應用背景

　　電力機車

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

　　電力機車具有功率大、過載能力強、牽引力大、速度快、整備作業時間短、維修量少、運營費用低、便于實現多機牽引、能采用再生制動以及節約能量等優點。使用電力機車牽引車列，可以提高列車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能力。

　　圖1 HXD1型貨運電力機車圖2 CRH客運電力機車

　　電力機車分類

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

　　1、 直流電力機車

　　裝有直流串勵牽引電動機的機車，接觸網電壓為1500伏或3000伏直流電壓。直流電力機車的起動和速度調節以往是借助于調節起動電阻和牽引電動機的串聯-并聯轉換來完成的。但這種起動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，線路轉換復雜。

　　2、交流電力機車

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

　　l 整流器電力機車：又稱單相-直流電力機車，是當前應用最廣的一種交流電力機車。在整流器電力機車上，接觸網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。

　　l 單相整流子電動機電力機車：又稱直接式交流電力機車，采用單相整流子牽引電動機。接觸網上的高壓交流電經過變壓器降低電壓后，就直接供電給牽引電動機。這種機車電氣設備簡單，但單相整流子電動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：又稱為單相-三相電力機車。在這種機車上，接觸網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機或三相同步牽引電動機。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的功率和速度。

　　交-直-交流電力機車電氣工作原理

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

　　圖3交直交型機車傳動原理圖

　　機車在工作時，受電弓將網壓引入機車變壓器一次側繞組，經變壓器二次側繞組降壓后送入①環節，將交流電轉換為脈動直流電，經②環節平滑A處的脈動，送入③環節，將直流電逆變為電壓和頻率可調的三相交流電，經④環節平波電抗器，供給⑤環節三相異步牽引電動機，實現牽引運行。在這個系統中，機車先將電網的交流能量轉換為直流能量，然后進一步轉換成電壓和頻率可調的交流能量。各環節的作用分述如下：

　　① 整流電路：基本作用是將交流電轉換為直流電。實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。

　　② 直流環節濾波器：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），改善機車的功率因數。

　　③ 逆變器：用于將直流電轉換為三相交流電，同時為了機車調速的需要，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）。隨著電力半導體器件（GTO）的開發，可以采用電壓相量控制技術（VVCPWM），降低電機損耗，減少網壓波動的影響。

　　④ 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，抑制電機起動過程中的諧波分量，使頻繁斷開電機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措施。

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

　　電力機車逆變器日常檢測與維護

　　電力機車逆變器檢測關鍵一：寬頻測量

　　交直交型交流傳動電力機車采用三相異步牽引電動機，其速度公式為：

　　變頻調速方法即改變異步電動機供電電源頻率。由公式可見，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，這就可以滿足機車牽引電動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量分析儀，然而機車逆變器電壓輸出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解決此問題。

　　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功率分析儀進行現場檢查，完全覆蓋電力機車的電壓工作頻率，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的數據。

　　圖4 PA2000mini現場實測（正面）圖5 PA2000mini現場實測（背面）

　　測試現場工程師較為關注運行時逆變器的輸出頻率、電流和諧波等關鍵信息，圖6與圖7現場實測數據。PA2000mini具有100M同步時鐘，測量精度高達0.1%，全通道參數同步顯示。

　　圖6電力機車諧波測試數據-PA2000mini

　　圖7電力機車電流測試數據-PA2000mini

　　電力機車逆變器檢測關鍵二：便攜與獨立供電

　　由于電力機車逆變器設計裝在靠近機車頭的配電車廂中，現場空間狹小，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在配電車廂中的實測情況。更為重要的是，電力機車在運行中無法獲取穩定的220V供電電壓、電能質量較差，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備。

　　PA2000mini是行業首款便攜式功率分析儀，鋰電池供電長達3-4 個小時，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對模擬前端的供電沒有影響，進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個功率輸入模塊和1 個電機模塊，重量僅5KG，完全滿足電力機車的隨車測試要求。

　　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，其技術也被公認為國際領先，全國鐵路各局各車務段也對測試設備進行全面提升。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逆變器現場調試維護。

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　　其它

　　根據《中國鐵路中長期發展規劃》，到2020年，為滿足快速增長的旅客運輸需求，建立省會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城際快速客運系統。建設客運專線1.2萬公里以上，客車速度目標值達到每小時200公里及以上。

　　“四縱”客運專線：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）。

　　三大城際客運系統：

　　環渤海地區：北京—天津

　　長江三角洲地區：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

　　中投顧問認為：中國高速鐵路建設進程正在不斷加快，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、長春—吉林等經濟集中帶或經濟據點，均將規劃修建城際鐵路。

　　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線或城際鐵路。預計到2020年，中國200公里及以上時速的高速鐵路建設里程將超過1.8萬公里，將占世界高速鐵路總里程的一半以上。