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牵引变频器试验台测试系统整体解决方案

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  • 发布时间:2015/6/4 17:31:00
  • 作者:chw_yinhe

  本牵引变频器试验台主要满足机车牵引变频器测试需求,采用WP4000变频功率分析仪作为牵引电气传动系统的主电量测量(牵引变频器输入、输出电量)。前端数字化技术的应用,可适应复杂电磁环境下高精度的测量,开放原始数据端口,配合PLC自动控制系统可实现牵引变频器试验的自动化需求。

牵引变流器试验台引用标准

  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》

牵引变流器试验台技术难点分析

2.1常规谐波测试方法

  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),包括数据采集卡等由于输出信号幅值小,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。

2.2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,采样同步困难,造成频谱泄露降低测量精度。尤其是低调制比时,这种现象更加明显,许多功率分析仪不能正确测量基波频率,无法实现采样同步。

2.3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。

2.4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。

2.5基波频率低

  牵引电气传动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,故不能正确测量基波频率。

  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,那么傅立叶时间窗采样点数不得小于120,000点,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极高的要求。

2.6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。

牵引变流器试验台特征值

  (一) 直流侧

  电压:0~2000V

  电流:0~3000A

  带宽:10KHz

  通道数:1通道

  (二) 交流侧

  电压:0~1400V(2000/1.414)

  电流:0~1000A

  基波频率:0.1~150Hz

  功率因数:0.1~1

  带宽:10kHz

  通道数:6

牵引变流器试验台试验方案

牵引变流器试验台试验方案

  牵引变流器直流母线选用一台SP162302C型变频功率传感器即可完成不同供电制式下所有直流参数的数据采集。其输出数字化后光纤传输到操作台的DH2000-2数字主机,DH2000-2通过usb口与数据采集上位机高速通讯,进行各项参数的分析处理。

  交流侧选用6台SP162102C型变频功率传感器,即可完成不同供电制式、不同模组输出方式下变频器输出侧三相交流电参数的数据采集。其输出数字化后光纤传输到操作台的WP4000功率分析仪。WP4000分析仪通过以太网接口与上位数据采集计算机通讯。

  为满足不同的被试对象测试需要,配置3个测量柜,每个柜子安装两台传感器,两台传感器根据实际测量需要可单独使用,也可以并联使用,将通道电流量程扩展到2000A。上位机数据采集软件支持各采集通道之间的数学运算。

  同时,WP4000分析仪与DH2000-2数字主机可通过同步光纤连接,实现7个功率通道的数据同步采集。

牵引变流器试验方案技术优势

  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牵引电气传动试验系统的测试需要,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100kHz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. 电压、电流组合测试

  一路电压、一路电流组合为一个数字功率传感器,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。

  7. 直接比对溯源,减少不确定因素

  经独立计量检定的高精度电压、电流传感器与高精度的功率计组合在一起,功率测量精度不一定高,原因是未作检定的电压、电流传感器的相位指标可能影响测量结果;传感器与功率计之间的接口可能存在匹配问题;传感器与功率计之间的传输环节可能带来损耗或引入干扰。

  IEC 60736:1982、GB/T 11150-2001 电能表检验装置6.2.2 指出:“所有仪表和测量装置的误差都必须进行实际测量,未经测量,仅是以其他测量中计算出来的和引用电压、电流和功率因数组合的误差,不能作为评价装置基本误差的依据”。

  WP4000通过以下方式保证检定结果与实际应用的一致性。

  首先,被评测系统与采用标准传感器和仪表构成的系统同时测量标准功率源输出的电压、电流和功率,进行直接比对,实现检定,减少了系统构建过程中的不确定因素。

  其次,传感器与分析仪之间,采用光纤数字通讯,传输环节不会受到干扰,影响精度的只有传感器一个环节。只要连接正确就能发挥系统应有的性能指标。

  经过大量工程测试应用与测试比对数据表明,模拟量输出型电量传感器(如霍尔传感器)与模拟量输入型高精度功率分析仪组合在较复杂的电磁环境中用来执行对准确度要求较高的功率测量任务(如科研、产品型式试验等)有欠科学与严谨,其测量结果的不确定度较大。

  8. WP4000通过同步光纤的作用使整个系统中的各测点保持测量的同步性。

  通过同步光纤的作用,系统中电参量的测量同步时差在纳秒级,通常10ns以内;非电量与电量的测量时差可控制在1ms左右。