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1、牵引电传动系统5 HXN5型内燃机车属交流电传动内燃机车。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型内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
2、损耗在制动电阻上。因此，HXN5型内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图5-1 机车牵引设备布置图整流器及变流器蓄电池牵引发电机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型内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，相当于一个机座内有4个电机，结构复杂。5.1.1 牵引发电机的主要数据型号: 5GMG201E1容量（功率因数为0.955）: 4690kVA输出电压： DC 1380V输出电流: DC 3082A频率: 87.5 Hz绝缘等级:： H
3、级励磁绕组电压: 74 V励磁绕组电流: 400 A效率: 96%重量: 9069kg冷却方式： 轴向强迫通风5.1.2 牵引发电机的结构HXN5型内燃机车用的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FAG 558830C和 SKF 466860VAR，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
4、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5-2 5GMG201E1型同步牵引发电机外形图图5-3 5GMG201E1 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
5、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19，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1086.5 mm，中心点气隙为4.65 mm，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
6、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，每个刷盒内一块斜碳刷，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型内燃机车是交流电传动内燃机车，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
7、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。INV6INV4INV3INV5INV2INV1TADC+RMA RMB RMC INV1TM1TM5TM6TM4TM3TM2DC-图5-4牵引电气原理图图5-5是INV1详细电气原理图，主要由支撑电容（C11、C12）、IGBT器（P1APP1CP、P
8、1ANP1CN）、电流传感器（CM1A、CM1B）、电压传感器（VAM10）、快速熔断器（F1A1F1C2、F1A2F1C2）、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
9、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
10、将信号传送给IGBT驱动板，以控制相应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）。图5-5 INV1逆变器电气原理图表5-1逆变器关键部件代号表5.2.2整流器5.2.2.1 基本参数输出电压（结温175C时）： 3.2 kV输出电流（结温175C时）：2.9 kA工作温度： -40C 175C储存温度： -40C 175C重复反向电流175C： 40 Ma5.2.2.2位置三个整流器模块安装在电气室右后侧，CA5（控制区5）内，见图5-6。图5-6 整流器模块在电气室CA5内的安装位置5.2.3 逆
11、变器5.2.3.1基本参数以下为单个逆变器稳态数据输入电压（最大值）： 1400 V输入电流（最大值）： 410 A 输出电压（基波有效值）： 1100V 输出电流（基波有效值）： 850 A输出容量： 709kVA输出频率（最大值）： 200 Hz输入滤波电容器： 4500FIGBT参数： 2.4kV, 2.2kA效率： 0.98工作环境温度： 40C存放温度： -45C85C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） 5.9 M3/m
12、in柴油机怠速空气流量（最小值） 2.49 M3/min模块重量： 24.9 kg模块体积： 432mm356mm127 mm支撑电容参数：额度定电压： 1800V额定峰值电压： 2700V pk载流能力： 260Arms（连续），350Arms（1小时）电容值： 2250F绝缘介质： 聚丙烯膜寿命： +/- 7%（20年）环境温度： -4067填充物： 矿物油自感： 60nH绝缘电阻： 10 M重量： 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内，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内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型内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
