芯两端采用精铸端板，无阻尼绕组，磁极线圈为扁绕整匝导体，并压成弧形，宽厚比较大，高达21，匝数为35匝。

5.1.2.3滑环与刷架系统滑环组装与转轴之间采用过盈配合连接，钢质滑环和滑环毂之间的绝缘采用浇铸式，有别于传统工艺。

接线柱上有绝缘套管。

滑环表面车有右旋螺旋槽。

4套滑环分别为主、辅助发电机转子绕组励磁供电，励磁电缆联线由转轴上的凹槽穿过轴承连接励磁绕组和滑环。

刷架系统安装在端盖外侧，共有16个刷盒，每个刷盒一块斜碳刷，碳刷尺寸为19.05x44.45。

刷架系统由上下可拆卸的两个保护罩与外界防尘隔离。

刷架系统引出线安装在下方保护罩上。

5.2整流器及逆变器

HXN5型燃机车是交流电传动燃机车，主牵引变流器主要由1台二极管整流器和6台

IGBT逆变器构成，它将同步发电机发出的三相交流电压整流成脉动直流电，再逆变成变频变压的三相交流电以驱动6台交流牵引电机。

此外，主牵引变流器还包括检测电路、保护电路等部分。

5.2.1电气原理

电气原理图见图5-4。

由图中可见整流器是由三个二极管整流桥臂构成，分别是RMA、RMB、RMC。

逆变器一共有6台，分别是INV1、INV2、INV3、INV4、INV5和INV6，它们的电气结构完全一致。

图5-5是INV1详细电气原理图，主要由支撑电容（C11、C12）、IGBT器（P1AP～P1CP、P1AN～P1CN）、电流传感器（CM1A、CM1B）、电压传感器（VAM10）、快速熔断器（F1A1～F1C2、F1A2～F1C2）、IGBT驱动电源（GDP1）、牵引控制器（TMC）构成。

支撑电容的作用是稳定中间直流电压，防止逆变器开关动作时直流电源的浪涌电流和尖峰电压。

IGBT是逆变器的核心开关器件，按照一定的顺序开关相应的IGBT器件，就能产生驱动牵引电机的三相电压。

电流传感器用来检测2个桥臂的电流，也即是牵引电机的2相电流，该电流信号经过牵引控制器TMC计算后，产生控制逆变器工作的PWM调制信

号。

电压传感器（VAM10）测量两处电压，中间直流电压和牵引电机三相线电压，中间直流电压信号主要用于保护，牵引电机线电压信号则通过牵引控制器TMC产生控制逆变器

工作的PWM调制信号。

桥臂快速熔断器主要用于保护IGBT器件，当逆变器任一桥臂发

生短路故障时，所在桥臂电流快速增大，快速达到快速熔断器的整定值，快速熔断器断开该桥臂，避免该桥臂上的IGBT器件被短路电流损坏。

IGBT驱动板电源（GDP1）将机车蓄电池电压74V转化为100V、25Hz的方波电压为IGBT的门极驱动板提供工作电源。

牵引控制器（TMC）是这个逆变器的核心控制单元，主要由6块微机插件板和2块光纤驱

动板构成，它将电压传感器、电流传感器和速度传感器等输送的信号经过数模转化后，按照矢量控制的算法产生PWM调制信号，通过光纤驱动板将信号传送给IGBT驱动板，以

图5-5INV1逆变器电气原理图

控制相应IGBT器件的通断，产生满足司机指令要求的三相交流电压，驱动牵引电机工作。

表5-1列出6个牵引逆变器中各关键部件的代号（与INV1对照）。

表5-1逆变器关键部件代号表

IGBT器件

电流传感器

中间直流电压传感器

牵引电机电压传感器

门极驱动电源

快速熔断器

牵引控制器

P1AP、P1BP、P1CP

P1AN、P1BN、P1CN

CM1、ACM1B

VAM10

VAM10

GDP1

F1A1、F1A2、F1B1

F1B2、F1C1、F1C2

TMC

P2AP、P2BP、P2CP

P2AN、P2BN、P2CN

CM2、ACM2B

VAM13

VAM10

GDP1

F2A1、F2A2、F2B1

F2B2、F2C1、F2C2

TMC

P3AP、P3BP、P3CP

P3AN、P3BN、P3CN

CM3、ACM3B

VAM13

VAM11

GDP2

F3A1、F3A2、F3B1

F3B2、F3C1、F3C2

TMC

P4AP、P4BP、P4CP

P4AN、P4BN、P4CN

CM4、ACM4B

VAM11

VAM11

GDP2

F4A1、F4A2、F4B1

F4B2、F4C1、F4C2

TMC

P5AP、P5BP、P5CP

P5AN、P5BN、P5CN

CM5、ACM5B

VAM13

VAM12

GDP3

F5A1、F5A2、F5B1

F5B2、F5C1、F5C2

TMC

P6AP、P6BP、P6CP

P6AN、P6BN、P6CN

CM6、ACM6B

VAM12

VAM13

GDP3

F6A1、F6A2、F6B1

F6B2、F6C1、F6C2

TMC

图5-6整流器模块在电气室CA5的安装位置

5.2.3逆变器

5.2.3.1基本参数

5.2.2整流器

5.2.2.1基本参数

5.2.2.2输出电压（结温175C时）输出电流（结温175C时）工作温度：

输入电流（最大值）：

410A

输出电压（基波有效值）：

1100V

输出电流（基波有效值）：

850A

输出容量：

709kVA

输出频率（最大值）：

200Hz

输入滤波电容器：

4500μF

IGBT参数：

2.4kV,2.2kA

效率：

≥0.98

工作环境温度：

40C

存放温度：

-45C～85C

功率模块参数：

型号：

17FM789（+），17FM790（-）

数量：

36

模块构成：

1个IGBT，1个反并联二极管

1个散热器，1个门极驱动电路

冷却方式：

强迫空冷柴油机全速空气流量（最小值）5.9M3/min柴油机怠速空气流量（最小值）2.49M3/min

模块重量：

模块体积：

支撑电容参数：

额度定电压：

额定峰值电压：

载流能力：

电容值：

绝缘介质：

寿命：

环境温度：

填充物：

自感：

绝缘电阻：

重量：

24.9kg

432mm×356mm×127mm

1800V

2700Vpk

260Arms（连续），350Arms（1小时）

2250μF

聚丙烯膜

+/-7%（20年）

-40℃~67℃

矿物油

>60nH

>10M?

32Kg

图5-7安装在CA3和CA5里的逆变器

5.2.3.2位置

六个逆变器的主要部件安装在CA3（控制区3）和CA5，CA3和CA5位于电气室后部机车的对边。

主要部件包括逆变器开关和直流滤波电容。

逆变器布置如图5-7所示。

控制这些开关的计算机板安装在CA2的牵引电动机控制器（TMC）上，位于电气室的左边。

用来测量供给每台牵引电动机相电流的器件安装在CA4和CA5的底部。

测量牵引电

动机相电压的元件安装在CA5的左右侧壁上，位于电气室的右后边。

5.2.4牵引控制器（TMC）

智能显示器为HXN5型燃机车上每台牵引电动机提供指令信号，而牵引电动机控制器（TMC）的任务是将这些信号转换成可用来驱动与牵引电动机相连接的逆变器的信息。

TMC通过驱动它部的六个微机-I/O（CPU-I/O）卡和两个光纤卡来实施这项工作。

5.2.4.1位置

TMC位于HXN5型燃机车上电气室控制区2（CA2）的左上部。

图5-8示出了该位置上的TMC。

图5-8安装在控制区2（CA2）中的TMC示图

5.2.4.2功能

为了控制HXN5型燃机车上的六台牵引电动机，智能显示器通过有线连接的ARCNet

网络发送转矩和车轮打滑指令到TMC。

TMC中的光纤卡被连入，充当这些指令的接收器/

传送器通道。

一组专门的转矩和车轮打滑的信息由通道传送至TMC中六个CPU-I/O卡中

的一个卡。

这个对应的CPU-I/O卡获取这些转矩和车轮打滑的信息，并将它们转换为一组控制信号，控制信号被传送到连接于并控制TM的变频器上。

该控制信号采用了通/断

的光纤信号方式，其被