和諧大功率交流機車電壓電流傳感器自動檢定裝置的研究

廣東白云學院電氣與信息工程學院 周寶玲 柳貴東

軌道交通是一個比較龐大的領域，近年來，隨著進口機車技術的引進，和諧大功率交流機車逐步替代國產內燃、電力機車。由于和諧大功率交流機車上線運行時間短，目前在機車檢修方面還處于初期階段，還沒有成熟的檢修工藝。

電壓電流傳感器是機車的重要檢測器件，用來檢測機車變流器等關鍵部件電壓電流，并進行反饋，從而對機車進行控制。電壓電流傳感器的好壞，直接關系著行車的安全，因此，電壓電流傳感器必須定時進行檢修。

由于和諧大功率交流機車應用時間短，到目前為止，只有部分機務段采購了一些檢測設備，但是檢測內容簡單，只是簡單測量一下幾個測試點，并不能全面檢測整個量程的任意值，另一方面，兼容性不強，只能適用于很少車型；另外，對于傳感器的零點也沒有進行檢測。

為了解決以上問題，本文研究了一種和諧大功率交流機車電壓電流傳感器自動檢定裝置，該裝置具備如下功能：（1）適用目前所有和諧大功率交流機車；（2）對電壓電流傳感器器零點進行檢測；（3）對電壓電流傳感器量程范圍內的任意點線性度及誤差進行檢測。

1 系統設計

和諧大功率交流機車檢修工藝要求測試電壓電流傳感器器零點，要求測試電壓電流傳感器線性度及誤差。為了滿足和諧大功率交流機車的檢修工藝，針對和諧大功率交流機車電壓電流傳感器的特點，設計了和諧大功率交流機車電壓電流傳感器自動檢定裝置，該裝置能夠實現電壓電流傳感器零點的檢測、能夠實現電壓電流傳感器線性度及誤差的檢測。本設計包括軟件和硬件兩部分。

1.1 硬件設計

為了檢測電壓電流傳感器的零點及線性度和誤差，設計了和諧大功率交流機車電壓電流傳感器自動檢定裝置，該裝置包括大電流源、高壓模塊、開關電源、信號采集系統及工控機，如圖1所示。

圖1 硬件系統圖

（1）大電流源

大電流源為被試電流傳感器的試驗電源，用來檢測電流傳感器線性度及誤差。被試電流傳感器的最大量程為3000A，該大電流源輸出量程為DC0-3500A，選用的電鍍電源，其工作原理為AC-DC式，即輸入端為3相AC380V，內部經過整流濾波變換之后，輸出DC0-3500A的大電流，輸出控制方式有兩種：電位器調節或DC0-5V控制。如果對被試電流傳感器進行手動測試時，采用電位器調節大電流源輸出，如果對被試電流傳感器進行自動測試時，則采用K824板卡控制大電流源輸出，DC0-5V對應DC0-3500A輸出。

（2）高壓模塊

高壓模塊為被試電壓傳感器的試驗電源，用來檢測電壓傳感器線性度及誤差。被試電壓傳感器的最大量程為4000V，該高壓模塊輸出量程為DC0-4000V，該高壓模塊的測試原理為DC-DC式，即外部輸入DC24V的低電壓，內部先將DC24V逆變為交流電壓，再將交流電升壓，最后將交流電壓轉換為直流電壓，以DC0-4000V的形式輸出，輸出控制方式有兩種：電位器調節或DC0-5V控制。如果對被試電壓傳感器進行手動測試時，采用電位器調節高壓模塊輸出，如果對被試電壓傳感器進行自動測試時，則采用K824板卡控制高壓模塊的輸出，DC0-5V對應DC0-4000V輸出。

（3）開關電源

開關電源用來給被試電壓傳感器或電流傳感器供電，被試電壓傳感器或電流傳感器的供電電壓有兩種，DC±15V或DC±24V，因此該裝置提供了兩種電源：DC±15V、DC±24V。

（4）模擬量輸出卡

DC0-5V控制是由模擬量輸出板卡K824輸出，輸出的電壓值由計算機軟件自動控制。

（5）模擬量采集卡

信號采集系統主要由光電隔離模入接口卡K810A組成，電壓傳感器或電流傳感器輸出電流或電壓信號，將電壓或電流信號均轉化為DC0-5V電壓信號送入模擬量采集卡K810A，最后送入計算機。

1.2 軟件設計

為了滿足和諧大功率檢修工藝的要求，該試驗裝置軟件部分流程如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

第1步，啟動軟件，系統參數初始化；

第2步，預先輸入各種型號的傳感器參數，包括傳感器型號，電壓傳感器還是電流傳感器，傳感器量程，傳感器輸出值信號是電壓還是電流，傳感器輸出量程，傳感器供電電壓、精度等信息；這些信息只有第一次測試時輸入，輸入之后，自動保存在軟件當中，以后不需要再輸入；

第3步，選擇被試件型號；

第4步，選擇測試方式，手動測試還是自動測試，如果是手動測試，電壓源或電流源的輸出將通過電位器進行調節，如果是自動測試，電壓源或電流源的輸出，由軟件控制；

第5步，開始測試；

第6步，界面實時顯示試驗電壓源或電流源標準值，同時根據檢測到的傳感器輸出值與預先輸入好的傳感器參數值自動轉換為傳感器測量值，并與標準值進行比較，通過標準值與被測值的比對，軟件自動顯示升程值、降程值、變差及基本誤差；與此同時，軟件自動繪制測試曲線。

第7步，取不同測量點的最大誤差值作為傳感器的測量精度，再與傳感器標準精度進行比較，同時通過測試曲線，判斷線性度，與理論值進行比較，最后做出傳感器是否合格判斷；

第8步，如果檢測的傳感器合格，將結束試驗，如果不合格，將重復上面的步驟重新進行試驗。

2 實驗驗證

為了驗證和諧大功率交流機車電壓電流傳感器自動檢定裝置性能，于2020年2月在北京鐵路局豐潤機務段進行了為期6個月的測試。為了滿足和諧大功率機車電壓電流傳感器的C4、C5級修程，選用了HXD3車型進行實驗。實驗分為電壓傳感器線性度測試、電流傳感器線性度測試。

實驗1：電流傳感器線性度測試

對DC1000A電流傳感器進行測試，該電流傳感器輸出0-200mA，供電±15V：

首先，通過銅排將電流傳感器與大電流源輸出端相連，大電流源輸出電流通過采集分流器的mV壓降進行采集，將采集的mV電壓送入電壓變送器，變換后送到模擬量采集板卡K810A，電流傳感器輸出電流，通過電流變送器變換后，也送入模擬量采集板卡K810A進行采集；大電流源輸出通過電位器和DC0-5V兩種方式控制；電流傳感器供電±15V；準備就緒，開始試驗。

測試方式有兩種：一種是手動測試，通過電位器進行調節輸出電流DC0-1000A，還有一種是自動測試，靠程序控制模擬量輸出，給大電流源控制端，然后程序自動調節大電流源的輸出值。在0-1000A量程范圍內任意點（包括零點）均可以測量，標準值和測量值在界面以表格形式顯示，同時實時采集，繪制成曲線，如圖3所示。

圖3 電流傳感器測試曲線

小結：該裝置滿足HXD3車型檢修工藝中對電流傳感器的線性度測量精度的要求。

實驗2：電壓傳感器線性度測試

對DC2000V電壓傳感器進行測試，該電壓傳感器輸出0-80mA，供電±15V：

首先，通過測試線將電壓傳感器輸入端與高壓模塊輸出端相連，高壓模塊輸出電壓通電壓變送器進行采集，變換后送到模擬量采集板卡K810A，被試電壓傳感器輸出電流，通過電流變送器變換后，也送入模擬量采集板卡K810A進行采集；高壓模塊的輸出通過電位器和DC0-5V兩種方式控制；電壓傳感器供電±15V；準備就緒，開始試驗。

測試方式有兩種：一種是手動測試，通過電位器進行調節輸出電壓DC0-2000V，還有一種是自動測試，靠程序控制模擬量輸出，給高壓模塊控制端，然后程序自動調節高壓模塊的輸出值。在DC0-2000V量程范圍內任意點（包括零點）均可以測量，標準值和測量值在界面以表格形式顯示，同時實時采集，繪制成曲線，如圖4所示。

圖4 電壓傳感器測試曲線

小結：該裝置滿足HXD3車型檢修工藝中對電壓傳感器的線性度測量精度的要求。

結論：該試驗裝置于2020年在豐潤機務段進行為期6個月的測試，測試結果顯示：所設計的試驗裝置性能穩定，操作簡單，具有良好的通用性及擴展性。該試驗裝置目前已經在北京鐵路局、上海鐵路局、成都鐵路局等多個機務段推廣應用。