本牽引變頻器試驗(yàn)臺主要滿足機(jī)車牽引變頻器測試需求，采用WP4000變頻功率分析儀作為牽引電氣傳動系統(tǒng)的主電量測量(牽引變頻器輸入、輸出電量)。前端數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，可適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境下高精度的測量，開放原始數(shù)據(jù)端口，配合PLC自動控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)牽引變頻器試驗(yàn)的自動化需求。

一牽引變流器試驗(yàn)臺引用標(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》

二牽引變流器試驗(yàn)臺技術(shù)難點(diǎn)分析

2.1常規(guī)諧波測試方法

　　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)，包括數(shù)據(jù)采集卡等由于輸出信號幅值小，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。

2.2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，采樣同步困難，造成頻譜泄露降低測量精度。尤其是低調(diào)制比時(shí)，這種現(xiàn)象更加明顯，許多功率分析儀不能正確測量基波頻率，無法實(shí)現(xiàn)采樣同步。

2.3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(shí)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(shí)，同步測量變得尤為重要。

2.4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(gè)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(shí)，非整數(shù)倍的影響較小，載波比較小時(shí)，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。

2.5基波頻率低

　　牽引電氣傳動試驗(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，故不能正確測量基波頻率。

　　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(shí)間窗至少為一個(gè)基波周期，約10S，那么傅立葉時(shí)間窗采樣點(diǎn)數(shù)不得小于120,000點(diǎn)，當(dāng)采樣頻率為200kHz時(shí)，傅立葉時(shí)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)算速度均提出了極高的要求。

2.6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(shí)，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(shí)，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。

三牽引變流器試驗(yàn)臺特征值

　　(一) 直流側(cè)

　　電壓：0~2000V

　　電流：0~3000A

　　帶寬：10KHz

　　通道數(shù)：1通道

　　(二) 交流側(cè)

　　電壓：0～1400V(2000/1.414)

　　電流：0～1000A

　　基波頻率：0.1～150Hz

　　功率因數(shù)：0.1~1

　　帶寬：10kHz

　　通道數(shù)：6

四牽引變流器試驗(yàn)臺試驗(yàn)方案

　　牽引變流器直流母線選用一臺SP162302C型變頻功率傳感器即可完成不同供電制式下所有直流參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。其輸出數(shù)字化后光纖傳輸?shù)讲僮髋_的DH2000-2數(shù)字主機(jī)，DH2000-2通過usb口與數(shù)據(jù)采集上位機(jī)高速通訊，進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的分析處理。

　　交流側(cè)選用6臺SP162102C型變頻功率傳感器，即可完成不同供電制式、不同模組輸出方式下變頻器輸出側(cè)三相交流電參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。其輸出數(shù)字化后光纖傳輸?shù)讲僮髋_的WP4000功率分析儀。WP4000分析儀通過以太網(wǎng)接口與上位數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)通訊。

　　為滿足不同的被試對象測試需要，配置3個(gè)測量柜，每個(gè)柜子安裝兩臺傳感器，兩臺傳感器根據(jù)實(shí)際測量需要可單獨(dú)使用，也可以并聯(lián)使用，將通道電流量程擴(kuò)展到2000A。上位機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件支持各采集通道之間的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

　　同時(shí)，WP4000分析儀與DH2000-2數(shù)字主機(jī)可通過同步光纖連接，實(shí)現(xiàn)7個(gè)功率通道的數(shù)據(jù)同步采集。

五牽引變流器試驗(yàn)方案技術(shù)優(yōu)勢

　　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牽引電氣傳動試驗(yàn)系統(tǒng)的測試需要，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100kHz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(gè)傳感器在其內(nèi)部設(shè)置8個(gè)檔位，每個(gè)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(shí)，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. 電壓、電流組合測試

　　一路電壓、一路電流組合為一個(gè)數(shù)字功率傳感器，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。

　　7. 直接比對溯源，減少不確定因素

　　經(jīng)獨(dú)立計(jì)量檢定的高精度電壓、電流傳感器與高精度的功率計(jì)組合在一起，功率測量精度不一定高，原因是未作檢定的電壓、電流傳感器的相位指標(biāo)可能影響測量結(jié)果;傳感器與功率計(jì)之間的接口可能存在匹配問題;傳感器與功率計(jì)之間的傳輸環(huán)節(jié)可能帶來損耗或引入干擾。

　　IEC 60736:1982、GB/T 11150-2001 電能表檢驗(yàn)裝置6.2.2 指出：“所有儀表和測量裝置的誤差都必須進(jìn)行實(shí)際測量，未經(jīng)測量，僅是以其他測量中計(jì)算出來的和引用電壓、電流和功率因數(shù)組合的誤差，不能作為評價(jià)裝置基本誤差的依據(jù)”。

　　WP4000通過以下方式保證檢定結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用的一致性。

　　首先，被評測系統(tǒng)與采用標(biāo)準(zhǔn)傳感器和儀表構(gòu)成的系統(tǒng)同時(shí)測量標(biāo)準(zhǔn)功率源輸出的電壓、電流和功率，進(jìn)行直接比對，實(shí)現(xiàn)檢定，減少了系統(tǒng)構(gòu)建過程中的不確定因素。

　　其次，傳感器與分析儀之間，采用光纖數(shù)字通訊，傳輸環(huán)節(jié)不會受到干擾，影響精度的只有傳感器一個(gè)環(huán)節(jié)。只要連接正確就能發(fā)揮系統(tǒng)應(yīng)有的性能指標(biāo)。

　　經(jīng)過大量工程測試應(yīng)用與測試比對數(shù)據(jù)表明，模擬量輸出型電量傳感器(如霍爾傳感器)與模擬量輸入型高精度功率分析儀組合在較復(fù)雜的電磁環(huán)境中用來執(zhí)行對準(zhǔn)確度要求較高的功率測量任務(wù)(如科研、產(chǎn)品型式試驗(yàn)等)有欠科學(xué)與嚴(yán)謹(jǐn)，其測量結(jié)果的不確定度較大。

　　8. WP4000通過同步光纖的作用使整個(gè)系統(tǒng)中的各測點(diǎn)保持測量的同步性。

　　通過同步光纖的作用，系統(tǒng)中電參量的測量同步時(shí)差在納秒級，通常10ns以內(nèi)；非電量與電量的測量時(shí)差可控制在1ms左右。

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