本牽引變頻器試驗臺主要滿(mǎn)足機車(chē)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(dòng)系統的主電量測量(牽引變頻器輸入、輸出電量)。前端數字化技術(shù)的應用，可適應復雜電磁環(huán)境下高精度的測量，開(kāi)放原始數據端口，配合PLC自動(dòng)控制系統可實(shí)現牽引變頻器試驗的自動(dòng)化需求。

一牽引變流器試驗臺引用標準

　　IEC 61377-1996 《電力牽引-機車(chē)車(chē)輛-逆變器供電的交流電動(dòng)機及其控制系統的綜合試驗》

　　GB/T 25122.1-2010 《軌道交通機車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)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(chē)車(chē)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(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》

　　IEEE std 519-1992 《電力系統諧波控制(推薦實(shí)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(shù)第一部分：一般試驗要求》

　　GB/T 16927.2-1997 《高電壓試驗技術(shù) 第 2 部分 測量系統》

　　GB/T 12668 《調速電氣傳動(dòng)系統》

　　GB/T 6451-2008 《油浸式電力變壓器技術(shù)參數和要求》

　　GB/T 17626 《電磁兼容》

　　GB/T 63-90 《電力裝置的電測量?jì)x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》

二牽引變流器試驗臺技術(shù)難點(diǎn)分析

2.1常規諧波測試方法

　　交流牽引電氣傳動(dòng)系統由牽引變流器供電，運行環(huán)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)，包括數據采集卡等由于輸出信號幅值小，傳輸過(guò)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。

2.2采樣同步困難

　　交流牽引電氣傳動(dòng)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，采樣同步困難，造成頻譜泄露降低測量精度。尤其是低調制比時(shí)，這種現象更加明顯，許多功率分析儀不能正確測量基波頻率，無(wú)法實(shí)現采樣同步。

2.3系統中各關(guān)聯(lián)量的同步測量困難

　　交流牽引電氣傳動(dòng)系統測試對測量的實(shí)時(shí)性要求較高，比如牽引變頻器的輸入、輸出及牽引電機的輸出扭矩、轉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(dòng)態(tài)變化。尤其是諸如“突加突卸”此類(lèi)試驗時(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，導致載波比不為整數，變流器輸出相鄰兩個(gè)周期的波形不同，或者說(shuō)，輸出不是嚴格周期信號，當載波頻率比較大時(shí)，非整數倍的影響較小，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(lái)困難。

2.5基波頻率低

　　牽引電氣傳動(dòng)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(cháng)度超長(cháng)，一般分析儀的諧波運算能力和數據存儲容量不足，故不能正確測量基波頻率。

　　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(dòng)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(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)數不得小于120,000點(diǎn)，當采樣頻率為200kHz時(shí)，傅立葉時(shí)間窗采樣點(diǎn)數多達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算速度均提出了極高的要求。

2.6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(jìn)行，頻率降低時(shí)，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(shí)，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。

三牽引變流器試驗臺特征值

　　(一) 直流側

　　電壓：0~2000V

　　電流：0~3000A

　　帶寬：10KHz

　　通道數：1通道

　　(二) 交流側

　　電壓：0～1400V(2000/1.414)

　　電流：0～1000A

　　基波頻率：0.1～150Hz

　　功率因數：0.1~1

　　帶寬：10kHz

　　通道數：6

四牽引變流器試驗臺試驗方案

　　牽引變流器直流母線(xiàn)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的數據采集。其輸出數字化后光纖傳輸到操作臺的DH2000-2數字主機，DH2000-2通過(guò)usb口與數據采集上位機高速通訊，進(jìn)行各項參數的分析處理。

　　交流側選用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三相交流電參數的數據采集。其輸出數字化后光纖傳輸到操作臺的WP4000功率分析儀。WP4000分析儀通過(guò)以太網(wǎng)接口與上位數據采集計算機通訊。

　　為滿(mǎn)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，兩臺傳感器根據實(shí)際測量需要可單獨使用，也可以并聯(lián)使用，將通道電流量程擴展到2000A。上位機數據采集軟件支持各采集通道之間的數學(xué)運算。

　　同時(shí)，WP4000分析儀與DH2000-2數字主機可通過(guò)同步光纖連接，實(shí)現7個(gè)功率通道的數據同步采集。

五牽引變流器試驗方案技術(shù)優(yōu)勢

　　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(mǎn)足牽引電氣傳動(dòng)試驗系統的測試需要，測試精度全范圍內滿(mǎn)足相關(guān)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(shù)，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(huán)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?yōu)閿底至繀蹈鼮楹侠?，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(shù)，并非依據使用被測參量信息的設備的實(shí)際需要。

　　3. WP4000變頻功率分析儀擁有100kHz的帶寬，滿(mǎn)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(jìn)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(wú)縫量程轉換技術(shù)，具有寬幅值范圍內的高精度測量的特性，使其能夠實(shí)現高峰值因數信號的準確測量。

　　一個(gè)傳感器在其內部設置8個(gè)檔位，每個(gè)檔位只測量50%~100%額定范圍內的信號，檔位轉換通過(guò)電子開(kāi)關(guān)實(shí)現，檔位切換時(shí)，數據不丟失，提升高精度測量區間，即實(shí)現寬范圍高精度的電壓、電流測試。

　　電子開(kāi)關(guān)換擋與機械開(kāi)關(guān)換擋相比，可實(shí)現無(wú)縫轉換，還避免了開(kāi)關(guān)拉弧，提高了開(kāi)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)數字功率傳感器，電壓信號和電流信號變送過(guò)程中產(chǎn)生的相位誤差只需補償一次，簡(jiǎn)化了電路，減少了不確定環(huán)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。

　　7. 直接比對溯源，減少不確定因素

　　經(jīng)獨立計量檢定的高精度電壓、電流傳感器與高精度的功率計組合在一起，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可能影響測量結果;傳感器與功率計之間的接口可能存在匹配問(wèn)題;傳感器與功率計之間的傳輸環(huán)節可能帶來(lái)?yè)p耗或引入干擾。

　　IEC 60736:1982、GB/T 11150-2001 電能表檢驗裝置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算出來(lái)的和引用電壓、電流和功率因數組合的誤差，不能作為評價(jià)裝置基本誤差的依據”。

　　WP4000通過(guò)以下方式保證檢定結果與實(shí)際應用的一致性。

　　首先，被評測系統與采用標準傳感器和儀表構成的系統同時(shí)測量標準功率源輸出的電壓、電流和功率，進(jìn)行直接比對，實(shí)現檢定，減少了系統構建過(guò)程中的不確定因素。

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

　　經(jīng)過(guò)大量工程測試應用與測試比對數據表明，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雜的電磁環(huán)境中用來(lái)執行對準確度要求較高的功率測量任務(wù)(如科研、產(chǎn)品型式試驗等)有欠科學(xué)與嚴謹，其測量結果的不確定度較大。

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

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

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