（车辆工程专业论文）电力机车变流装置动态检测系统的设计.pdf

e 壅銮堑厶堂主些亟堂位途塞虫塞趟墨 中文摘要 摘要：随着我国铁路运输重载、高速的发展，对机车特别是客运提速机车的可靠 性、安全性提出了更高的要求。电力机车作为优先发展的牵引动力，已列入铁路 “十一五”发展规划，电力机车将承担着越来越大的牵引任务。变流装置是电力 机车重要的能量变换部件，它将机车主变压器输出的交流电转换为电压可调的直 流电源，供给机车牵引电动机，从而实现机车的牵引运行及调速。 变流装置一旦发生故障，会直接导致机车牵引力降低或丧失，势必影响列车 正常运行，造成机破，严重影响铁路运输秩序。随着机车牵引负荷的提高，变流 装置故障率迅速上升。而采用传统的低压大电流试验方法不能有效检测变流装置 的各项指标及动态均流情况，对故障隐患不能有效预测，限制了变流装置检修质 量的稳定与提高。经检修后的变流装置上车使用时经常发生输出电流波动大、硅 元件烧损等故障现象，严重影响正常的运输生产。国外同行企业如日本、法国、 瑞士等国家，近年来依托先迸的测控技术，实现了变流装置的动态检测，使检修 工作进一步科学化、规范化，检修质量明显提高。因此，研制符合变流装置实际 运用状态的动态检测装置对提高其检修质量，以及保证铁路“安全、正点”具有 十分重要的现实意义。 本论文阐述了电力机车交流装置动态检测系统的设计原理、功能、构成及技 术实现方式，提出了关键技术的解决方案。经实际运用，证明该系统性能可靠、 功能完善。达到了设计要求；通过动态负荷试验，能有效筛选降级元件，大幅度 地提升了电力机车变流装置检测水平，填补了国内电力机车变流装置动态检测的 空白。 关键词：电力机车：变流装置；动态；检测；系统 分类号：u 2 6 4 3 j e 窑銮遵厶堂皇些亟竺位诠塞旦si 星至 a b s t r a c t a b s t r a c mw i t ht h ed e v e l o p m e n to fh e a v y l o a d e da n dh i 曲一s p e e dr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n i nc h i n a ，ah i g h c rd e m a n do fr e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo nl o c o m o t i v e ， e s p e c i a l l yo nt h ep a s s e n g e rs p e e d u pl o c o m o t i v e ，i sr e q u i r e d e l e c t r i cl o c o m o t i v e ，a sa p r i o r i t yd e v e l o p m e n to ft h et r a c t i o np o w e r ，h a sb e e ni n c l u d e d i nt h er a i l w a y ”ll t h f i v e y e a r ”d e v e l o p m e n tp l a n n i n g e l e c t r i cl o c o m o t i v ew i l la s s u m ea i l e v e rg r e a t e r t r a c t i o nt a s k c o n v e n e ri sa l li m p o r t a n tp o w e rc o n v e r s i o nc o m p o n e n tf o re l e c t r i c l o c o m o t i v e ，i tw i l lc o n v e r tt h ea cf r o mt h em a i nt r a n s f o r m e rt ot h ev o l t a g ea d j u s t a b l e d c ，a n dt h e ns u p p l yi t t ot h et r a c t i o nm o t o ro fl o c o m o t i v e ，t h e r e b yr e a l i z i n gt h e l o c o m o t i v et r a c t i o no p e r g i o na n ds p e e dc o n t r 0 1 o n c et h ec o n v e r t e rh a saf a i l u r e ，i tw i l ld i r e c t l yl e a dt ot h er e d u c t i o no rl o s so f l o c o m o t i v et r a c t i o n ，w h i c hi sb o u n dt oa f f e c tt h en o r m a lo p e r m i o no ft h et r a i n , c a u s i n g m a c h i n eb r e a ka n ds e r i o u s l ya f f e c t i n gr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o no r d e r a l o n gw i t ht h e i n c r e a s eo fl o c o m o t i v et r a c t i o nl o a d ，t h ec o n v e r t e rf a i l u r er a t ei n c r e a s e sr a p i d l y t h e t r a c t i o n a ll o w v o l t a g ea n dh i g h c u r r e n tt e s tm e t h o dc o u l dn o te f f e c t i v e l yd e t e c ta l lt h e i n d i c a t o r sa n dd y n a m i cf l o we q u a l i z a t i o no ft h ec o n v e r t e r ，a n di ta l s oc o u l dn o t e f f e c t i v e l yf o r e c a s tt h ef a u l t sa n dh i d d e nd a n g e r s ，w h i c hr e s u l ti nl i m i t i n gt h eq u a l i t y s t a b i l i t ya n di m p r o v e m e n to ft h ec o n v e r t e ro v e r h a u l a r e rt h eo v e r h a u l ，w h e nt h e c o n v e r t e ri su s e do nt h et r a i n , i to f t e nh a sb i gf l u c t u a t i o n si no u r p u tc 0 1 t e l l ta n ds i l i c o n p a r t s a l eo f t e nb u r n t ，w h i c hw i l ts e r i o u s l ya f f e c tt h en o r m a lt r a n s p o r t a t i o na n d p r o d u c t i o n i nr e c e n ty e a r s ，t h ef o r e i g nc o u n t e r p a r te n t e r p r i s e s i n j a p a n ，f r a n c e ， s w i t z e r l a n da n do t h e rc o u n t r i e s ，w h oa r er e l y i n go na d v a n c e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l t e c h n o l o g y , h a v ea c h i e v e dt h ee a t i r ed y n a n g cd e t e c t i o no f t h ec o n v e r t e r , s oa st om a k e t h eo v e r h a u lm o r es c i e n t i f i ca n ds t a n d a r d i z e d ，a n da l s oi m p r o v et h eq u a l i t ym a r k e d l y t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ed y n a m i cd e t e c t i o nd e v i c ef o rt h ec o n v e r t e ro f p r a c t i c a la p p l i c a t i o ni ss i g n i f i c a n tf o rt h ei m p r o v e m e n to f o v e r h a u lq u a l i t y , a sw e l la st o e n s u r e 。s e c u r i t y , p u n c t u a l i t y ”o f r a i l w a y t h i st r e a t i s ee l a b o r a t e st h ep r i n c i p l e s ，f u n c t i o n s ，c o m p o s i t i o na n dt e c h n o l o g y r e a l i z a t i o no ft h ed y n a m i cd e t e c t i o ns y s t e mo fe l e c t r i cl o c o m o t i v ec o n v e n e r , a n di ta l s o d i s c u s s e st h ek e yt e c h n o l o g y i tp r o v e st h a tt h es y s t e mc a ns i m u l a t et h er u n n i n gs t a t u s o fl o c o m o t i v e ，d od y n a m i cl o a dt e s to nt h ec o n v e r t e r ，a c c u r a t e l yd e t e c tt h ec o n v e r t e r s p h a s e s h i f tt r i g g e r i n g ，o u t p u t ，f l o we q u a l i z a t i o n a n do t h e rd y n a m i ci n d i c a t o r s 。 业鏖窑迪厶堂童些亟堂位堡襄旦si i e f f e c t i v e l ys c r e e nt h ed e m o t i o nc o m p o n e n t s ，g r e a t l ye n h a n c et h ed e t e c t i o nl e v e lo f e l e c t r i cl o c o m o t i v ec o n v e n e r , a n df i l lt h eb l a n ka r e ao fd y n a m i cd e t e c t i o nf o rd o m e s t i c e l e c t r i cl o c o m o t i v ec o n v e r t e r k e y w o r d s ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e ；c o n v e r t e r ：e n t i r ed y n a m i c ；d e t e c t i o n ；s y s t e m c l a s s n o ；u 2 6 4 ，3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字e t 期：年月日签字日期：年月日 e 鏖窑煎厶堂主些亟土鲎位缝塞独剑缝主明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：2 0 0 7 年月日 6 7 致谢 本论文的工作是在我的导师宋雷鸣副教授的悉心指导下完成的，宋教授严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢多年来宋 老师对我的关心和指导。 非常感谢机电学院的各位老师，他们在学习上和生活上都给予了我很大的关 心和帮助。 北京铁路局机务处、北京机务段、石家庄电力机务段的有关领导和专家对于 我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够专心完成我的学业。 e 瘟窒遁厶堂童些鲤：上翌堑丝 噩i i五 1 引言 变流装置是电力机车的主要部件之一，由大功率整流管、品闸管和其它附件 组成，主要功能如下： ( 1 ) 把交流电变为直流电供给牵引电动机，实现机车主电路的整流和相控调压， 进行牵引电动机的平滑调速； ( 2 ) 提供连续可调的制动励磁电流，实现机车的动力制动功能； ( 3 ) 提供加馈制动电源，使机车在低速区获得较大的电制动力； ( 4 ) 作为牵引电动机无级磁场削弱的分路开关，提高牵引电动机在高转速下的 功率利用率。 变流装置传统的低压大电流均流试验及轻载高电压试验仅能检测变流装置的 静态性能，不能检测晶闸管在不同导通角时的动态均流特性及移相触发性能，这 与实际运用环境相差甚远，传统试验方法主要存在以下缺陷： ( 1 ) 不能验证变流装置的实际工作性能 变流装置传统均流试验方法将其输出端直接用导线短路，通过调整阀侧电压 来模拟变流装置在额定或过流情况下的工作性能。由于变流装置直流输出端短 路，阻抗很低，在晶闸管导通角较小的情况下，变流装置就可以输出2 3 k a 的电 流。而机车运用过程中，交流装置经常工作于高电压、大电流的工况下，此时晶 闸管处于全导通或大部分导通的状态。因此，传统均流试验方法不能真实反映变 流装置在实际运用过程中的工作状态。另外，试验时晶闸管未处于全导通状态， 则流过晶闸管的峰值电流会超过其额定电流，也会缩短晶闸管的使用寿命。 ( 2 ) 均流系数检测存在偏差 相控机车变流装置实际工作时用调节导通角度的方法调节输出电流，并且装 置输出端接有平波电抗器，其输出电流平直，其平均值与有效值相等。传统短路 试验方法用改变整流柜阎侧电压的方式调节输出电流，整流柜导通角度小，用输 出电流平均值的方法进行计量，存在较大的理论误差。 ( 3 ) 试验设备技术落后 用钳形电流表测试管子电流，人工记录试验数据，人工计算均流系数，自动 化程度较低，人为测量误差较大。采用有接点的接触器系统作为保护系统。一旦 出现短路或过流情况，继电器动作时间一般为为几百毫秒，不能有效保护被测试 立銮垣厶堂童些蘧堂位逢塞i l矗 整流柜。人工换接变流装置交流侧测试电缆，工人劳动强度大，试验效率比较低。 正是由于检测方法的局限性，经检修后的变流装置上车使用时经常发生输出 电流波动大、硅元件烧损等的故障现象，严重影响了正常的运输生产。 而国外同行企业如日本、法国、瑞士等国家，近年来依托先进的测控技术， 实现了变流装置的全动态检测，使检修工作科学化、规范化，检修质量明显提高。 因此，研制符合变流装置实际运用状态的全动态检测系统，准确检测变流装 置在不同负载条件下，在晶闸管不同导通角范围内的动态均流特性及输出特性， 对提高变流装置检修质量，保证铁路运输安全正点，具有十分重要的现实意义。 2 e 塞窑望厶堂主些亟土：兰垃监塞生左扭互变速苤篁l 缝亟堡 2 电力机车变流装置工作原理 2 1 调压整流电路 变流装置主电路由两个独立单元构成，分别向相应转向架上2 台( 或3 台) 并 联的牵引电动机供电。下面以其中一个转向架的整流调压单元为例来说明其整流、 调压过程。其整流调压电路的简化电路如图2 i 所示，变流装置是通过晶闸管相 控角的变化来调节牵引电动机的供电电压。 网侧电压( a c 2 5 k v 、5 0 h z ) 经机车主变压器进行降压，其牵引绕组 a l - b l - x l ，a 2 - x 2 的绕组电压降至6 8 6 8 v ，其中a 卜b l ，b l - x l 绕组电压为3 4 3 ，4 v 。 这些绕组与相应的整流元件构成了三段不等分整流桥。 对半控整流桥来说，在忽略电抗压降与电阻压降时，整流输出电压u d 与二次 侧绕组交流电压u ：及相控角之间符合下列关系： ，= u d ：y _ a u ：( 1 + c o s a ) 万 改变相控角的大小，即可改变整流电压值。交替控制晶闸管v l o 、v 1 1 使牵引 绕组供电的整流桥开放。例如正半波的某一时刻，触发晶闸管v l l ( 相应一定的相 位角) ，这时电流由牵引绕组的a 2 一v 7 一v 2 一v 卜导线一平波电抗器一牵引电动机电枢一 励磁绕组一导线一v 1 2 - v l l x 2 一牵引绕组一a 2 ，二极管起到了续流的作用。同理，在 负半波的某一相位角，触发晶闸管v l o ，电流由牵引绕组x 2 一v l o v 2 一v l - 导线一平 波电抗器一牵引电动机电枢一励磁绕组一导线一v 9 一v 8 - a 2 一牵引绕组一x 2 ，二极管 v 1 ，v 2 ，v 9 起续流作用。 变流装置采用三段不等分桥控制。第一段桥( 绕组a 2 、x 2 连接的整流桥) 首 先开通，当相控角由1 8 0 。变至0 。时，整流电压由0 逐渐上升到整流电压u d 的 1 2 ，整流电压的输出波形如图2 2 所示。第二、三段桥( 绕组a l - b l x l 所连整 流桥) 的整流二极管v l ，v 2 起续流作用。 e 塞窑丝厶堂主些亟：芏位迨塞坐左扭变远筮童l 往厦理 at l y l 王j v 3 【 1i v 5 嘲铲q z z ，i o l j z么 z z 一 _ 2 z v 4 【】 v 6 【 行萤重 j i zzzz zv 1 3e 山 v 1 0 卜j _ 一 一 【】 ：x 2z z 一 +一 v 1 6 _v 7z z 灶 - v i i i h a z z 1 0 。t 1 0 。6 0 4 t 1 0 。1 0 。 4 0 0 m a 变流装置的触发脉冲输出部分由控制插座、屏蔽导线、脉冲输出模块等组成。 触发脉冲信号来自微机电子控制柜。脉冲输出模块由加尖电路、脉冲变压器和脉 冲整形电路组成，用环氧树脂浇铸为一体。模块对外联接用插座端子。输入端e 卜s 由两对并联端子组成，通过交流柜上的屏蔽导线、插座、插头与微机电子控制柜 连接。输出端g - k 端子与晶闸管的门极和阴极控制线连接( 见图2 5 ) 。插座端子 e l 、g 和s 、k 的规格不同，可以保证他们不会相互插错。脉冲输出模块由底座螺 母安装在靠近晶闸管的面板上，可缩短从脉冲变压器到晶闸管连线的长度，这对 防止干扰引起的误导通有好处。 埘 4 8 y 2 3 5 k h z 图2 5 脉冲输出模块接线图 9 k p e 塞童堕厶堂童些亟土堂位迨塞生左扭士变速装置l 在厘堡 2 3 3 整流管、晶闸管组件 为使半导体器件工作时产生的热量散发出去，器件必须与相应的散热器压装 在块构成组件方可工作。组件的组成主要有：半导体器件( 整流管或晶闸管) 、 铜( 铝) 散热体、导电板、绝缘垫块、蝶形弹簧挚圈、簧板、双头螺栓、绝缘套 管等( 见图2 6 所示) 。 图2 6 整流管、晶闸管组件 组件的压装是一项十分重要的工作，压装的质量直接影响组件的性能。压装 前需要检查各接触面的平整度和粗糙度以保证符合图纸要求，并用分析纯酒精把 散热体、导电板、半导体组件相互之间的接触面擦干净。组装压力严格控制在规 定的紧固压力范围内。压力太小，将使正向( 或通态) 平均电压增大，接触热阻 增加，导致损耗增加、热量又不易传导出去散发，结果器件结温过高，有可能超 过其最高结温而损坏；压力太大，则有可能使器件内部结片压坏而不能工作。组 件压装完后还必须进行全动态试验，即在规定的冷却风速下，施加规定的电流和 电压，确认合格后方可出厂使用。所以一般组件的压装都应在半导体器件制造厂 专用的压装机上完成。 2 4 电力机车变流装置特点及主要技术参数 以s s 8 型电力机车的变流装置为例，进行说明。与其它国产电力机车变流装 置比较，$ s 8 型机车变流装置具有以下特点： e 瘟窑塑厶堂芏些亟堂僮丝塞生左熟士变逾越董li 厘垄 ( 1 ) 为适应客运机车牵引功率大，起动加速快的要求，s s 8 变流装置采用大容 量的整流管和晶闸管，配以新型铜散热器，使用独立通风方式，输出功率大，过 载能力强。 ( 2 ) 为了减重，s s 8 型机车主变压器阻抗比其它国产机车都小，相应其主变压 器次边短路电流大。s s 8 型机车变流装置采用分断电流大，熔断i z t 小新型快速熔 断器，在桥臂电流短路时，可对晶闸管进行有效保护。 ( 3 ) 为了满足客运机车减重的要求和受总体布置的限制，全车只设个变流柜。 这不同于其它国产机车有2 个或4 个变流柜，因此s s 8 机车变流装置的单位体积 和重量的输出功率都是最大的。所有桥臂均由整流管或晶闸管1 个串联2 个并联 组成。 主要技术参数如下： 型号t g z l 4 a - 3 8 8 0 1 0 0 0 额定功率3 8 8 0 k w 额定阀侧电压2 x 6 8 6 v 额定阀侧电流2 1 9 4 0 a 额定整流电压1 0 0 0 v 额定整流电流2 1 9 4 0 a 主电路接线方式不等分三段半控桥 无级磁场削弱分路2 个并联 每车变流柜数1 可控桥臂k p ：2 x ( i s x 2 p x 6 a ) 整流桥臂z p ：2 ( i s x 2 p 6 a ) 磁场削弱分路k p ：2 ( i s 2 p x 2 a ) 每车半导体器件数： 主晶闸管2 4 主整流管2 4 磁场削弱分路晶闸管8 每车半导体器件总数，5 6 桥臂并联支路均流系数 1 0 9 瘟窒堑厶堂童些亟堂位迨塞生坦芏变速筮董! ：在堕堡 换相电阻器 换相电容器 快速熔断器 冷却方式 平均冷却风速 最低冷却风速 带电部分对地绝缘电压 变流柜外形尺寸 变流柜质量 ，2 4 q 1 u f 1 5 0 0 a 强迫通风冷却 7 m s 6 m s ，5 8 k v 1 9 0 0 m m x 8 0 0 m m 1 1 3 0 0 m ，1 1 5 0 k g 2 5 电力机车变流装置结构 同样以s s 8 型电力机车为例，来说明。每台s s 8 型机车的变流装置由一个变 流柜组成，同时向两个转向架的四台牵引电动机供电。变流柜的外形见图2 7 。 图2 7s s 8 型电力机车变流装置 交流柜由骨架、半导体组件、触发脉冲输出部分、塑压构件柱板、保护器件、 母排、控制导线等组成。 变流装置依托型钢骨架，用塑压构架柱板搭接成许多框格，在每个框格内放 置半导体组件。半导体组件置于柜的前后两排，上下有四层、从左到右有七列， 即每柜有5 6 只半导体组件。 1 2 e 宝宝堑厶竺主些亟堂位监塞生左赳j ：变速筮篁! ：缝匾堡 半导体组件两端有t 型安装托板，t 型板上套以橡胶减振垫后推入安装框格 内。外面用面板压紧固定。拆换半导体器件时只要卸去面板固定螺钉，解开联线 即可抽出半导体组件。 面板的作用有三：一是用做组件与框格的固定；二是与柜体围成冷却风的通 道；三是装半导体器件的r c 保护模块。组件面板分晶闸管面板与整流管面板。两 者不同之处是晶闸管面板上装有触发晶闸管用的脉冲输出模块。 汇流母排有两种出线方式。交流母排全部是从下到上汇集柜顶从左侧出线； 直流母排除1 、2 号线与交流一样从柜顶左侧出线外，其余在柜子的两侧下部由电 缆线引出。 在柜顶右侧有三个2 0 芯压接式插座，接受来自微机控制柜的信号，分别去控 制供电给前、后转向架各半控桥臂的晶闸管和牵引电动机磁场削弱分路晶闸管。 2 6 变流装置的冷却通风 为了把半导体器件工作是产生的几十千瓦损耗所产生的热量及时带走，以使 半导体器件的结温不超过允许值，就必须对变流装置进行强迫通风冷却。 s s 8 机车交流装置采用独立通风方式。同组合通风方式相比，具有通风阻力 小。风速分布均匀等优点。工作时冷却风从车体两侧百叶窗吸入，由变流装置顶 部前后两个风道进入柜内。冷却风从上向下经过四层散热器冷却片，带走半导体 器件工作时产生的热量，再由装在变流装置下部风柜内的轴流通风机把热风向下 排出车体。 s s 8 机车变流装置使用3 台轴流通风机并联工作，每台风机的风量为2 m 3 s 。 变流装置顶部进口平均冷却风速不小于7 m s ，最低点风速不小于6 m s 。 2 7 变流装置传统试验方法 变流装置的试验分为例行试验和型式试验。型式试验是指设计产品制成后， 以及老产品在设计、材料上作了重大改变后，或者是对批量生产的产品做定期抽 查所进行的全面试验。例行试验则是每个产品制成出厂前、或者机车中修变流装 置解体并重新组装后必须进行的试验。这里仅阐述变流装置的例行试验项目。 e 峦窑垫厶堂主些亟上：量位监塞生左丑芏銮逾筮董l 往厘堡 2 7 1 一般检查 变流装置金属骨架各焊点是否可靠、表面油漆应涂布均匀电镀件应有光泽、 无锈蚀。紧固件应无短缺、无松动。铭牌、接线端子及线号完整清晰。带电部位 绝缘距离应保证，柜内无异物。 用万用表检查各半导体器件安装极性应正确，换相过电压r c 已经接入且数值 符合要求，各联线均正确无误。 2 7 2 触发脉冲检查试验 变流装置不通电，由微机电子控制柜输入触发脉冲，用电子示波器观察变流 装置内主晶闸管和磁场削弱分路晶闸管门极与阴极间的触发脉冲波形应符合装置 技术条件要求。 2 7 3 均流试验 在低压大电流情况下，检查各桥臂并联支路电流分配情况应满足出厂均流系 数不小于0 9 的要求。均流系数k i 按下式计算： e l = ( i l + i z ) 2 i o 9 式中k i 桥臂均流系数； i 、i 广并联支路电流( a ) ； i 广并联支路中的最大电流( a ) 。 在变流装置的直流输出端用分流器短接或接一个低阻值电流负载。试验设备 为单相调压器和大电流变压器以及与变流装置配套的风柜。试验在规定的冷却通 风条件下进行。试验时每个串联桥臂分别通过额定电流( s s 8 机车为1 9 4 0 a ) 和最 大电流( s s 8 机车为2 9 1 0 a ) ，测量各桥臂并联支路电流，按上述公式计算其均流 系数。 试验时应注意额定电流应通电1 5 m i n 以后才进行测量。最大电流为机车起动 电流，变流装置在规定冷却通风条件下只允许通电5 m i n ，即接通电后连同测量必 须在5 m ir l 内完成。 1 4 e 瘟塞适厶堂童些亟l 堂位迨塞坐左趣芏变速煞重l 庄厘堡 2 7 4 轻电压试验 轻电压试验是在施加相应于最高网压的阀侧电压，负载为小电流情况下检查 变流装置在正常工作电压下的工作能力。 试验电路同均流试验。变流装置应由可给每段桥供给7 5 0 v 的单相变压器供 电。负载r 应保证桥臂各晶闸管一旦导通后能继续导通，即通过r 的电流应大于 各晶闸管的维持电流，约为3 5 a 左右。 试验时由微机电子控制柜向变流装置输出触发脉冲检查各晶闸管是否全部 导通，并进行相控调节，同时用示波器观察输出电压波形。检查装置的静态控制 性能。 2 7 5 绝缘强度试验 绝缘强度试验是为检查电流装置带电部分对地的绝缘性能。施加工频交流电 压5 8 k v 、l m i n 应无击穿和闪烙现象发生。 e 巫窑堑厶堂主些亟! ：! ；兰位迨塞拴型丕统缝鲑生堕睦盐 3 检测系统硬件电路设计 3 1 系统主要设计功能、技术参数及构成 机车运用过程中，变流装置经常处于高电压、大电流的工作状态下，此时晶闸 管处于全导通或大部分导通的状态。要模拟机车运行环境，也需使变流装置处于高电 压、大电流的工作状态，必须为变流装置提供足够大容量的试验电源。 3 1 1 系统构成 电力机车变流装置动态检测系统主要由负荷试验、高压试验及计算机控制及数 据处理等三部分构成，系统电源容量为i o o k v a 。 ( 1 ) 负荷试验部分主要由交流电源柜、接触器控制柜、负载柜、电子控制系统等 构成。 ( 2 ) 高压试验部分主要由电器控制柜、风冷负载电阻、电子控制系统等构成。 ( 3 ) 计算机控制及数据处理部分主要完成系统控制及试验数据的采集和处理功 能。 3 1 2 主要功能 进行负荷试验时，在地面电源容量允许的情况下，变流装置的导通角能够从0 1 6 5 。连续可调。 负荷试验时，一次完成变流装置接线，自动完成三段桥的自动转换，减轻工人 的劳动强度。 为保证试验安全，进行负荷试验时，变流装置的负载可以从额定负载的2 5 ，5 0 ， 7 5 ，1 0 0 ，1 5 0 变换，每种负载状态下，变流装置的导通角能够从o 1 6 59 连续可 调。 负荷试验时，采集整流桥臂各元件的电流有效值进入计算机，自动计算均流系 数，具有保存、打印试验数据等功能。 系统具有过流、缺水、定时等保护功能，确保设备安全。 进行高压试验时，通过电动调压器能够改变变流装置阀侧输入电压，三段桥能 够独立调节，以平均值和峰值的形式显示变流装置的输出电压。 e 豆窑垣厶主主些亟土：量位盈塞拴型丕缝堡盟：生蹬超让 3 1 3 主要技术参数 负荷试验部分主要技术参数： ( 1 ) 试验装置额定输出电流i d n ( 跚s ) ：1 9 4 0 a ； ( 2 ) 过载试验输出电流i d m ( r m s ) ：2 9 1 0 a ( i 5 倍的额定输出电流) ； ( 3 ) 试验时问设定范围：9 9 分5 9 秒倒计时； ( 4 ) 负载设定：额定负载的2 5 ，5 0 ，7 5 ，1 0 0 ，1 5 0 可调； ( 5 ) 三段桥转换：通过电气线路自动切换； ( 6 ) 触发脉冲：2 3 5 l d l z ，脉冲串宽度3 m s ； ( 7 ) 导通角调节范围：o - 1 6 5 0 连续可调； ( 8 ) 电参数显示：阀侧电压，输出电压，输出平均值电流，输出有效值电流，导 通角度： ( 9 ) 均流状态：计算机计算均流系统，在微机上以数字表头形式显示均流系数。 高压试验部分主要技术参数： ( 1 ) 输出电压：一段桥阀侧正、反向峰值电压o 一1 4 1 4 x1 0 0 0 v ，二、三段桥0 1 4 1 4 x5 0 0 v ，输出电压最大值2 8 0 0 v ，电流5 ，5 a 。 ( 2 ) 触发脉冲：2 3 5 k h z 。脉冲串宽度3 m s ； ( 3 ) 导通角调节范围：三段桥独立控制，每段桥导通角o - 1 6 5 0 连续可调； ( 4 ) 电参数显示：输入电压，输出平均值电压，输出峰值电压； 3 2 负荷试验部分 负荷试验装置主要由交流电源柜、接触器控制柜、负荷柜、电子控制系统等部 分构成，总体结构框图见图3 1 所示。 交流电源柜主要由自动空气开关、电源变压器、主回路接触器、通风机接触器 构成。主要向被试变流装置提供单相交流电源，控制主回路通断，控制变流柜冷却风 机的启停，控制水冷负载水泵的启停。 接触器控制柜主要由5 个接触器构成，完成被试变流装置的三段桥自动切换。 负荷柜主要由水冷负载电阻、流量计、水压表、电子开关、电流传感器组成， 完成水冷负载冷却水的流量、压力测量：完成输出电流的测量，以有效值、平均值的 7 e 峦銮垣厶：兰主业亟堂位建塞捡捌丕丝鲤址坐蹬邀盐 方式显示测量结果；完成负载状态切换。 电子控制系统采用全新的大规模集成电路构成，具有控制简单、性能稳定、调 节灵活的特点，电子开关分级投切负载在确保被测试变流柜的晶闸管处于全导通状 态下，检测变流柜从0 2 5 1 r5 倍不同负载条件下的均流性能。 电子控制系统具有供水、供风、过流保护功能，系统具有定时功能，设定时间 到后，系统自动封锁触发脉冲。试验数据进入计算机，自动计算均流系数并形成测试 报告。 8 e 立銮道厶= ：i 兰生些亟堂位论塞丝倒丕丝鲤仕出壁超过 图3 1 负荷试验部分总体结构框图 1 9 e 瘟銮垣厶堂主些亟堂位丝塞捡捌丕丝鲤! l ：生路毽让 3 2 1 三段桥转换电路 如图3 2 所示。通过操纵台控制j a 2 ，j x 2 ，j a l ，j b l ，j x l 接触器的碍失电状 态，即可完成三段桥的转换。接触器j a 2 ，j x 2 闭合，测试a 2 x 2 整流桥；接触器j a l ， j x l 闭合，测试a l x i 整流桥；接触器j a l ，j b t 闭合，测试a l b l 整流桥。 1 a c 3 8 0 v i o o k v a j 气 电源 变压 且1 a c 6 0 v a l 被 1 0 0 k v a 兰! n - 霎 j 1 么 x l 流 竺么 a z 茎 ! ：! 以 x 2 图3 2 变流装置三段桥转换电路 3 2 2 负载状态转换电路 如图3 3 所示，通过接通、切断电子开关的触发脉冲，即可完成负载状态的转 换。接通v l 触发脉冲，负载为额定负载的2 5 ；接通v 1 、v 2 触发脉冲，负载为额定 负载的5 0 ；接通v 1 ，v 2 ，v 3 触发脉冲，负载为额定负载的7 5 ：接通v 1 ，v 2 ，v 3 ， v 4 触发脉冲，负载为额定负载；接通v 1 ，v 2 ，v 3 ，v 4 触发脉冲，同时闭合过载接触 器j g ，j 9 2 ，j 9 3 ，j 9 4 ，负载为额定负载的1 5 0 。其中v l v 4 晶闸管选用的型号为 k p a l 3 0 0 - 2 8 ，与机车变流装置的主晶闸管型号一致。 2 0 宝宝迪厶堂主些亟兰i 兰位逾塞丝趔丞丝鲤到：生墅毽让 a 1 放 b l 叭f 通- 3 e3蛀e3 测 变 流 1 l 装 置 a 2 x 2 图3 3 变流装置试验负载转换电路 电子开关实际上是一个晶闸管脉冲触发电路，由操纵台面板的相应按钮( 或计 算机触摸屏上的控制按钮) 开关产生一个高电平信号，其上升沿触发一个单稳态电路 ( 由7 4 h c 4 5 3 8 组成) ，产生一个时间宽度为4 m s 的振荡脉冲，再经脉冲放大电路及脉 冲变压器输出给晶闸管门极，触发相应晶闸管导通。 7 4 h c 4 5 3 8 是高速c o m s 双单稳态集成电路，其内部框图、引脚图如图3 4 所示， 逻辑关系如表3 1 所示。 i t il 1 t 22 i c d3 l a4 1 b5 l q6 l o7 g 帅8 1 6v c c 1 52 t 1 1 42 t 2 1 32 c d 1 22 a 1 12 b l o2 0 92 q ( 4 ) 叮妒( 5 ) ( 3 ) ( i ) r c ( 己) r c ( 1 己) ( 1 1 ) al y 沙 ( 1 3 ) ( 1 5 ) r c ( 1 4 ) r x c x 图3 4 集成电路7 4 h c 4 5 3 8 内部框图及引脚图 2 1 0 1 口 1 0 l 口 n 厄面m m 扑疽一助m e 瘟窑丝厶堂主些亟堂位监塞捡趔丞丝鲤仕! b 隆毽让 集成电路7 4 h c 4 5 3 8 逻辑关系 表3 1 输入in p u t输山o u p u t a 注释n o t e bc d q q 币一 hh n 1 j 一 输出有效 0 u t p u te n a b l e 稳定状态 xlhl hin h ib i t hx hlh 稳定状态 i n h ib i t l 山 h 厂1 j - 输出有效 0 u t p u te n b l e 复位 xxl l h r e s e t 电子开关脉冲形成电路如图3 5 所示。其中u 为控制信号，当封锁信号u 。为高 电平时，u 的上升沿触发单稳态电路a 2 2 1 、a 2 2 2 。使a 2 2 - i 的6 脚产生一个宽度 为t ，的正脉冲，a 2 2 - 2 的9 脚产生一个宽度为t ：的负脉冲。 t 。、t ：的时间分别为： t = 0 6 9 ( r 4 6 1 + r 4 6 2 ) c 1 8 8 1 n 2 4 m s ； t ：= o 6 9 ( r 4 7 2 c 1 9 8 i n 2 ) 4 0l - ts 。 在t ：负脉冲期间，a 8 输出为“i ”态。a l l 一3 的上升沿触发单稳电路a 6 6 - 1 ，使 a 6 6 的7 脚产生脉冲宽度为t 。负脉冲，这时与非门a 8 的输入一直是高电平，因此a 8 的输出p 为低电平。t 。一结束，a 6 6 1 的7 脚变为“1 ”态，该上升沿触发单稳态电 路a 6 6 2 ，使a 6 6 2 的9 脚产生宽度为t 的负脉冲，因此这段时间内p 点又是高电 平，同时a 6 6 2 的输出又将a l l - 3 的输出置“0 ”。t 结束之后，a 6 6 - i 、a 6 6 - 2 又重 复上述过程，这一循环一直持续到4 m s 结束之后，a 2 2 - 1 的6 脚输出为“0 ”才结束。 在a 6 6 1 、a 6 6 2 单稳电路中r c 参数完全相同，其输出脉冲时间宽度也相同， 即t 产o 6 9 ( r 4 6 4 c 1 9 1 i n 2 ) = t4 - o 6 9 ( r 4 6 6 c 1 9 2 i n 2 ) 2 2 i ls 。 由上述可知，a 8 的输出( p ) 脉冲列由第一个脉宽4 0 ps ，后续脉宽为2 2 us ， 重复周期为4 4us 的短脉冲组成，脉冲列总宽度为4 m s 。电路图3 5 中各点信号波形 如图3 6 所示。 该脉冲列经脉冲放大及输出电路( 该电路同本章节3 ，2 5 所述) ，触发v i v 4 ， 从而调节变流装置的输出负载。 弓 簪脚餐碘是鸶水土f忡删9-匝 e 壅至迪厶堂主些亟：芏位盗塞趁趔丕筮鲤i ：出路毽盐 a 2 2 第9 脚 a 2 2 第6 脚 a 6 6 第7 脚 a 6 6 第9 脚 a 8 第6 脚 触发脉冲列 i 丁z n o 占 h i 图3 6 触发脉冲列形成电路波形 3 2 3 负载电流测量处理电路 ( 1 ) 电流传感器 负载电流采用4 只t q g 6 b 型霍尔元件的磁场平衡式电流传感器( 铁路专用产品) 检测， 具有良好的电隔离性能，分别串联在四个负载电流支路中。主要技术参数如下： 额定测量电流i 。1 0 0 0 a 二次侧输出测量电流2 0 0 m a i 1 0 0 0 a 过载能力m m t bo 1 8 0 0 a ，5 m i n h 些巫至适厶堂主些亟上堂位论塞捡麴丕丝鲤继生路邀丑： 准确度i 1 、 工作温度范围一2 5 + 7 0 无输入电流时的偏移电流0 2 5 m a ( 2 0 ) 电源+ 2 4 v 一2 4 v 外形尺寸2 3 0 1 3 2 1 5 3 ，5 m 穿心母线长2 4 0 唧n 重量3 k g 。 t q g 6 b 型电流传感器的接线示意图如图3 7 所示。当被测电流为直流电流，穿心母线 中被测电流i ，方向与传感器标志箭头方向一致时，n - - 次侧测量电流i 。方向如图3 7 所示。 当i ，方向改变时，i ；方向将跟随i ，方向变化。测量电阻r 。为精密电阻，取值5 q 。负载支 路电流为1 0 0 0 a 时，传感器输出2 0 0 m a ，测量电阻r 。上产生电压降为1 v 。 匡。口