面对面：电力机车逆变器调试维护现场！

　　应用背景

　　电力机车

　　电力机车（electric locomotive）是指由电动机驱动车轮的机车。电力机车因为所需电能由电气化铁路供电系统的接触网或第三轨供给运行中的电力机车，所以是一种非自带能源的机车。电力机车是指从外界撷取电力作为能源驱动的铁路机车，电源包括架空电缆、第三轨、电池等。同样使用牵引电动机的电传动柴油机车、燃气机车等不属于电力机车。

　　电力机车具有功率大、过载能力强、牵引力大、速度快、整备作业时间短、维修量少、运营费用低、便于实现多机牵引、能采用再生制动以及节约能量等优点。使用电力机车牵引车列，可以提高列车运行速度和承载重量，从而大幅度地提高铁路的运输能力和通过能力。

　　图1 HXD1型货运电力机车图2 CRH客运电力机车

　　电力机车分类

　　按照电气化铁路采用的电流制来分类，干线电力机车可分为两类：直流电力机车、交流电力机车。

　　1、 直流电力机车

　　装有直流串励牵引电动机的机车，接触网电压为1500伏或3000伏直流电压。直流电力机车的起动和速度调节以往是借助于调节起动电阻和牵引电动机的串联-并联转换来完成的。但这种起动和调速方式不能作到连续平滑地调节速度，而且电能耗损大，线路转换复杂。

　　2、交流电力机车

　　接触网电压20千伏或25千伏，单相工频为50或60Hz。在欧洲少数国家如联邦德国、瑞典、瑞士等国亦有采用单相低频交流制的，此时接触网电压为11～16千伏，单相工频为或25Hz。交流电力机车根据变流装置和牵引电动机类型，主要有以下三种类型：

　　l 整流器电力机车：又称单相-直流电力机车，是当前应用最广的一种交流电力机车。在整流器电力机车上，接触网上的单相高压交流电首先通过牵引变压器降压，然后通过由硅整流元件或晶闸管组成的整流装置将单相交流电变换为直流电，供给牵引电动机。

　　l 单相整流子电动机电力机车：又称直接式交流电力机车，采用单相整流子牵引电动机。接触网上的高压交流电经过变压器降低电压后，就直接供电给牵引电动机。这种机车电气设备简单，但单相整流子电动机的换相条件随交流电频率的增高而恶化，因此多用于单相低频交流制的电气化铁路上。

　　l 交-直-交流电力机车：又称为单相-三相电力机车。在这种机车上，接触网上的高压交流电首先通过牵引变压器降压、整流，使中间直流环节保持稳定的直流电压或稳定的直流电流。然后再由逆变电路将中间直流电变换为三相交流电供给三相异步牵引电动机或三相同步牵引电动机。改变逆变装置输出的三相交流电的频率和电压即可调节机车的功率和速度。

　　交-直-交流电力机车电气工作原理

　　随着电力电子技术的发展，国内外轨道交通广泛使用交-直-交流型电力机车，根据变流器结构的不同，交-直-交型电力机车有电压型、电流型两种基本结构。以电压型交直交变流器供电、三相异步电动机做牵引电动机的机车为例原理如图3所示。

　　图3交直交型机车传动原理图

　　机车在工作时，受电弓将网压引入机车变压器一次侧绕组，经变压器二次侧绕组降压后送入①环节，将交流电转换为脉动直流电，经②环节平滑A处的脉动，送入③环节，将直流电逆变为电压和频率可调的三相交流电，经④环节平波电抗器，供给⑤环节三相异步牵引电动机，实现牵引运行。在这个系统中，机车先将电网的交流能量转换为直流能量，然后进一步转换成电压和频率可调的交流能量。各环节的作用分述如下：

　　① 整流电路：基本作用是将交流电转换为直流电。实现电路可以是不可控整流桥、相控整流桥、四象限脉冲变流器。

　　② 直流环节滤波器：基本作用是平滑A处的纹波（脉动），消除或减少谐波含量（5次谐波），改善机车的功率因数。

　　③ 逆变器：用于将直流电转换为三相交流电，同时为了机车调速的需要，它应具有较宽的调频范围和调压范围，一般采用正弦波脉宽调制（PWM）。随着电力半导体器件（GTO）的开发，可以采用电压相量控制技术（VVCPWM），降低电机损耗，减少网压波动的影响。

　　④ 平波电抗器：有三大作用，即降低电机、电缆中高频成分，控制噪声传播，抑制电机起动过程中的谐波分量，使频繁断开电机电路时不损坏变频器，三者通过三相霍尔电流传感器对变频器输出端采取完善的短路保护措施。

　　其中逆变器是交-直-交型电力机车电气部分的核心组件，是机车调速的关键控制部件，对此各铁路局车务段的主要是针对逆变器进行日常检测维护。

　　电力机车逆变器日常检测与维护

　　电力机车逆变器检测关键一：宽频测量

　　交直交型交流传动电力机车采用三相异步牵引电动机，其速度公式为：

　　变频调速方法即改变异步电动机供电电源频率。由公式可见，在磁极对数p一定的条件下，如果能平滑改变频率f，就可以平滑调节电动机的转速n。且频率变化范围越大，异步电机调速范围也越宽广，这就可以满足机车牵引电动机转速从零到最大值的调速要求。

　　常规工频逆变器的输出测量一般采用电能质量分析仪，然而机车逆变器电压输出PWM波的频率是几赫兹到一百多赫兹，常电能质量分析仪无法满足大范围的频段测量，而一般的测量仪器普遍存在带宽窄的问题，导致不能准确评估逆变器输出的各项参数。

　　针对此，作为国内高端仪器制造厂商ZLG致远电子，提出了采用高精度高带宽功率分析仪的方案来解决此问题。

　　根据逆变器的工作频率，致远电子采用了具有500KHz带宽和500K采样率的PA2000mini功率分析仪进行现场检查，完全覆盖电力机车的电压工作频率，充分保证了PWM波的测量准确性，为评估逆变器系统提供了最原始最真实的数据。

　　图4 PA2000mini现场实测（正面）图5 PA2000mini现场实测（背面）

　　测试现场工程师较为关注运行时逆变器的输出频率、电流和谐波等关键信息，图6与图7现场实测数据。PA2000mini具有100M同步时钟，测量精度高达0.1%，全通道参数同步显示。

　　图6电力机车谐波测试数据-PA2000mini

　　图7电力机车电流测试数据-PA2000mini

　　电力机车逆变器检测关键二：便携与独立供电

　　由于电力机车逆变器设计装在靠近机车头的配电车厢中，现场空间狭小，通道只能满足单人通过，对测量工具的体积有比较高的要求，如上图4和图5所示为PA2000mini在配电车厢中的实测情况。更为重要的是，电力机车在运行中无法获取稳定的220V供电电压、电能质量较差，容易对精密仪器的测试精度造成影响，长期工作将损坏测试设备。

　　PA2000mini是行业首款便携式功率分析仪，锂电池供电长达3-4 个小时，成熟的电源系统设计，保证模拟电路具有极高的电源抑制比，从而使锂电池电源的波动对模拟前端的供电没有影响，进而保证功率分析仪的整体测量精度。PA6000mini 采用了紧凑型设计架构，最多支持4个功率输入模块和1 个电机模块，重量仅5KG，完全满足电力机车的随车测试要求。

　　图8 PA2000mini功率分析仪正面显示区域功能按键

　　图9 PA2000mini功率分析仪背面接口

　　总结

　　中国高铁在速度上不断刷新世界纪录，其技术也被公认为国际领先，全国铁路各局各车务段也对测试设备进行全面提升。PA2000mini功率分析仪作为便携式逆变器检测设备已成熟应用于我国电力机车逆变器现场调试维护。

　　其它

　　根据《中国铁路中长期发展规划》，到2020年，为满足快速增长的旅客运输需求，建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横”铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统。建设客运专线1.2万公里以上，客车速度目标值达到每小时200公里及以上。

　　“四纵”客运专线：北京—上海（京沪高速铁路）、北京—武汉—广州—深圳—香港（京港高速铁路）、北京—沈阳—哈尔滨（大连）和杭州—宁波—福州—深圳。

　　“四横”客运专线：徐州—郑州—兰州、杭州—南昌—长沙—昆明、青岛—石家庄—太原、上海—南京—武汉—重庆—成都（沪汉蓉高速铁路）。

　　三大城际客运系统：

　　环渤海地区：北京—天津

　　长江三角洲地区：南京—上海—杭州

　　珠江三角洲地区：广州—深圳、广州—珠海、广州—佛山

　　中投顾问认为：中国高速铁路建设进程正在不断加快，目前，武汉及周边城际圈、郑州及周边城际圈、长沙—株州—湘谭地区、长春—吉林等经济集中带或经济据点，均将规划修建城际铁路。

　　除此之外，广州至南宁、广州至贵阳、成都至兰州等重要省会之间或重大城市之间，将来随着经济规模的扩大和客运需求的增加，都将陆续修建200公里及以上的客运专线或城际铁路。预计到2020年，中国200公里及以上时速的高速铁路建设里程将超过1.8万公里，将占世界高速铁路总里程的一半以上。