典型的电力牵引测试系统案例
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- 发布时间：2014/9/10 14:14:05
- 作者：银河电气
电力牵引系统主要应用在轨道交通、城际铁路等电力机车当中，作为检验电力牵引的性能的电力牵引测试系统要克服诸多的电磁兼容、谐波测量等等测量难题，本文介绍一种典型的基于WP4000变频功率分析仪的电力牵引测试系统。
一、电力牵引试验系统相关标准
IEC 61377-1996 《电力牵引-机车车辆-逆变器供电的交流电动机及其控制系统的综合试验》
GB/T 25122.1-2010 《轨道交通机车车辆用电力变流器 第 1 部分： 特性和试验方法(IEC61287-1:2005, MOD)》
TB-T 2437-2006 《机车车辆用电力变流器特性和试验方法》
GB 156-1993 《标准电压》
GB/T 1980-1996 《标准频率》
GB 3797－89 《电控设备;第二部分：装有电子器件的电控设备》
GB/T 10411-2005 《城市轨道交通直流牵引供电系统》
GB/T 21413.1-2008 《铁路应用 机车车辆电气设备第 1 部分：一般用条件和通用规则》
GB/T 10236-2003 《半导体变流器与供电系统的兼容及干扰防护导则》
GB/T 755-2008 《旋转电机 定额和性能》
IEC 60850 《铁路应用——牵引系统的供电电压化》
GB/T 3859 《半导体变流器》
GB/T 14549-93 《电能质量 公用电网谐波》
IEEE std 519-1992 《电力系统谐波控制（推荐实施）》
GB/T 13422-1992 《半导体电力变流器电气试验方法》
GB/T 16927.1-1997《高电压试验技术第一部分：一般试验要求》
GB/T 16927.2-1997《高电压试验技术 第 2 部分 测量系统》
GB/T 12668 《调速电气传动系统》
GB-T 6451-2008 《油浸式电力变压器技术参数和要求》
GB/T 17626 《电磁兼容》
GB/T 63-90 《电力装置的电测量仪表装置设计规范》
GB/T 6738-86 《电测量指示和记录仪表及其附件的安全要求》
二、牵引电气测试系统技术难点分析
1、电磁兼容要求
交流牵引电气传动系统由牵引变流器供电，运行环境电磁干扰大，常规的模拟量输出变频电量传感器（如霍尔电压传感器、霍尔电流传感器）等输出信号幅值小，传输过程中容易受到
电磁干扰的影响，导致测量精度降低甚至不能正常工作。
2、采样同步困难
交流牵引电气传动系统的牵引变流器载波频率低，低次谐波含量大，基波频率测量难度加大，采样同步带来困难，造成频谱泄露降低测量精度。尤其是调制比较小时，这种现象更加明显，许多功率分析仪甚至不能正确测量基波频率，无法实现采样同步。
3、系统中各关联量的同步测量困难
交流牵引电气传动系统测试对测量的实时性要求较高，比如牵引变频器的输入、输出及牵引电机的输出扭矩、转速等信号要求同步测量，才能正确反映各关联参量的动态变化。尤其是诸如“突加突卸”此类试验时，同步测量变得尤为重要。
4、间谐波含量较大
理想变流器输出不含低次谐波，不含间谐波，不含三次谐波。但是，一般而言，变流器的载波频率固定，基波频率变化，导致载波比不为整数，变流器输出相邻两个周期的波形不同，或者说，输出不是严格周期信号，当载波频率比较大时，非整数倍的影响较小，载波比较小时，影响加大。
牵引变流器通常载波频率较低，载波比较小，输出波形含有较大的间谐波，给基波有效值测量带来困难。
5、基波频率低
试验的最低基波频率可能达0.1Hz左右，PWM的宽频带和低基频导致FFT窗口数据长度超长，一般分析仪的谐波运算能力和数据存储容量不足，不能正确测量。
假设牵引变流器的载波频率为1000Hz，变流器为电压型，按照《GB/T22670-2008变频器供电三相笼型感应电动机试验方法》的规定，测试系统带宽应不低于6000Hz，依据采样定理，采样频率应不低于12000Hz。傅里叶时间窗至少为一个基波周期，约10S，傅立叶时间窗采样点数不小于120,000。当采样频率为200kHz时，傅立叶时间窗采样点数多达2，000，000点（某些谐波分析仪仅1024点）。对功率分析仪的存储容量和运算速度均提出了很高的要求。
6、峰值因数高
交流牵引电机某些试验需要在很低的基波频率下进行，频率降低时，牵引变流器的调制比也降低，这就导致输出波形的峰值因数变大，低频试验时，峰值因数可达200以上，而一般的功率分析仪保证精度的峰值因数通常不大于6，导致测量精度大幅度降低。
三、牵引电气测试系统原理
电力牵引测试系统原理图
本套电力牵引测试系统可以完成牵引变频器的效率测量，交流牵引电机的效率测量。如图所示，P1采用SP变频功率传感器测量牵引变流器的输入电量，采用4套SP变频功率传感器测量交流牵引电机的输入电量(牵引变流器输出电量)，牵引电机的轴功率采用扭矩传感器测量，扭矩传感器的输出信号采用DM4022双通道频率子站测量。通讯均采用光纤作为传输介质，避免传输过程中信号干扰和损耗。
四、WP4000对牵引电气测试系统的技术适应性
1、
WP4000变频功率分析仪的前端数字化、宽频带特性、超低频测量能力、超强运算力及宽范围测量能力使其完全满足电力牵引测试系统的需要，测试精度全范围内满足相关国家标准的要求。
2、WP4000变频功率分析仪采用前端数字化技术，数字化光纤传输有效截断了电磁干扰的传播途径，适合各种复杂电磁环境下的高精度测量。
IEC60044-8(2002)电子式电流互感器标准 1.1- 注1指出：
将被测参量转变为数字量参数更为合理，原因在于对传统模拟量输出变送器的模拟量输出要求是基于有局限的常规技术，并非依据使用被测参量信息的设备的实际需要。
3、WP4000变频功率分析仪拥有250kHz的带宽，满足国家标准对变频器供电电机试验测量用传感器及仪表的最高带宽要求，并可在0.1Hz~400Hz的基波频率范围内准确测量基波分量及谐波含量；
4、WP4000变频功率分析仪采用软件虚拟频率计估算被测信号的基波频率，由硬件频率滤波电路滤除谐波，准确测量低调制比及低载波比的
SPWM波形的基波频率，采用超强运算力的双核嵌入式CPU模块对采样信号进行离散傅里叶变换，准确计算复杂信号及超低频信号的基波与谐波；
5、WP4000变频功率分析仪采用无缝量程转换技术，具有宽幅值范围内的高精度测量的特性，使其能够实现高峰值因数信号的准确测量。一个传感器在其内部设置8个档位，每个档位只测量50%~100%额定范围内的信号，档位转换通过电子开关实现，档位切换时，数据不丢失，提升高精度测量区间，即实现宽范围高精度的电压、电流测试。电子开关换挡与机械开关换挡相比，可实现无缝转换，还避免了开关拉弧，提高了开关寿命，减少占地面积。
6、WP4000变频功率分析仪采用一路电压、一路电流组合为一个数字功率传感器的技术，电压信号和电流信号变送过程中产生的相位误差只需补偿一次，简化了电路，减少了不确定环节，并且相位指标得以量化，可直接溯源，提升了功率测量精度。
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