和諧大功率交流機(jī)車電壓電流傳感器自動檢定裝置的研究

廣東白云學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院 周寶玲 柳貴東

軌道交通是一個(gè)比較龐大的領(lǐng)域，近年來，隨著進(jìn)口機(jī)車技術(shù)的引進(jìn)，和諧大功率交流機(jī)車逐步替代國產(chǎn)內(nèi)燃、電力機(jī)車。由于和諧大功率交流機(jī)車上線運(yùn)行時(shí)間短，目前在機(jī)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(jī)車的重要檢測器件，用來檢測機(jī)車變流器等關(guān)鍵部件電壓電流，并進(jìn)行反饋，從而對機(jī)車進(jìn)行控制。電壓電流傳感器的好壞，直接關(guān)系著行車的安全，因此，電壓電流傳感器必須定時(shí)進(jìn)行檢修。

由于和諧大功率交流機(jī)車應(yīng)用時(shí)間短，到目前為止，只有部分機(jī)務(wù)段采購了一些檢測設(shè)備，但是檢測內(nèi)容簡單，只是簡單測量一下幾個(gè)測試點(diǎn)，并不能全面檢測整個(gè)量程的任意值，另一方面，兼容性不強(qiáng)，只能適用于很少車型；另外，對于傳感器的零點(diǎn)也沒有進(jìn)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(jī)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(jī)車；（2）對電壓電流傳感器器零點(diǎn)進(jìn)行檢測；（3）對電壓電流傳感器量程范圍內(nèi)的任意點(diǎn)線性度及誤差進(jìn)行檢測。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

和諧大功率交流機(jī)車檢修工藝要求測試電壓電流傳感器器零點(diǎn)，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(jī)車的檢修工藝，針對和諧大功率交流機(jī)車電壓電流傳感器的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了和諧大功率交流機(jī)車電壓電流傳感器自動檢定裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)電壓電流傳感器零點(diǎn)的檢測、能夠?qū)崿F(xiàn)電壓電流傳感器線性度及誤差的檢測。本設(shè)計(jì)包括軟件和硬件兩部分。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

為了檢測電壓電流傳感器的零點(diǎn)及線性度和誤差，設(shè)計(jì)了和諧大功率交流機(jī)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(guān)電源、信號采集系統(tǒng)及工控機(jī)，如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)圖

（1）大電流源

大電流源為被試電流傳感器的試驗(yàn)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(nèi)部經(jīng)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(diào)節(jié)或DC0-5V控制。如果對被試電流傳感器進(jìn)行手動測試時(shí)，采用電位器調(diào)節(jié)大電流源輸出，如果對被試電流傳感器進(jìn)行自動測試時(shí)，則采用K824板卡控制大電流源輸出，DC0-5V對應(yīng)DC0-3500A輸出。

（2）高壓模塊

高壓模塊為被試電壓傳感器的試驗(yàn)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(nèi)部先將DC24V逆變?yōu)榻涣麟妷海賹⒔涣麟娚龎海詈髮⒔涣麟妷恨D(zhuǎn)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(diào)節(jié)或DC0-5V控制。如果對被試電壓傳感器進(jìn)行手動測試時(shí)，采用電位器調(diào)節(jié)高壓模塊輸出，如果對被試電壓傳感器進(jìn)行自動測試時(shí)，則采用K824板卡控制高壓模塊的輸出，DC0-5V對應(yīng)DC0-4000V輸出。

（3）開關(guān)電源

開關(guān)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(jì)算機(jī)軟件自動控制。

（5）模擬量采集卡

信號采集系統(tǒng)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(zhuǎn)化為DC0-5V電壓信號送入模擬量采集卡K810A，最后送入計(jì)算機(jī)。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

為了滿足和諧大功率檢修工藝的要求，該試驗(yàn)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(tǒng)參數(shù)初始化；

第2步，預(yù)先輸入各種型號的傳感器參數(shù)，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(shí)輸入，輸入之后，自動保存在軟件當(dāng)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(jìn)行調(diào)節(jié)，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(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)電壓源或電流源標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)根據(jù)檢測到的傳感器輸出值與預(yù)先輸入好的傳感器參數(shù)值自動轉(zhuǎn)換為傳感器測量值，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，通過標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，軟件自動繪制測試曲線。

第7步，取不同測量點(diǎn)的最大誤差值作為傳感器的測量精度，再與傳感器標(biāo)準(zhǔn)精度進(jìn)行比較，同時(shí)通過測試曲線，判斷線性度，與理論值進(jìn)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(jié)束試驗(yàn)，如果不合格，將重復(fù)上面的步驟重新進(jìn)行試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證和諧大功率交流機(jī)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(jī)務(wù)段進(jìn)行了為期6個(gè)月的測試。為了滿足和諧大功率機(jī)車電壓電流傳感器的C4、C5級修程，選用了HXD3車型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為電壓傳感器線性度測試、電流傳感器線性度測試。

實(shí)驗(yàn)1：電流傳感器線性度測試

對DC1000A電流傳感器進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)備就緒，開始試驗(yàn)。

測試方式有兩種：一種是手動測試，通過電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)大電流源的輸出值。在0-1000A量程范圍內(nèi)任意點(diǎn)（包括零點(diǎn)）均可以測量，標(biāo)準(zhǔn)值和測量值在界面以表格形式顯示，同時(shí)實(shí)時(shí)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(jié)：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(shí)驗(yàn)2：電壓傳感器線性度測試

對DC2000V電壓傳感器進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)備就緒，開始試驗(yàn)。

測試方式有兩種：一種是手動測試，通過電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)高壓模塊的輸出值。在DC0-2000V量程范圍內(nèi)任意點(diǎn)（包括零點(diǎn)）均可以測量，標(biāo)準(zhǔn)值和測量值在界面以表格形式顯示，同時(shí)實(shí)時(shí)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(jié)：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(jié)論：該試驗(yàn)裝置于2020年在豐潤機(jī)務(wù)段進(jìn)行為期6個(gè)月的測試，測試結(jié)果顯示：所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置性能穩(wěn)定，操作簡單，具有良好的通用性及擴(kuò)展性。該試驗(yàn)裝置目前已經(jīng)在北京鐵路局、上海鐵路局、成都鐵路局等多個(gè)機(jī)務(wù)段推廣應(yīng)用。