應(yīng)用背景

電力機(jī)車

電力機(jī)車(electric locomotive)是指由電動機(jī)驅(qū)動車輪的機(jī)車。電力機(jī)車因?yàn)樗桦娔苡呻姎饣F路供電系統(tǒng)的接觸網(wǎng)或第三軌供給運(yùn)行中的電力機(jī)車，所以是一種非自帶能源的機(jī)車。電力機(jī)車是指從外界擷取電力作為能源驅(qū)動的鐵路機(jī)車，電源包括架空電纜、第三軌、電池等。同樣使用牽引電動機(jī)的電傳動柴油機(jī)車、燃?xì)鈾C(jī)車等不屬于電力機(jī)車。

電力機(jī)車具有功率大、過載能力強(qiáng)、牽引力大、速度快、整備作業(yè)時間短、維修量少、運(yùn)營費(fèi)用低、便于實(shí)現(xiàn)多機(jī)牽引、能采用再生制動以及節(jié)約能量等優(yōu)點(diǎn)。使用電力機(jī)車牽引車列，可以提高列車運(yùn)行速度和承載重量，從而大幅度地提高鐵路的運(yùn)輸能力和通過能力。

圖 2 CRH客運(yùn)電力機(jī)車

電力機(jī)車分類

按照電氣化鐵路采用的電流制來分類，干線電力機(jī)車可分為兩類：直流電力機(jī)車、交流電力機(jī)車。

1、直流電力機(jī)車

裝有直流串勵牽引電動機(jī)的機(jī)車，接觸網(wǎng)電壓為1500伏或3000伏直流電壓。直流電力機(jī)車的起動和速度調(diào)節(jié)以往是借助于調(diào)節(jié)起動電阻和牽引電動機(jī)的串聯(lián)-并聯(lián)轉(zhuǎn)換來完成的。但這種起動和調(diào)速方式不能作到連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)速度，而且電能耗損大，線路轉(zhuǎn)換復(fù)雜。

2、交流電力機(jī)車

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(shù)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，此時接觸網(wǎng)電壓為11～16千伏，單相工頻為或25 Hz。交流電力機(jī)車根據(jù)變流裝置和牽引電動機(jī)類型，主要有以下三種類型：

l整流器電力機(jī)車：又稱單相-直流電力機(jī)車，是當(dāng)前應(yīng)用最廣的一種交流電力機(jī)車。在整流器電力機(jī)車上，接觸網(wǎng)上的單相高壓交流電首先通過牽引變壓器降壓，然后通過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，供給牽引電動機(jī)。

l單相整流子電動機(jī)電力機(jī)車：又稱直接式交流電力機(jī)車，采用單相整流子牽引電動機(jī)。接觸網(wǎng)上的高壓交流電經(jīng)過變壓器降低電壓后，就直接供電給牽引電動機(jī)。這種機(jī)車電氣設(shè)備簡單，但單相整流子電動機(jī)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(jī)車：又稱為單相-三相電力機(jī)車。在這種機(jī)車上，接觸網(wǎng)上的高壓交流電首先通過牽引變壓器降壓、整流，使中間直流環(huán)節(jié)保持穩(wěn)定的直流電壓或穩(wěn)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機(jī)或三相同步牽引電動機(jī)。改變逆變裝置輸出的三相交流電的頻率和電壓即可調(diào)節(jié)機(jī)車的功率和速度。

交-直-交流電力機(jī)車電氣工作原理

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外軌道交通廣泛使用交-直-交流型電力機(jī)車，根據(jù)變流器結(jié)構(gòu)的不同，交-直-交型電力機(jī)車有電壓型、電流型兩種基本結(jié)構(gòu)。以電壓型交直交變流器供電、三相異步電動機(jī)做牽引電動機(jī)的機(jī)車為例原理如圖 3所示。

圖 3 交直交型機(jī)車傳動原理圖

機(jī)車在工作時，受電弓將網(wǎng)壓引入機(jī)車變壓器一次側(cè)繞組，經(jīng)變壓器二次側(cè)繞組降壓后送入①環(huán)節(jié)，將交流電轉(zhuǎn)換為脈動直流電，經(jīng)②環(huán)節(jié)平滑A處的脈動，送入③環(huán)節(jié)，將直流電逆變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電，經(jīng)④環(huán)節(jié)平波電抗器，供給⑤環(huán)節(jié)三相異步牽引電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)牽引運(yùn)行。在這個系統(tǒng)中，機(jī)車先將電網(wǎng)的交流能量轉(zhuǎn)換為直流能量，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓和頻率可調(diào)的交流能量。各環(huán)節(jié)的作用分述如下：

①整流電路：基本作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。實(shí)現(xiàn)電路可以是不可控整流橋、相控整流橋、四象限脈沖變流器。

②直流環(huán)節(jié)濾波器：基本作用是平滑A處的紋波(脈動)，消除或減少諧波含量(5次諧波)，改善機(jī)車的功率因數(shù)。

③逆變器：用于將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電，同時為了機(jī)車調(diào)速的需要，它應(yīng)具有較寬的調(diào)頻范圍和調(diào)壓范圍，一般采用正弦波脈寬調(diào)制(PWM)。隨著電力半導(dǎo)體器件(GTO)的開發(fā)，可以采用電壓相量控制技術(shù)(VVCPWM)，降低電機(jī)損耗，減少網(wǎng)壓波動的影響。

④平波電抗器：有三大作用，即降低電機(jī)、電纜中高頻成分，控制噪聲傳播，抑制電機(jī)起動過程中的諧波分量，使頻繁斷開電機(jī)電路時不損壞變頻器，三者通過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(hù)措施。

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

電力機(jī)車逆變器日常檢測與維護(hù)

電力機(jī)車逆變器檢測關(guān)鍵一：寬頻測量

交直交型交流傳動電力機(jī)車采用三相異步牽引電動機(jī)，其速度公式為：

變頻調(diào)速方法即改變異步電動機(jī)供電電源頻率。由公式可見，在磁極對數(shù)p一定的條件下，如果能平滑改變頻率f，就可以平滑調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n。且頻率變化范圍越大，異步電機(jī)調(diào)速范圍也越寬廣，這就可以滿足機(jī)車牽引電動機(jī)轉(zhuǎn)速從零到最大值的調(diào)速要求。

常規(guī)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(jī)車逆變器電壓輸出PWM波的頻率是幾赫茲到一百多赫茲，常電能質(zhì)量分析儀無法滿足大范圍的頻段測量，而一般的測量儀器普遍存在帶寬窄的問題，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確評估逆變器輸出的各項參數(shù)。

針對此，作為國內(nèi)高端儀器制造廠商ZLG致遠(yuǎn)電子，提出了采用高精度高帶寬功率分析儀的方案來解決此問題。

根據(jù)逆變器的工作頻率，致遠(yuǎn)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(xiàn)場檢查，完全覆蓋電力機(jī)車的電壓工作頻率，充分保證了PWM波的測量準(zhǔn)確性，為評估逆變器系統(tǒng)提供了最原始最真實(shí)的數(shù)據(jù)。

圖 5 PA2000mini現(xiàn)場實(shí)測(背面)

測試現(xiàn)場工程師較為關(guān)注運(yùn)行時逆變器的輸出頻率、電流和諧波等關(guān)鍵信息，圖6與圖7現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)。PA2000mini具有100M同步時鐘，測量精度高達(dá)0.1%，全通道參數(shù)同步顯示。

圖 6 電力機(jī)車諧波測試數(shù)據(jù)-PA2000mini

圖 7 電力機(jī)車電流測試數(shù)據(jù)-PA2000mini

電力機(jī)車逆變器檢測關(guān)鍵二：便攜與獨(dú)立供電

由于電力機(jī)車逆變器設(shè)計裝在靠近機(jī)車頭的配電車廂中，現(xiàn)場空間狹小，通道只能滿足單人通過，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在配電車廂中的實(shí)測情況。更為重要的是，電力機(jī)車在運(yùn)行中無法獲取穩(wěn)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，長期工作將損壞測試設(shè)備。

PA2000mini是行業(yè)首款便攜式功率分析儀，鋰電池供電長達(dá)3-4 個小時，成熟的電源系統(tǒng)設(shè)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對模擬前端的供電沒有影響，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(shè)計架構(gòu)，最多支持4個功率輸入模塊和1 個電機(jī)模塊，重量僅5KG，完全滿足電力機(jī)車的隨車測試要求。

圖 8 PA2000mini功率分析儀正面顯示區(qū)域功能按鍵

圖 9 PA2000mini功率分析儀背面接口

總結(jié)

中國高鐵在速度上不斷刷新世界紀(jì)錄，其技術(shù)也被公認(rèn)為國際領(lǐng)先，全國鐵路各局各車務(wù)段也對測試設(shè)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(shè)備已成熟應(yīng)用于我國電力機(jī)車逆變器現(xiàn)場調(diào)試維護(hù)。

其它

根據(jù)《中國鐵路中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，為滿足快速增長的旅客運(yùn)輸需求，建立省會城市及大中城市間的快速客運(yùn)通道，規(guī)劃“四縱四橫”鐵路快速客運(yùn)通道以及三個城際快速客運(yùn)系統(tǒng)。建設(shè)客運(yùn)專線1.2萬公里以上，客車速度目標(biāo)值達(dá)到每小時200公里及以上。

“四縱”客運(yùn)專線：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—哈爾濱(大連)和杭州—寧波—福州—深圳。

“四橫”客運(yùn)專線：徐州—鄭州—蘭州、杭州—南昌—長沙—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(yùn)系統(tǒng)：

環(huán)渤海地區(qū)：北京—天津

長江三角洲地區(qū)：南京—上海—杭州

珠江三角洲地區(qū)：廣州—深圳、廣州—珠海、廣州—佛山

中投顧問認(rèn)為：中國高速鐵路建設(shè)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、長沙—株州—湘譚地區(qū)、長春—吉林等經(jīng)濟(jì)集中帶或經(jīng)濟(jì)據(jù)點(diǎn)，均將規(guī)劃修建城際鐵路。

除此之外，廣州至南寧、廣州至貴陽、成都至蘭州等重要省會之間或重大城市之間，將來隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的擴(kuò)大和客運(yùn)需求的增加，都將陸續(xù)修建200公里及以上的客運(yùn)專線或城際鐵路。預(yù)計到2020年，中國200公里及以上時速的高速鐵路建設(shè)里程將超過1.8萬公里，將占世界高速鐵路總里程的一半以上。