相位测试在机车调试过程中的应用

相位测试在机车调试过程中的应用

刘国辉  张如意  班兴钰

中车大连机车车辆有限公司 辽宁省 大连市 116045

摘要：目前，我国电力机车的出厂例行试验和日常维护检查工作，普遍采用传统的人工方式进行电力机车调试，操作者根据试验规程，对电力机车功能进行逐项检查验证，作业人员的经验、技术水平、责任心等直接影响产品质量。此种电力机车主电路及控制电路中采用了具有同名端的变压器及互感器的电气线路设计，而此设计要求设备同名端、接线必须正确。通过对电路的分析，针对实施过程中的难点，提出相应的对策，并采取有效的工艺控制手段，提高了测试效率，保证了机车质量。

关键词：机车；电路；相位测量  

电力机车机械试验是机车交付顾客前状态的一项重要指标，其中尺寸测量项目关乎机车限界、信号系统、小半径通过等各项关键性能，其中包含电子标签、自动过分相车感器、信号线圈、车钩高度等多项关键工序。各车型机械尺寸测量数据，备受段方和客户关注。目前在机车机械试验关键尺寸测量项目中，仍存在着测量设备落后、管控手段落后等问题。为有效解决存在的问题，进一步提升机车机械试验的效率和质量，结合工业 4.0 和智能制造 2025 的发展趋势，亟待探索一条适合电力机车自动化调试方式。

一、电力机车牵引变压器

牵引变压器的主要作用是将来自铁路牵引电网的高电压等级交流电降压为开关器件可Ｗ耐受的低电压等级交流电。由于其抑制变流器电流纹波和限制短路电流的需要，其短路阻抗设计可达40％（标么值）。同时，根据机车车体空间有限，对安全性的要求，还需满足体积小、重量轻、可靠性高等特点。目前我国机车牵引变压器均为单相多绕组变压器，其主要部件包括；变压器铁屯、，绕组，油箱及保护装置等。大部分牵引变压器本体采用苍式结构，采用循环油冷却。集中牵引系统式电力机车内设备布置，其牵引变压器安装于底盘（早期的牵引变压器在牵引机车内立式安装，体积较大；后均采用卧式变压器安装于机车底盘）。集中牵引系统是指整列机车的牵引动力全部由牵引机车提供，整个牵引传动系统集中布置于牵引机车。与集中牵引系统式电力机车相对的是分布式牵引动力机车。动车组是由动车基本单元构成，每个动单基本单元由－节动车挂一节拖车或是两节动车巧一节拖车纽成，拖车车厢上方受电弓从牵引电网获取25 kV交流电后送至安装于其底架的牵引变压器降压，后经交－直－交变流器变流后传送至安装于动车的牵引电动机。

二、电力机车电力牵引相位测试

在开发试制电力机车的生产试制过程中，由于接线错误导致出现升弓合主断后，主变流柜内 IGBT 模块、通用柜内的同步互感器等硬件的烧损现象。为保证此问题的不重复出现，采用对线路上的设备及连线进行分段校验的工艺手段。由此导致为保证同步信号的线路正确性的工作量剧增、难度大，作业周期长，且无法达到理想的工艺控制目的。为此，需要研究可行、方便的测试方法，以提高机车的调试效率。

1、电路设计分析。电力机车电力牵引传动系统的主要电路，电力机车电力牵引传动系统主要由受电弓、主断路器、牵引变压器、牵引变流器和三相交流牵引电动机等组成。受电弓将接触网的25 kV 单相工频交流电输送给牵引变压器，经变压器降压后的单相交流电供给四象限脉冲整流器，四象限脉冲整流器将单相交流电变换成直流电经中间直流环节将直流电输出给牵引逆变器，牵引逆变器输出电压、电流、频率可控的三相交流电供给三相异步电动机。牵引变流器在正常的牵引/制动工况下，主变流器内的牵引控制单元接收司机控制指令，控制各变流器单元实现电源从工频、高压不可控单相交流电源到三相可控变压、变频的交流电源的转化，拖动异步牵引电动机，实现对牵引电机的一对一控制。牵引时能量从电网流向电机，电能转换为机械能；制动时过程相反，机械能转化为电能回馈电网。主变流器内部设置有向机车辅助逆变器提供直流电源、向加热装置提供交流电源的接口，使机车电传动可以根据需求进行合理配置，采用网络技术实现对主变流器的保护。

2、工艺方法。相位测量是正弦信号经过不同的时间或不同的网络后可以有不同的相位。通常所谓相位测量是指对同频率信号之间相位差的测量，最常见的是对网络输入与输出信号的相位差，即网络相移的测量。相位是与电路结构有关的参数，是反映交流电任何时刻状态的物理量，而交流电的大小和方向是随时间变化的。CRT1 牵引控制器前端1a，1b 电压为 5 V，而变压器次边 a11，a12 中的 404C-11、404B-11 输出电压为 950 V，且这电压信号由同一电压经变压器或互感器得到，考虑进行相位测量来保证线路的正确。而相位测量有示波器法、零示法、直读式相位计法方法。

（1）示波器法。示波器法是把 2 个被测信号同时加到双踪示波器的 2 个 Y 通道，直接进行比较，根据 2 个波形的时间间隔△T 与波形周期 T 的比，计算相位差Φ。相对于计算示波器测量相位差的椭圆法等，这种计算方法的准确度高。

（2）零示法。零示 （比较） 法是用可变移相器与被测信号串联后，和另一同频率信号同时加在相位比较器如示波器、指示器等上，调节可变移相器，使比较器指示零值相位，则移相器上的读值即为两信号间的相位差。这种测量方法的精度决定于所使用的移相器的精度，一般达十分之几度。

（3）直读式相位计法。直读式相位计具有直读相位差的优点，并具有测量速度快，能显示相位变化等优点。可进行直读测量相位差的方法有：相敏检波器法、环形调制器法、数字式直读相位计法以及矢量电压表法。目前使用较多的则为数字式直读相位计法和矢量电压表法。①数字式直读相位计法。测量相位差的基本原理与测量时间间隔大体相同。即将被测两信号电压经过脉冲形成电路，变换成尖脉冲，去控制双稳态触发器，由此产生宽度为△T 的闸门信号，使时间闸门开启，时钟振荡器产生频率为 f0的标准脉冲通过时间闸门加到计数器，计数值为 N。可证明 2 个信号间的相位差 Φ 正比于 N，由此可在计数器上直接读下它们之间的相位差 Φ。这种相位计适用于低频信号相位差的测量。②矢量电压表法。采用取样电路，将 1 MHz～1 000 MHz 信号频率降低到固定的低频频率（如 20 kHz），然后用直读相位计读下 2 个信号间的相位差。测量准确度可达±1.5°左右。根据对电路特点及相位测量方法的分析，选择采用示波器法进行测量，利用 100∶1 的高压探头及连线将两路电压信号连接到示波器通道上，通过对主电路及控制电路同一时刻 10 V以内的电压相位测量便可以保证信号传递同步性的正确。

我国的电力机车牵引传动系统主要有，一是投入时间较早的交－直型牵引供电系统电力机车，简称交－直型电力机车；另一种是20世纪90年代后全面采用的交－直－交型牵引供电系统电力机车，简称交－直－交型电力机车。通过在试制机车上的测试验证，测量时间大大缩短，同时也降低了工作的难度，不用进行拆除恢复零部件工作。示波器测相位的方法很好地保证了机车线路的正确性，具有时间短、正确率高的优点，适用于具有同样特点电路应用的电气线路检测工作中。

参考文献：

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