典型的電力牽引測試系統案例
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- 發布時間：2014/9/10 14:14:05
- 作者：銀河電氣
電力牽引系統主要應用在軌道交通、城際鐵路等電力機車當中，作為檢驗電力牽引的性能的電力牽引測試系統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。
一、電力牽引試驗系統相關標準
IEC 61377-1996 《電力牽引-機車車輛-逆變器供電的交流電動機及其控制系統的綜合試驗》
GB/T 25122.1-2010 《軌道交通機車車輛用電力變流器 第 1 部分： 特性和試驗方法(IEC61287-1:2005, MOD)》
TB-T 2437-2006 《機車車輛用電力變流器特性和試驗方法》
GB 156-1993 《標準電壓》
GB/T 1980-1996 《標準頻率》
GB 3797－89 《電控設備;第二部分：裝有電子器件的電控設備》
GB/T 10411-2005 《城市軌道交通直流牽引供電系統》
GB/T 21413.1-2008 《鐵路應用 機車車輛電氣設備第 1 部分：一般用條件和通用規則》
GB/T 10236-2003 《半導體變流器與供電系統的兼容及干擾防護導則》
GB/T 755-2008 《旋轉電機 定額和性能》
IEC 60850 《鐵路應用——牽引系統的供電電壓化》
GB/T 3859 《半導體變流器》
GB/T 14549-93 《電能質量 公用電網諧波》
IEEE std 519-1992 《電力系統諧波控制（推薦實施）》
GB/T 13422-1992 《半導體電力變流器電氣試驗方法》
GB/T 16927.1-1997《高電壓試驗技術第一部分：一般試驗要求》
GB/T 16927.2-1997《高電壓試驗技術 第 2 部分 測量系統》
GB/T 12668 《調速電氣傳動系統》
GB-T 6451-2008 《油浸式電力變壓器技術參數和要求》
GB/T 17626 《電磁兼容》
GB/T 63-90 《電力裝置的電測量儀表裝置設計規范》
GB/T 6738-86 《電測量指示和記錄儀表及其附件的安全要求》
二、牽引電氣測試系統技術難點分析
1、電磁兼容要求
交流牽引電氣傳動系統由牽引變流器供電，運行環境電磁干擾大，常規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。尤其是調制比較小時，這種現象更加明顯，許多功率分析儀甚至不能正確測量基波頻率，無法實現采樣同步。
3、系統中各關聯量的同步測量困難
交流牽引電氣傳動系統測試對測量的實時性要求較高，比如牽引變頻器的輸入、輸出及牽引電機的輸出扭矩、轉速等信號要求同步測量，才能正確反映各關聯參量的動態變化。尤其是諸如“突加突卸”此類試驗時，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，導致載波比不為整數，變流器輸出相鄰兩個周期的波形不同，或者說，輸出不是嚴格周期信號，當載波頻率比較大時，非整數倍的影響較小，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
試驗的最低基波頻率可能達0.1Hz左右，PWM的寬頻帶和低基頻導致FFT窗口數據長度超長，一般分析儀的諧波運算能力和數據存儲容量不足，不能正確測量。
假設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電動機試驗方法》的規定，測試系統帶寬應不低于6000Hz，依據采樣定理，采樣頻率應不低于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數不小于120,000。當采樣頻率為200kHz時，傅立葉時間窗采樣點數多達2，000，000點（某些諧波分析儀僅1024點）。對功率分析儀的存儲容量和運算速度均提出了很高的要求。
6、峰值因數高
交流牽引電機某些試驗需要在很低的基波頻率下進行，頻率降低時，牽引變流器的調制比也降低，這就導致輸出波形的峰值因數變大，低頻試驗時，峰值因數可達200以上，而一般的功率分析儀保證精度的峰值因數通常不大于6，導致測量精度大幅度降低。
三、牽引電氣測試系統原理
電力牽引測試系統原理圖
本套電力牽引測試系統可以完成牽引變頻器的效率測量，交流牽引電機的效率測量。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的輸入電量(牽引變流器輸出電量)，牽引電機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，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的技術適應性
1、
WP4000變頻功率分析儀的前端數字化、寬頻帶特性、超低頻測量能力、超強運算力及寬范圍測量能力使其完全滿足電力牽引測試系統的需要，測試精度全范圍內滿足相關國家標準的要求。
2、WP4000變頻功率分析儀采用前端數字化技術，數字化光纖傳輸有效截斷了電磁干擾的傳播途徑，適合各種復雜電磁環境下的高精度測量。
IEC60044-8(2002)電子式電流互感器標準 1.1- 注1指出：
將被測參量轉變為數字量參數更為合理，原因在于對傳統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技術，并非依據使用被測參量信息的設備的實際需要。
3、WP4000變頻功率分析儀擁有250kHz的帶寬，滿足國家標準對變頻器供電電機試驗測量用傳感器及儀表的最高帶寬要求，并可在0.1Hz~400Hz的基波頻率范圍內準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，準確測量低調制比及低載波比的
SPWM波形的基波頻率，采用超強運算力的雙核嵌入式CPU模塊對采樣信號進行離散傅里葉變換，準確計算復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換技術，具有寬幅值范圍內的高精度測量的特性，使其能夠實現高峰值因數信號的準確測量。一個傳感器在其內部設置8個檔位，每個檔位只測量50%~100%額定范圍內的信號，檔位轉換通過電子開關實現，檔位切換時，數據不丟失，提升高精度測量區間，即實現寬范圍高精度的電壓、電流測試。電子開關換擋與機械開關換擋相比，可實現無縫轉換，還避免了開關拉弧，提高了開關壽命，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字功率傳感器的技術，電壓信號和電流信號變送過程中產生的相位誤差只需補償一次，簡化了電路，減少了不確定環節，并且相位指標得以量化，可直接溯源，提升了功率測量精度。
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