UPS校準方法研究

王 兵 印朝輝 張鵬程 李元芳

(1.北京航天計量測試技術研究所,北京 100076；2.中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

1 引 言

UPS( 不間斷電源)是一種含有儲能裝置，以整流器、逆變器為主要組成部分，不會因短暫停電中斷，可以持續(xù)不間斷提供高品質電源、能夠有效保護儀器設備的正常供電，確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。目前UPS在產品的生產、試驗、測試等活動中廣泛的使用，可以有效地防止電網突然斷電造成數據丟失、設備壽命縮短、損壞等損失，提升供電質量，確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。UPS能夠保證設備在遭遇突然斷電時還能正常工作一段時間，為采取保存數據、完成測試流程等減少損失的措施爭取了時間。因而，UPS在運載火箭、衛(wèi)星、導彈等國防軍工型號產品的各種測試設備中大量使用,在型號地面測試中具有不可替代的作用。目前相關計量測試人員校準 UPS時多參考交流電源校準規(guī)范[1]。但 UPS 與普通交流電源不管在用途還是原理以及結構上都有著諸多不同。因此，開展UPS校準方法的研究，對保障國防軍工型號用UPS的量值準確性和質量可靠性具有重要的現實意義。

2 術語與定義

2.1 轉換點

UPS在額定條件下運行，由交流供電電壓下降到轉換至蓄電池供電的電壓值。

2.2 轉換時間

UPS在額定條件下運行，由交流供電電壓下降到轉換至蓄電池供電的時間。

2.3 備用時間

在規(guī)定的負載條件下，由蓄電池供電的時間。

3 UPS的工作原理與分類

UPS輸入端為交流電源，輸出端為用電設備，內部有大容量電池。在外部交流電源斷開時，使用內部大容量電池，從而能夠保證設備在遭遇突然斷電時還能正常工作一段時間。UPS的型號多種多樣，但原理和主要功能基本相同[2～4]。UPS主要由四部分組成：整流、儲能、變換和開關控制。目前，最常用的UPS典型結構如圖1所示。

目前最常用的是輸出為交流的UPS(簡稱交流UPS)。從工作原理上主要分為后備式、在線式和在線互動式三類。后備式UPS在試點正常時直接由市電供電，當市電超出其工作范圍或停電時通過轉換開關轉為電池逆變供電。在線式UPS在市電正常時，由市電整流提供直流電壓給逆變器工作，有逆變器向負載提供交流電，在市電異常時，逆變器由電池提供能量，逆變器始終處于工作狀態(tài)，保證無間斷輸出。在線互動式UPS在市電正常時直接由市電向負載供電，當市電輸出偏低或偏高時，通過UPS內部穩(wěn)壓線路穩(wěn)壓后輸出，當市電異?；蛲ｋ姇r，通過轉換開關轉為電池逆變供電。

UPS從輸入相數上可分為單相UPS和三相UPS。

4 UPS的主要校準項目及方法

根據對 UPS 結構和工作原理的分析以及相應技術指標的要求， 參照相關的國軍標[5]和交流電源校準規(guī)范等標準，結合型號對UPS性能指標的具體要求，本文主要選取以下幾個項目完成對 UPS的校準: 電源電壓調整率、負載調整率、指示表示值誤差、失真度、頻率誤差、效率、輸出電壓短期穩(wěn)定性、轉換時間、電池供電輸出電壓準確度、備用時間。

4.1 電源電壓調整率

該指標用于判斷外部電網供電電壓波動時UPS的輸出電壓是否能夠滿足技術指標要求。校準電路連接原理框圖如圖2所示。

給UPS 輸入端接入調壓器，使UPS滿載和輕載(調節(jié)負載RL，讀取交流電流表A2的值，使其值大于被校UPS額定電流的90%)兩種工作狀態(tài)，通過調壓器改變輸入 UPS的供電電壓分別為正常電壓220V及90%和110%供電電壓上下限，由交流電壓表分別測量 UPS 在三種供電電壓情況下的輸出電壓值。分別按公式(1)計算Svx和Svy，按公式(2)取兩者的最大值作為電源電壓調整率Sv。對于三相UPS，應在加載三路負載的狀態(tài)下，按類似的步驟同時對A、B、C三相進行測量。

(1)

Sv=max(Svx,Svy)

(2)

式中：Svi——滿載或輕載時的電源電壓調整率，i=x或y；U242i——滿載或輕載時，當調壓器輸出為242V時的UPS輸出電壓，i=x或y；U198i——滿載或輕載時，當調壓器輸出為198V時的UPS輸出電壓，i=x或y；U220i——滿載或輕載時，當調壓器輸出為220V時的UPS輸出電壓，i=x或y。

4.2 負載調整率

該指標用于判斷UPS帶負載能力是否能夠滿足技術指標要求。校準電路連接原理框圖如圖2所示。調節(jié)交流調壓器，使UPS的供電電壓為220V，再調節(jié)負載使其處于滿載和空載兩種工作狀態(tài)下，由交流數字電壓表分別測出其輸出電壓；負載調整率SL按公式(3)計算。對于三相UPS，應在加載三路負載的狀態(tài)下，同時對A、B、C三相進行測量。

(3)

式中：SL——負載調整率；Um——滿載時，UPS輸出電壓；Un——空載時，UPS輸出電壓。

4.3 指示表示值誤差

該指標用于判斷UPS的指示表是否正常工作。校準電路連接原理框圖如圖2所示。調節(jié)交流調壓器，使UPS的供電電壓為220V，再調節(jié)負載使其處于滿載工作狀態(tài)下，由交流數字電壓表電流表分別測出其輸出電壓電流與UPS上的電壓表及電流表進行對比。對于三相UPS，應在加載三路負載的狀態(tài)下同時對A、B、C三相進行測量。

4.4 失真度

該指標用于判斷UPS的輸出電壓諧波失真是否滿足技術指標要求。校準電路連接原理框圖如圖3所示。調節(jié)交流調壓器，使UPS的供電電壓為220V，再調節(jié)負載使其處于滿載工作狀態(tài)下，用失真度測量儀測量UPS的失真度；然后關閉交流調壓器，使被校UPS切換至電池供電，再次測量UPS(電池供電)失真度；對于三相UPS，應在加載三路負載的狀態(tài)下，同時對A、B、C三相進行測量。

4.5 頻率誤差

該指標用于判斷UPS的輸出電壓頻率是否滿足技術指標要求。校準電路連接原理框圖如圖4所示。調節(jié)交流調壓器，使UPS的供電電壓為220V，再調節(jié)負載使其處于滿載工作狀態(tài)下，用頻率計測量UPS輸出電壓的頻率；然后關閉交流調壓器，使被校UPS切換至電池供電，再次測量UPS(電池供電)輸出電壓的頻率；對于三相UPS，應在加載三路負載的狀態(tài)下，同時對A、B、C三相進行測量。

4.6 效率

該指標用于判斷UPS的輸出電壓頻率是否滿足技術指標要求。校準電路連接原理框圖如圖5所示。調節(jié)交流調壓器，使UPS的供電電壓為220V，再調節(jié)負載使其處于最大功率狀態(tài)下，用功率計測量UPS的輸入輸出功率；效率η按公式(4)計算。

(4)

4.7 輸出電壓短期穩(wěn)定性

該指標用于判斷UPS的輸出電壓在1小時內的漂移是否滿足技術指標要求。校準電路連接原理框圖如圖2所示。調節(jié)交流調壓器，使UPS的供電電壓為220V，再調節(jié)負載使其處于滿載狀態(tài)下，在1h內用交流數字電壓表測量UPS的輸出電壓不少于6次，取6次測量值的最大變化值ΔU；輸出被校UPS的輸出電壓短期穩(wěn)定度S按公式(5)計算。對于三相UPS，應在加載三路負載的狀態(tài)下，按a)～d)步驟同時對A、B、C三相進行測量。

S=(ΔU/U0)×100%

(5)

4.8 轉換時間

該指標用于判斷UPS的轉換時間是否滿足技術指標要求。校準電路連接原理框圖如圖6所示。調節(jié)交流調壓器，使UPS的供電電壓為220V，再調節(jié)負載使其處于滿載狀態(tài)下，關閉交流調壓器，使被校UPS切換至電池供電，用示波器測量電源輸出波形變化，根據波形的跳變邊沿計算轉換時間；對于三相UPS，應在加載三路負載的狀態(tài)下，同時對A、B、C三相進行測量。

4.9 電池供電時輸出電壓準確度

該指標用于判斷UPS在電池供電時其輸出電壓準確度是否滿足技術指標要求。校準電路連接原理框圖如圖2所示。調節(jié)交流調壓器，使UPS的供電電壓為220V，再調節(jié)負載使其處于滿載狀態(tài)下，關閉交流調壓器，使被校UPS切換至電池供電，用交流電壓表測量電源輸出電壓；對于三相UPS，應在加載三路負載的狀態(tài)下，同時對A、B、C三相進行測量。

4.10 備用時間

該指標用于判斷UPS在電池供電時其最大的備用時間是否滿足技術指標要求。校準電路連接原理框圖如圖2所示。調節(jié)交流調壓器，使UPS的供電電壓為220V，再調節(jié)負載使其處于滿載狀態(tài)下，關閉交流調壓器，使被校UPS切換至電池供電，用交流電壓表測量電源輸出電壓，在切換的同時使用秒表開始計時，直到被校UPS輸出斷電為止，秒表讀數即為備用時間；對于三相UPS，應在加載三路負載的狀態(tài)下，同時對A、B、C三相進行測量。

5 測量不確定度評定

5.1 測量模型

UPS輸出值的各參數測量均采用直接測量法，按公式(6)計算。

Y=X

(6)

式中：Y——標準表的示值；X——UPS的輸出值。

5.2 測量不確定度

UPS的校準項目較多，但其對各參數的測量基本均為直接測量法，各校準項目的測量不確定度評定方式較為類似。本文選取具有典型代表性的電源電壓調整率項目來對測量不確定度評定的過程進行說明。選用的標準交流數字電壓表的指標為ACV：(1～750)V，(10Hz～10kHz)；最大允許誤差：±0.1%。

5.2.1 測量不確定度的主要來源

測量不確定度主要來源如下：

a)標準電壓表的準確度引入的不確定度uB1；

b)標準電壓表的分辨力引入的不確定度uB2；

c)電源輸出電壓測量重復性引入的不確定度uA1。

5.2.2 測量不確定度分析

5.2.2.1 標準電壓表測量誤差引入的不確定度uB1

(7)

5.2.2.2 標準電壓表分辨力引入的不確定度uB2

(8)

5.2.2.3 電源輸出電壓測量重復性引入的不確定度uA1

考慮測量結果不確定度的分布率，電源輸出電壓測量重復性引入的不確定度uA1，按JJF 1059.1的規(guī)定，該項不確定度采用A類評定。對電源輸出電壓進行重復測量n次，此項不確定度分量uA1相對值按公式(9)計算。

(9)

對UPS輸出電壓的10次獨立校準結果如表1所示。

表1 UPS輸出電壓測量數據Table1 Measurement data of UPS output voltage V

經計算可知，uA1≈0.04%。

5.2.3 合成標準不確定度

uB1、uB2、uA1三分量互不相關，則電源電壓調整率的相對合成標準不確定度按公式(10)計算。

(10)

5.2.4 擴展不確定度

取包含因子k=2，相對擴展不確定度的置信概率約為95%，則相對擴展不確定度按公式(11)計算。

U=kuc=0.18%

(11)

經過采用傳遞比較法進行驗證，UPS電壓調整校準結果測量不確定度評定滿足使用要求。

6 結束語

通過以上校準方法可較為全面地反應出UPS的性能指標，為其可靠溯源提供可靠的技術依據。目前該方法已成為中國運載火箭技術研究院院級標準，直接服務于型號任務的計量保障工作。標準的實施可以規(guī)范型號用UPS的校準與溯源方法，保證UPS量值統(tǒng)一、準確、可靠，進而保證型號質量與型號飛行試驗和大型地面試驗任務的順利進行，同時，民用領域中使用的UPS也可以參照此規(guī)范進行校準，具有較高的推廣應用價值。

[1] QJ3233-2005《交流穩(wěn)壓電源穩(wěn)態(tài)特性校準規(guī)范》.

[2] 屈國輝. UPS的種類、 原理及使用[J].冶金動力，2004(2)：68～70.

[3] 王奇.型號試驗用 UPS 故障診斷與對策[J].航天器環(huán)境工程,2009,26(1)：73～76.

[4] 黃金霖.UPS 電源電氣測試技術與性能分析研究[D].江西理工大學.2013.4.

[5] GJB2274-95《軍用信息技術設備不間斷電源通用規(guī)范》.

[6] JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》.