典型的電力牽引測試系統(tǒng)案例
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- 發(fā)布時間：2014/9/10 14:14:05
- 作者：銀河電氣
電力牽引系統(tǒng)主要應(yīng)用在軌道交通、城際鐵路等電力機(jī)車當(dāng)中，作為檢驗(yàn)電力牽引的性能的電力牽引測試系統(tǒng)要克服諸多的電磁兼容、諧波測量等等測量難題，本文介紹一種典型的基于WP4000變頻功率分析儀的電力牽引測試系統(tǒng)。
一、電力牽引試驗(yàn)系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
IEC 61377-1996 《電力牽引-機(jī)車車輛-逆變器供電的交流電動機(jī)及其控制系統(tǒng)的綜合試驗(yàn)》
GB/T 25122.1-2010 《軌道交通機(jī)車車輛用電力變流器 第 1 部分： 特性和試驗(yàn)方法(IEC61287-1:2005, MOD)》
TB-T 2437-2006 《機(jī)車車輛用電力變流器特性和試驗(yàn)方法》
GB 156-1993 《標(biāo)準(zhǔn)電壓》
GB/T 1980-1996 《標(biāo)準(zhǔn)頻率》
GB 3797－89 《電控設(shè)備;第二部分：裝有電子器件的電控設(shè)備》
GB/T 10411-2005 《城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)》
GB/T 21413.1-2008 《鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛電氣設(shè)備第 1 部分：一般用條件和通用規(guī)則》
GB/T 10236-2003 《半導(dǎo)體變流器與供電系統(tǒng)的兼容及干擾防護(hù)導(dǎo)則》
GB/T 755-2008 《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 定額和性能》
IEC 60850 《鐵路應(yīng)用——牽引系統(tǒng)的供電電壓化》
GB/T 3859 《半導(dǎo)體變流器》
GB/T 14549-93 《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》
IEEE std 519-1992 《電力系統(tǒng)諧波控制（推薦實(shí)施）》
GB/T 13422-1992 《半導(dǎo)體電力變流器電氣試驗(yàn)方法》
GB/T 16927.1-1997《高電壓試驗(yàn)技術(shù)第一部分：一般試驗(yàn)要求》
GB/T 16927.2-1997《高電壓試驗(yàn)技術(shù) 第 2 部分 測量系統(tǒng)》
GB/T 12668 《調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)》
GB-T 6451-2008 《油浸式電力變壓器技術(shù)參數(shù)和要求》
GB/T 17626 《電磁兼容》
GB/T 63-90 《電力裝置的電測量儀表裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》
GB/T 6738-86 《電測量指示和記錄儀表及其附件的安全要求》
二、牽引電氣測試系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)分析
1、電磁兼容要求
交流牽引電氣傳動系統(tǒng)由牽引變流器供電，運(yùn)行環(huán)境電磁干擾大，常規(guī)的模擬量輸出變頻電量傳感器（如霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器）等輸出信號幅值小，傳輸過程中容易受到
電磁干擾的影響，導(dǎo)致測量精度降低甚至不能正常工作。
2、采樣同步困難
交流牽引電氣傳動系統(tǒng)的牽引變流器載波頻率低，低次諧波含量大，基波頻率測量難度加大，采樣同步帶來困難，造成頻譜泄露降低測量精度。尤其是調(diào)制比較小時，這種現(xiàn)象更加明顯，許多功率分析儀甚至不能正確測量基波頻率，無法實(shí)現(xiàn)采樣同步。
3、系統(tǒng)中各關(guān)聯(lián)量的同步測量困難
交流牽引電氣傳動系統(tǒng)測試對測量的實(shí)時性要求較高，比如牽引變頻器的輸入、輸出及牽引電機(jī)的輸出扭矩、轉(zhuǎn)速等信號要求同步測量，才能正確反映各關(guān)聯(lián)參量的動態(tài)變化。尤其是諸如“突加突卸”此類試驗(yàn)時，同步測量變得尤為重要。
4、間諧波含量較大
理想變流器輸出不含低次諧波，不含間諧波，不含三次諧波。但是，一般而言，變流器的載波頻率固定，基波頻率變化，導(dǎo)致載波比不為整數(shù)，變流器輸出相鄰兩個周期的波形不同，或者說，輸出不是嚴(yán)格周期信號，當(dāng)載波頻率比較大時，非整數(shù)倍的影響較小，載波比較小時，影響加大。
牽引變流器通常載波頻率較低，載波比較小，輸出波形含有較大的間諧波，給基波有效值測量帶來困難。
5、基波頻率低
試驗(yàn)的最低基波頻率可能達(dá)0.1Hz左右，PWM的寬頻帶和低基頻導(dǎo)致FFT窗口數(shù)據(jù)長度超長，一般分析儀的諧波運(yùn)算能力和數(shù)據(jù)存儲容量不足，不能正確測量。
假設(shè)牽引變流器的載波頻率為1000Hz，變流器為電壓型，按照《GB/T22670-2008變頻器供電三相籠型感應(yīng)電動機(jī)試驗(yàn)方法》的規(guī)定，測試系統(tǒng)帶寬應(yīng)不低于6000Hz，依據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)不低于12000Hz。傅里葉時間窗至少為一個基波周期，約10S，傅立葉時間窗采樣點(diǎn)數(shù)不小于120,000。當(dāng)采樣頻率為200kHz時，傅立葉時間窗采樣點(diǎn)數(shù)多達(dá)2，000，000點(diǎn)（某些諧波分析儀僅1024點(diǎn)）。對功率分析儀的存儲容量和運(yùn)算速度均提出了很高的要求。
6、峰值因數(shù)高
交流牽引電機(jī)某些試驗(yàn)需要在很低的基波頻率下進(jìn)行，頻率降低時，牽引變流器的調(diào)制比也降低，這就導(dǎo)致輸出波形的峰值因數(shù)變大，低頻試驗(yàn)時，峰值因數(shù)可達(dá)200以上，而一般的功率分析儀保證精度的峰值因數(shù)通常不大于6，導(dǎo)致測量精度大幅度降低。
三、牽引電氣測試系統(tǒng)原理
電力牽引測試系統(tǒng)原理圖
本套電力牽引測試系統(tǒng)可以完成牽引變頻器的效率測量，交流牽引電機(jī)的效率測量。如圖所示，P1采用SP變頻功率傳感器測量牽引變流器的輸入電量，采用4套SP變頻功率傳感器測量交流牽引電機(jī)的輸入電量(牽引變流器輸出電量)，牽引電機(jī)的軸功率采用扭矩傳感器測量，扭矩傳感器的輸出信號采用DM4022雙通道頻率子站測量。通訊均采用光纖作為傳輸介質(zhì)，避免傳輸過程中信號干擾和損耗。
四、WP4000對牽引電氣測試系統(tǒng)的技術(shù)適應(yīng)性
1、
WP4000變頻功率分析儀的前端數(shù)字化、寬頻帶特性、超低頻測量能力、超強(qiáng)運(yùn)算力及寬范圍測量能力使其完全滿足電力牽引測試系統(tǒng)的需要，測試精度全范圍內(nèi)滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
2、WP4000變頻功率分析儀采用前端數(shù)字化技術(shù)，數(shù)字化光纖傳輸有效截?cái)嗔穗姶鸥蓴_的傳播途徑，適合各種復(fù)雜電磁環(huán)境下的高精度測量。
IEC60044-8(2002)電子式電流互感器標(biāo)準(zhǔn) 1.1- 注1指出：
將被測參量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量參數(shù)更為合理，原因在于對傳統(tǒng)模擬量輸出變送器的模擬量輸出要求是基于有局限的常規(guī)技術(shù)，并非依據(jù)使用被測參量信息的設(shè)備的實(shí)際需要。
3、WP4000變頻功率分析儀擁有250kHz的帶寬，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對變頻器供電電機(jī)試驗(yàn)測量用傳感器及儀表的最高帶寬要求，并可在0.1Hz~400Hz的基波頻率范圍內(nèi)準(zhǔn)確測量基波分量及諧波含量；
4、WP4000變頻功率分析儀采用軟件虛擬頻率計(jì)估算被測信號的基波頻率，由硬件頻率濾波電路濾除諧波，準(zhǔn)確測量低調(diào)制比及低載波比的
SPWM波形的基波頻率，采用超強(qiáng)運(yùn)算力的雙核嵌入式CPU模塊對采樣信號進(jìn)行離散傅里葉變換，準(zhǔn)確計(jì)算復(fù)雜信號及超低頻信號的基波與諧波；
5、WP4000變頻功率分析儀采用無縫量程轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有寬幅值范圍內(nèi)的高精度測量的特性，使其能夠?qū)崿F(xiàn)高峰值因數(shù)信號的準(zhǔn)確測量。一個傳感器在其內(nèi)部設(shè)置8個檔位，每個檔位只測量50%~100%額定范圍內(nèi)的信號，檔位轉(zhuǎn)換通過電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)，檔位切換時，數(shù)據(jù)不丟失，提升高精度測量區(qū)間，即實(shí)現(xiàn)寬范圍高精度的電壓、電流測試。電子開關(guān)換擋與機(jī)械開關(guān)換擋相比，可實(shí)現(xiàn)無縫轉(zhuǎn)換，還避免了開關(guān)拉弧，提高了開關(guān)壽命，減少占地面積。
6、WP4000變頻功率分析儀采用一路電壓、一路電流組合為一個數(shù)字功率傳感器的技術(shù)，電壓信號和電流信號變送過程中產(chǎn)生的相位誤差只需補(bǔ)償一次，簡化了電路，減少了不確定環(huán)節(jié)，并且相位指標(biāo)得以量化，可直接溯源，提升了功率測量精度。
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