面對面：電力機車(chē)逆變器調試維護現場(chǎng)！

　　應用背景

　　電力機車(chē)

　　電力機車(chē)（electric locomotive）是指由電動(dòng)機驅動(dòng)車(chē)輪的機車(chē)。電力機車(chē)因為所需電能由電氣化鐵路供電系統的接觸網(wǎng)或第三軌供給運行中的電力機車(chē)，所以是一種非自帶能源的機車(chē)。電力機車(chē)是指從外界擷取電力作為能源驅動(dòng)的鐵路機車(chē)，電源包括架空電纜、第三軌、電池等。同樣使用牽引電動(dòng)機的電傳動(dòng)柴油機車(chē)、燃氣機車(chē)等不屬于電力機車(chē)。

　　電力機車(chē)具有功率大、過(guò)載能力強、牽引力大、速度快、整備作業(yè)時(shí)間短、維修量少、運營(yíng)費用低、便于實(shí)現多機牽引、能采用再生制動(dòng)以及節約能量等優(yōu)點(diǎn)。使用電力機車(chē)牽引車(chē)列，可以提高列車(chē)運行速度和承載重量，從而大幅度地提高鐵路的運輸能力和通過(guò)能力。

　　圖1 HXD1型貨運電力機車(chē)圖2 CRH客運電力機車(chē)

　　電力機車(chē)分類(lèi)

　　按照電氣化鐵路采用的電流制來(lái)分類(lèi)，干線(xiàn)電力機車(chē)可分為兩類(lèi)：直流電力機車(chē)、交流電力機車(chē)。

　　1、 直流電力機車(chē)

　　裝有直流串勵牽引電動(dòng)機的機車(chē)，接觸網(wǎng)電壓為1500伏或3000伏直流電壓。直流電力機車(chē)的起動(dòng)和速度調節以往是借助于調節起動(dòng)電阻和牽引電動(dòng)機的串聯(lián)-并聯(lián)轉換來(lái)完成的。但這種起動(dòng)和調速方式不能作到連續平滑地調節速度，而且電能耗損大，線(xiàn)路轉換復雜。

　　2、交流電力機車(chē)

　　接觸網(wǎng)電壓20千伏或25千伏，單相工頻為50或60Hz。在歐洲少數國家如聯(lián)邦德國、瑞典、瑞士等國亦有采用單相低頻交流制的，此時(shí)接觸網(wǎng)電壓為11～16千伏，單相工頻為或25Hz。交流電力機車(chē)根據變流裝置和牽引電動(dòng)機類(lèi)型，主要有以下三種類(lèi)型：

　　l 整流器電力機車(chē)：又稱(chēng)單相-直流電力機車(chē)，是當前應用最廣的一種交流電力機車(chē)。在整流器電力機車(chē)上，接觸網(wǎng)上的單相高壓交流電首先通過(guò)牽引變壓器降壓，然后通過(guò)由硅整流元件或晶閘管組成的整流裝置將單相交流電變換為直流電，供給牽引電動(dòng)機。

　　l 單相整流子電動(dòng)機電力機車(chē)：又稱(chēng)直接式交流電力機車(chē)，采用單相整流子牽引電動(dòng)機。接觸網(wǎng)上的高壓交流電經(jīng)過(guò)變壓器降低電壓后，就直接供電給牽引電動(dòng)機。這種機車(chē)電氣設備簡(jiǎn)單，但單相整流子電動(dòng)機的換相條件隨交流電頻率的增高而惡化，因此多用于單相低頻交流制的電氣化鐵路上。

　　l 交-直-交流電力機車(chē)：又稱(chēng)為單相-三相電力機車(chē)。在這種機車(chē)上，接觸網(wǎng)上的高壓交流電首先通過(guò)牽引變壓器降壓、整流，使中間直流環(huán)節保持穩定的直流電壓或穩定的直流電流。然后再由逆變電路將中間直流電變換為三相交流電供給三相異步牽引電動(dòng)機或三相同步牽引電動(dòng)機。改變逆變裝置輸出的三相交流電的頻率和電壓即可調節機車(chē)的功率和速度。

　　交-直-交流電力機車(chē)電氣工作原理

　　隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，國內外軌道交通廣泛使用交-直-交流型電力機車(chē)，根據變流器結構的不同，交-直-交型電力機車(chē)有電壓型、電流型兩種基本結構。以電壓型交直交變流器供電、三相異步電動(dòng)機做牽引電動(dòng)機的機車(chē)為例原理如圖3所示。

　　圖3交直交型機車(chē)傳動(dòng)原理圖

　　機車(chē)在工作時(shí)，受電弓將網(wǎng)壓引入機車(chē)變壓器一次側繞組，經(jīng)變壓器二次側繞組降壓后送入①環(huán)節，將交流電轉換為脈動(dòng)直流電，經(jīng)②環(huán)節平滑A處的脈動(dòng)，送入③環(huán)節，將直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調的三相交流電，經(jīng)④環(huán)節平波電抗器，供給⑤環(huán)節三相異步牽引電動(dòng)機，實(shí)現牽引運行。在這個(gè)系統中，機車(chē)先將電網(wǎng)的交流能量轉換為直流能量，然后進(jìn)一步轉換成電壓和頻率可調的交流能量。各環(huán)節的作用分述如下：

　?、?整流電路：基本作用是將交流電轉換為直流電。實(shí)現電路可以是不可控整流橋、相控整流橋、四象限脈沖變流器。

　?、?直流環(huán)節濾波器：基本作用是平滑A處的紋波（脈動(dòng)），消除或減少諧波含量（5次諧波），改善機車(chē)的功率因數。

　?、?逆變器：用于將直流電轉換為三相交流電，同時(shí)為了機車(chē)調速的需要，它應具有較寬的調頻范圍和調壓范圍，一般采用正弦波脈寬調制（PWM）。隨著(zhù)電力半導體器件（GTO）的開(kāi)發(fā)，可以采用電壓相量控制技術(shù)（VVCPWM），降低電機損耗，減少網(wǎng)壓波動(dòng)的影響。

　?、?平波電抗器：有三大作用，即降低電機、電纜中高頻成分，控制噪聲傳播，抑制電機起動(dòng)過(guò)程中的諧波分量，使頻繁斷開(kāi)電機電路時(shí)不損壞變頻器，三者通過(guò)三相霍爾電流傳感器對變頻器輸出端采取完善的短路保護措施。

　　其中逆變器是交-直-交型電力機車(chē)電氣部分的核心組件，是機車(chē)調速的關(guān)鍵控制部件，對此各鐵路局車(chē)務(wù)段的主要是針對逆變器進(jìn)行日常檢測維護。

　　電力機車(chē)逆變器日常檢測與維護

　　電力機車(chē)逆變器檢測關(guān)鍵一：寬頻測量

　　交直交型交流傳動(dòng)電力機車(chē)采用三相異步牽引電動(dòng)機，其速度公式為：

　　變頻調速方法即改變異步電動(dòng)機供電電源頻率。由公式可見(jiàn)，在磁極對數p一定的條件下，如果能平滑改變頻率f，就可以平滑調節電動(dòng)機的轉速n。且頻率變化范圍越大，異步電機調速范圍也越寬廣，這就可以滿(mǎn)足機車(chē)牽引電動(dòng)機轉速從零到最大值的調速要求。

　　常規工頻逆變器的輸出測量一般采用電能質(zhì)量分析儀，然而機車(chē)逆變器電壓輸出PWM波的頻率是幾赫茲到一百多赫茲，常電能質(zhì)量分析儀無(wú)法滿(mǎn)足大范圍的頻段測量，而一般的測量?jì)x器普遍存在帶寬窄的問(wèn)題，導致不能準確評估逆變器輸出的各項參數。

　　針對此，作為國內高端儀器制造廠(chǎng)商ZLG致遠電子，提出了采用高精度高帶寬功率分析儀的方案來(lái)解決此問(wèn)題。

　　根據逆變器的工作頻率，致遠電子采用了具有500KHz帶寬和500K采樣率的PA2000mini功率分析儀進(jìn)行現場(chǎng)檢查，完全覆蓋電力機車(chē)的電壓工作頻率，充分保證了PWM波的測量準確性，為評估逆變器系統提供了最原始最真實(shí)的數據。

　　圖4 PA2000mini現場(chǎng)實(shí)測（正面）圖5 PA2000mini現場(chǎng)實(shí)測（背面）

　　測試現場(chǎng)工程師較為關(guān)注運行時(shí)逆變器的輸出頻率、電流和諧波等關(guān)鍵信息，圖6與圖7現場(chǎng)實(shí)測數據。PA2000mini具有100M同步時(shí)鐘，測量精度高達0.1%，全通道參數同步顯示。

　　圖6電力機車(chē)諧波測試數據-PA2000mini

　　圖7電力機車(chē)電流測試數據-PA2000mini

　　電力機車(chē)逆變器檢測關(guān)鍵二：便攜與獨立供電

　　由于電力機車(chē)逆變器設計裝在靠近機車(chē)頭的配電車(chē)廂中，現場(chǎng)空間狹小，通道只能滿(mǎn)足單人通過(guò)，對測量工具的體積有比較高的要求，如上圖4和圖5所示為PA2000mini在配電車(chē)廂中的實(shí)測情況。更為重要的是，電力機車(chē)在運行中無(wú)法獲取穩定的220V供電電壓、電能質(zhì)量較差，容易對精密儀器的測試精度造成影響，長(cháng)期工作將損壞測試設備。

　　PA2000mini是行業(yè)首款便攜式功率分析儀，鋰電池供電長(cháng)達3-4 個(gè)小時(shí)，成熟的電源系統設計，保證模擬電路具有極高的電源抑制比，從而使鋰電池電源的波動(dòng)對模擬前端的供電沒(méi)有影響，進(jìn)而保證功率分析儀的整體測量精度。PA6000mini 采用了緊湊型設計架構，最多支持4個(gè)功率輸入模塊和1 個(gè)電機模塊，重量?jì)H5KG，完全滿(mǎn)足電力機車(chē)的隨車(chē)測試要求。

　　圖8 PA2000mini功率分析儀正面顯示區域功能按鍵

　　圖9 PA2000mini功率分析儀背面接口

　　總結

　　中國高鐵在速度上不斷刷新世界紀錄，其技術(shù)也被公認為國際領(lǐng)先，全國鐵路各局各車(chē)務(wù)段也對測試設備進(jìn)行全面提升。PA2000mini功率分析儀作為便攜式逆變器檢測設備已成熟應用于我國電力機車(chē)逆變器現場(chǎng)調試維護。

　　其它

　　根據《中國鐵路中長(cháng)期發(fā)展規劃》，到2020年，為滿(mǎn)足快速增長(cháng)的旅客運輸需求，建立省會(huì )城市及大中城市間的快速客運通道，規劃“四縱四橫”鐵路快速客運通道以及三個(gè)城際快速客運系統。建設客運專(zhuān)線(xiàn)1.2萬(wàn)公里以上，客車(chē)速度目標值達到每小時(shí)200公里及以上。

　　“四縱”客運專(zhuān)線(xiàn)：北京—上海（京滬高速鐵路）、北京—武漢—廣州—深圳—香港（京港高速鐵路）、北京—沈陽(yáng)—哈爾濱（大連）和杭州—寧波—福州—深圳。

　　“四橫”客運專(zhuān)線(xiàn)：徐州—鄭州—蘭州、杭州—南昌—長(cháng)沙—昆明、青島—石家莊—太原、上海—南京—武漢—重慶—成都（滬漢蓉高速鐵路）。

　　三大城際客運系統：

　　環(huán)渤海地區：北京—天津

　　長(cháng)江三角洲地區：南京—上海—杭州

　　珠江三角洲地區：廣州—深圳、廣州—珠海、廣州—佛山

　　中投顧問(wèn)認為：中國高速鐵路建設進(jìn)程正在不斷加快，目前，武漢及周邊城際圈、鄭州及周邊城際圈、長(cháng)沙—株州—湘譚地區、長(cháng)春—吉林等經(jīng)濟集中帶或經(jīng)濟據點(diǎn)，均將規劃修建城際鐵路。

　　除此之外，廣州至南寧、廣州至貴陽(yáng)、成都至蘭州等重要省會(huì )之間或重大城市之間，將來(lái)隨著(zhù)經(jīng)濟規模的擴大和客運需求的增加，都將陸續修建200公里及以上的客運專(zhuān)線(xiàn)或城際鐵路。預計到2020年，中國200公里及以上時(shí)速的高速鐵路建設里程將超過(guò)1.8萬(wàn)公里，將占世界高速鐵路總里程的一半以上。