HXn5型机车-5

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。运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。因此必须进行转换调节，一方面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种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型内燃机车牵引电传动系统重要重要由如下几部分构成：交流牵引起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起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 交流牵引起电机HXN5型内燃机车的牵引起电机采用的是凸极转子的同步发电机，牵引起电机与辅助发电机同轴，相称于一种机座内有4个电机，构造复杂。5.1.1 牵引起电机的重要数据型号: 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绝缘级别:： H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： 轴向逼迫通风5.1.2 牵引起电机的构造HXN5型内燃机车用的5GMG201E1型同步牵引起电机为卧式单轴承构造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构造图。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，避免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逼迫通风，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5-2 5GMG201E1型同步牵引起电机外形图图5-3 5GMG201E1 主/辅发电机构造图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定子构造该电机的定子铁芯由9片扇形冲片拼成整圆，90个开口槽，设两排合计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19，每极相绕组由3个线圈串联，每相绕组由10个并联支路构成。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转子构造电机转子是主发电机转子和辅发电机转子同轴，辅发电机为外转子构造，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，有别于老式工艺。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，主牵引变流器重要由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，主牵引变流器还涉及检测电路、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，它们的电气构造完全一致。INV6INV4INV3INV5INV2INV1TADC+RMA RMB RMC INV1TM1TM5TM6TM4TM3TM2DC-图5-4牵引电气原理图图5-5是INV1具体电气原理图，重要由支撑电容（C11、C12）、IGBT器（P1APP1CP、P1ANP1CN）、电流传感器（CM1A、CM1B）、电压传感器（VAM10）、迅速熔断器（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，避免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，该电流信号通过牵引控制器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，中间直流电压信号重要用于保护，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。桥臂迅速熔断器重要用于保护IGBT 器件，当逆变器任一桥臂发生短路故障时，所在桥臂电流迅速增大，迅速达到迅速熔断器的整定值，迅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，重要由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通过数模转化后，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，以控制相应IGBT器件的通断，产生满足司机指令规定的三相交流电压，驱动牵引电机工作。表5-1列出6个牵引逆变器中各核心部件的代号（与INV1对照）。图5-5 INV1逆变器电气原理图表5-1逆变器核心部件代号表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反复反向电流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 逆变器5.2.3.1基本参数如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寄存温度： -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： 逼迫空冷柴油机全速空气流量（最小值） 5.9 M3/min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（持续），350Arms（1小时）电容值： 2250F绝缘介质： 聚丙烯膜寿命： +/- 7%（）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 位置六个逆变器的重要部件安装在CA3（控制区3）和CA5内，CA3和CA5位于电气室后部机车的对边。重要部件涉及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。用来测量供应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）智能显示屏为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息。TMC通过驱动它内部的六个微机-I/O（CPU-I/O）卡和两个光纤卡来实行这项工作。5.2.4.1 位置TMC位于HXN5型内燃机车上电气室内控制区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型内燃机车上的六台牵引电动机，智能显示屏通过有线连接的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，充当这些指令的接受器/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卡中的一种卡。这个相应的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，其被传送到指定逆变器上的每个电子开关上。这些信号使得逆变器上的电子开关能产生一种三相交流电流波形，去供电给与逆变器相连接的TM。在TMC中的每个CPU-I/O卡积累有关逆变器及TM运营的数据，并将这些信息传送到智能显示屏中。智能显示屏运用这些数据来优化牵引系统的运营及避免它损坏。图5-8是一种TMC CPU-I/O插卡和它所有接口的方框图。图5-9 CPU-I/O卡构造图下面将从图5-9中所示的LPS开始，以逆时针方向移动，逐个简介TMC CPU-I/O的卡输入或输出项，这有助于阐明图5-8中所涉及的信息： 每个TMC CPU-I/O卡从LPS处接受电源以运营它的数字电路和模拟电路。输入的电压源涉及直流+5V，直流15V和直流24V。从逻辑电源的隔离输出端口输出到每个卡上的电压采用了互相独立的连接方式。 四条带有电压衰减模块部分的电路提供CPU-I/O卡的输入。三条电路批示牵引电动机的相电压，剩余一条电路提供处在主直流母线上的电压值。 两个电流测量装置（即LEM）输入数据给TMC微机卡，微机卡批示由它通过相应的逆变器进行控制的牵引电动机的A相和B相电流。CPU-I/O卡运用基尔霍夫（Kirchoff）电流定律计算出C相的电流值。CPU-I/O卡提供直流24V电源给每个电流测量装置。 CPU-I/O卡提供直流15V电源给由它控制的TM上的速度传感器，并读取四个频率变化的反馈信号。该信号采用方波的形式。方波信号的频率批示TM转子的转速，信号间的相位关系批示TM转子的旋转方向。HXN5型内燃机车上的每个逆变器都需要一组六个光纤信号，每个信号分别批示逆变器上六个电子开关中的每个何时开和关。CPU-I/O卡提供这些信号给连接于并控制TM的逆变器。为了保证这些开关动作对的，逆变器传送给该卡六个反馈信号，分别批示六个开关的状态。 CPU-I/O卡与CCA中的其他设备进行通讯，它采用的方式是沿着ARCNet网域达到离它近来的网络邻居：TBC和AAC。5 .3 交流牵引电动机HXN5型内燃机车的牵引电动机的型号是5GEB32，与青藏线用内燃机车的配套电机5GEB32同属于一种系列。5GEB32是在5GEB30电机的基本上将定子绕组从8匝改为7匝，铁芯长度从411.5mm增长到488.44mm，输入功率从455kW(基波有效值517V/620A)增长到693kW(基波有效值635V/750A)，机械输出功率从420.6kW增长到643.3kW，拥有大量互换件（涉及铁芯冲片）的系列电机。5.3.1 牵引电动机的重要数据： 型号： 5GEB32极数： 6电机功率： 693 kW持续电流(基波有效值)： 647 A最大启动电流(基波有效值)： 851 A持续点频率： 41.7Hz持续点转速： 823 r/min最高运用转速： 3560 r/min最高实验转速： 3865 r/min转矩： 7606 Nm最大起动转矩： 10249 Nm转差： 0.013绝缘级别： H级冷却方式： 逼迫风冷冷却风量(柴油机全速)： 73.1 m/min效率： 0.946速度传感器型号、制造商： 84A207936P2, Honeywell 或相称厂商质量： 2450kg（只涉及电动机）5.3.2 牵引电动机的构造5GEB32交流牵引电动机为铸钢机座的6极异步电动机，悬挂为滚动抱轴承鼻式悬挂方式，采用齿轮轴单边直齿传动，传动比为5.3125（85/16）， 传动端轴承采用传动齿轮箱油润滑。5.3.2.1定子构造定子冲片采用硅钢片冲制，72个矩形槽均布。机座为铸件，定子铁芯处机座壁厚20.9mm。铁芯长度约488.4mm，由定子压圈、冲片、端板迭压成型，再和机座采用热套后焊接固定，其后再精加工机座，以消除热套产生的残存变形，保证止口、抱轴面的精度。每个线圈跨距1-11，4个线圈一组。当相序为A-B-C时，从连线端看旋转方向为逆时针。每个矩形槽中嵌入两个线圈，采用聚酯玻璃纤维槽楔固定，线圈端部用线圈端部层间绝缘垫隔开，再用绑扎带绑扎在绑扎环上。绑扎环与定子压圈焊接在一起。线圈引出线采用银铜焊料焊接，用引线夹固定在通风口处的机座壁上。定子出线盒安排在非传动端，毗邻通风孔处。5.3.2.2转子构造转子冲片采用梯形槽，60槽均布。转轴采用齿轮与转轴一体的构造，转子铁芯迭压完毕后再热套到转轴上，用大螺母锁紧止退。端环为铜铬镁合金锻件，导条采用铬铜材料，银铜焊料焊接。传动端轴承为专用的绝缘圆柱滚子轴承，采用齿轮箱油润滑；非传动端为球轴承，脂润滑，在一种维修期间不需要再行加注润滑脂。转子轴上非传动端安装有192齿的测速齿盘。5.3.2.3端盖、轴承盖和通风电机的前后端盖与轴承室采用非整体的分离构造，装配工序较多。非传动端端盖采用，其上安装有双通道速度传感器。内轴承盖上有两个1800分布的锁定转子用螺纹通孔，在运送是通过穿过外轴承盖的长螺栓顶紧测速齿盘锁定转子。为避免较大的轴向冲击载荷，外轴承盖通过12颗12角螺栓固定在内轴承盖上。图5-10 5GEB32交流牵引电动机外形图图5-11 交流牵引电动机定子/转子冲片传动端端盖也采用铸件加工而成，分布有18个通风孔。由于采用油润滑轴承，并考虑油路，传动端的油封和密封件较多，并且在传动端轴承室上安装有挡风板。5GEB32 逼迫通风空气从非传动端的电机上方进入，从传动端的端盖处排出。定子冲片（见图5-11）上有两排共72个19的通风孔，转子冲片（见图5-11）上有三排通风孔，每排24个。挡风板在风路上不仅有强化冷却定子线圈端部的作用，并且减少了油封处的负压，有助于油路密封。5 .4 电阻制动原理及制动电阻装置5.4.1 电阻制动原理在电阻制动时，施加在定子绕组的交流电源在定子线圈中所产生的旋转磁场转速低于转子转速。即由逆变器产生的同步转速低于转子转速。由电机学原理可知，在异步电机中，当转子转速高于定子旋转磁场转速时，牵引电动机将由电磁功率输入状态变成电磁功率输出状态，也就是发电机状态。发电机的机械驱动力矩便由行使的列车供应，而发电机给列车提供的反作用力便是列车的制动力。牵引电动机（此时为发电机工况）此时发出交流电，发出的交流电经逆变器整流后，直接施加在制动电阻上，转化为热能，产生的热量被电阻制动风机吹入的冷却空气带走，消散于大气中。这是一种机械能电能热能的转化过程，因此，电阻制动常常又被称为能耗制动。HXN5型内燃机车电阻制动特性由两个区段构成：高速时的恒功率制动区段，该区段制动力随机车速度的减少而增大，功率约为4000kW；低速时的恒制动力区段，该区段维持机车最大制动力不变，制动力约为350kN.计算机系统为每台牵引电动机计算频率及电压以便使每个转子产生最优的转矩。由于这种制动方案具有有效的计算机控制特点，因此，在理论上，HXN5型内燃机车可以使用电阻制动使机车速度降至为0。5.4.2 制动电阻装置HXN5型内燃机车制动电阻装置采用卧式构造，它由2部分构成，分别是置于辅助电气柜上的单节电阻制动柜及置于交流电机室上的双节电阻制动柜，如图5-12所示。在整个装置中，每“节”均为一组完整、独立的电阻制动单元，因此，共有3组制动电阻单元。3组制动电阻单元在柜中的安装状况大体相似。每组制动电阻单元均涉及6只电阻栅格，1套散热系统以及有关引出线。如下就制动电阻各部分作合适描述。图5-12 HXN5内燃机车电阻制动柜风机电阻栅格排风口百叶窗导风装置单节制动柜双节制动柜5.4.2.1 电阻栅格及其安装945电阻栅格747电阻栅格接线端子图5-13 电阻栅格每组电阻单元的6只电阻栅格涉及1只945栅格，5只747栅格，其中945栅格有3个接线端子，747栅格2个接线端子，所有电阻栅格均由带状电阻构成，如图5-13所示。每只电阻栅格接线端子面均带有开有安装孔的端子板，该端子板同步也是接线端子之一。安装栅格时，仅需要将相应栅格逐级吊入电阻柜上相应的绝缘子上，并用紧固件紧固，便可完毕栅格的安装。这样，即便其中的栅格发生故障，也可以很容易的将之取出。电阻栅格之间采用导电铜排连接，每组电阻单元中的6只电阻栅格都连接成两条并联支路，每条支路均由3只电阻栅格构成。电阻单元的“+”“-”端接至辅助柜上的引出铜排。5.4.2.2 散热系统电阻散热系统采用逼迫通风直接冷却方式。风机采用电机驱动，并且，风机与电机为一体化构造。空气由风机直接从大气中中吸取，通过导风装置导向后，直接流过电阻栅格，然后由排风口排出。导风装置采用“天圆地方”型构造，圆的一方与风机相连，方的一面与电阻栅格相接，中间装有导风向的导风板，纠正冷却风中的紊流，如图5-14所示。排风口采用百叶窗式构造，将热风向机车上方排出，这样，避免热风向下排出对走廊上的人员导致意外的伤害。风机电机为串励直流电机，其引出线为“A”，“FF”两根电缆，分别接在945栅格的两个接线端子上，在原理上，电机便是直接并联在制动电阻上。图5-14 导风装置导风板与风机相连侧与栅格相连侧5.4.2.3 电阻制动保护每组电阻单元上均设立两处制动电阻失效检测点，并将该信号接入机车计算机控制系统。5.5牵引电路的接地检测原理HXN5型内燃机车采用的技术使得控制系统既可在牵引系统浮现接地故障时仍保证机车运营，又可在必要时切断牵引动力，以保护人身和设备安全，若需检修还会提示检修环节。5. 5.1接地故障检测线路图5-15 牵引系统接地检测电路图5-15是一张电气简化图。它仅仅绘出了HXN5型内燃机车的电阻制动电路中3个电阻单元中的一种和供电给牵引电机的6个逆变器中的一种。牵引系统接地故障检测电路重要由两部分构成：1. 两个电阻R100 和 R101，在母线的正负极之间起电压分派器的作用。两电阻的中间点通过GDA连接至机车底架。当任一种电阻中都没有接地故障电流流过时，中间点的电压将会是母线电压的一半。2. VAM8是一种将高电压（交流或直流）变换为计算机可接受的低电压值的设备。它提供信号给CIO，使HXN5型内燃机车的计算机系统可以测定母线正极与机车底架之间的电压差。当牵引电路中没有接地故障时，CIO测定来自VAM8的电压，其数值应是施加在母线正负极之间电压的一半。5. 5.2检测原理图5-15示出了也许出目前牵引系统电路中的四种不同类型的接地故障：1.主发电机中的接地故障这种状况是指主回路通过虚拟的漏电阻RG1 到机车底架接地。接地漏电流将流经漏电阻RG1达到机车底架接地，然后通过电阻R100或R101。这是一种交流电流。此电流将在电阻R100或R101上产生交流电压，此电压输入VAM8并通过转换传播到CIO。 CIO检测到该信息并报告给DS3。在机车发生此种接地故障时，HXN5型内燃机车将根据接地故障的严重限度采用相应的保护措施。保护措施中涉及减小主发电机功率输出，或关闭主发电机，直至故障排除。2.电源转换、整流和配电装置中的接地故障如果机车主回路通过虚拟的漏电阻RG2到机车底架接地，漏电流将流经漏电阻达到机车底架接地，然后通过R100或R101。一般，这是一种直流电流，但它也也许是一种交流电流。若接地故障RG2出目前图5-15所示的位置，那么R100上的直流电压会随着通过它的直流电流的增长而增大。CIO将读出VAM8输出的该增大值并且将这个数据送至DS3。反过来说，RG2出目前母线的正极一侧，那么R101上的DC电压会随着通过它的直流电流的增长而增长。R100的电压的减小将被CIO检测到并报送至DS3。在这种接地故障类型的状况下，HXN5型内燃机车将根据接地故障的严重限度采用相应的保护措施。一般采用的保护措施是控制产生在母线上的牵引电压，使VAM8检测到的电压不高于875V，保护措施涉及关闭牵引系统，直到故障排除。3.电阻制动电路中的接地故障这种状况如图5-15点划线框所示，通过虚拟的漏电阻RG3到机车底架接地。如果机车发生这种故障，漏电流将流经漏电阻达到机车底架接地，然后通过R100或R101。一般，这是一种DC电流。这种接地故障类型的检测方案与情形#2相似。HXN5型内燃机车保护措施涉及切除某个有接地故障的制动电阻单元使其隔离。打开相应的DB接触器即可完毕这种隔离，直到制动电阻单元故障排除。4.逆变器和牵引电动机电路中的接地故障如果机车发生逆变器和牵引电动机电路中的接地故障，如图5-15点划线框所示，通过虚拟的漏电阻R G4到机车底架接地。漏电流将流经漏电阻达到机车底架接地，然后通过R100或R101。这是一种AC电流，但它也也许是一种DC电流。此电流流经R100或R101并在电阻上产生AC电压，此电压也将出目前VAM8的输出端。这个交流电压的浮现将被CIO检测并报送给DS3。 在这种接地故障类型的状况下，HXN5型内燃机车将根据接地故障的严重限度采用相应的保护措施。保护措施中涉及关闭有接地故障的逆变器和牵引电动机，这种的隔离将始终延续至故障排除。