高頻開關(guān)電源系統(tǒng)效率測(cè)量的不確定度評(píng)定

王世琦 李勇 李耿 于衛(wèi)東 趙騰飛

摘要：簡(jiǎn)述了高頻開關(guān)電源系統(tǒng)效率測(cè)量的原理和經(jīng)典的測(cè)量方法。針對(duì)該測(cè)量方法和測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)地總結(jié)了該電源系統(tǒng)效率測(cè)量過程中存在的各種誤差修正項(xiàng)和不確定度，同時(shí)給出了各項(xiàng)不確定度的評(píng)定方法。分析計(jì)算得出了高頻開關(guān)電源系統(tǒng)效率測(cè)量過程中存在的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度、合成不確定度和擴(kuò)展不確定度。給出了工程測(cè)試實(shí)例，驗(yàn)證了該電源系統(tǒng)效率測(cè)量的不確定度評(píng)定的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：高頻開關(guān)電源系統(tǒng)；系統(tǒng)效率測(cè)量；標(biāo)準(zhǔn)不確定度；合成不確定度；擴(kuò)展不確定度；不確定度評(píng)定

中圖分類號(hào)：TN86文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2022）23-50-4

0引言

在工業(yè)設(shè)備、電力系統(tǒng)、郵電通信和軍事裝備等行業(yè)，廣泛應(yīng)用著大功率高頻開關(guān)電源，其性能好壞直接關(guān)系到被供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及各項(xiàng)輸出性能。隨著電力電子行業(yè)的快速發(fā)展，高頻開關(guān)電源[1]以其控制靈活、效率高和體積小等特點(diǎn)，占據(jù)了很大的市場(chǎng)份額。隨著高頻開關(guān)電源技術(shù)的飛速發(fā)展，早期的硅整流直流操作電源系統(tǒng)已被高頻開關(guān)直流操作電源系統(tǒng)取代。智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)[2]集控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)于一體，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通信用高頻開關(guān)電源系統(tǒng)采用了先進(jìn)的微處理控制技術(shù)和高頻開關(guān)電源技術(shù)，適用于電力載波、移動(dòng)通信、程控交換機(jī)、光纖通信、微波通信及其他電信通信用于無人值守的電源設(shè)備。

完整的高頻開關(guān)電源系統(tǒng)由交流配電單元、整流模塊、直流配電單元、蓄電池組以及監(jiān)控系統(tǒng)5部分組成。交流配電單元為高頻開關(guān)電源系統(tǒng)提供交流電源；整流模塊將交流電轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的直流電；直流配電單元是該電源系統(tǒng)的直流輸出部分；蓄電池組為電源系統(tǒng)提供存儲(chǔ)的能源；監(jiān)控系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其中包括三相交流供電狀態(tài)、整流模塊的整流、電流、電壓模塊以及蓄電池組等的運(yùn)行狀態(tài)。

高頻開關(guān)電源通常采用大功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)元件，主要目的是實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定、功率因數(shù)矯正以及輸出電流快速精準(zhǔn)控制等，并兼具諧波治理和電磁干擾抑制等功能。評(píng)價(jià)一個(gè)開關(guān)電源系統(tǒng)的主要指標(biāo)是電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，而電源系統(tǒng)效率的測(cè)量不確定度對(duì)結(jié)果影響比較大。電源系統(tǒng)效率是指輸出功率與輸入功率之比，是電源系統(tǒng)無線電計(jì)量的主要參數(shù)之一，用來衡量電源系統(tǒng)的能量利用率和交/直流的轉(zhuǎn)換效率。系統(tǒng)效率顯然與交流輸入有功功率和直流輸出電壓/電流的大小有密切關(guān)系，當(dāng)交流輸入功率恒定時(shí)，直流輸出電壓及電流越大，電源系統(tǒng)效率越高。對(duì)高頻開關(guān)電源系統(tǒng)測(cè)量的不確定度分析具有一定的代表性，因此，有必要對(duì)系統(tǒng)效率測(cè)量進(jìn)行不確定度分析和評(píng)定。

1測(cè)量原理

電源系統(tǒng)效率測(cè)量[3]原理如圖1所示。測(cè)試電流由接入市電的交流穩(wěn)壓可調(diào)電源輸出，經(jīng)數(shù)字功率計(jì)和電流取樣裝置連接到高頻開關(guān)電源系統(tǒng)，并監(jiān)測(cè)輸入端的交流電壓和功率。該系統(tǒng)的輸出端經(jīng)數(shù)字存儲(chǔ)示波器和直流電流測(cè)試裝置連接到可調(diào)節(jié)純阻性負(fù)載上，并監(jiān)測(cè)輸出端的直流電壓和電流。

2建立數(shù)學(xué)模型

標(biāo)準(zhǔn)不確定度是以標(biāo)準(zhǔn)差表示的測(cè)量不確定度，分為2類：

（1）A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度[4-5]評(píng)定是對(duì)在規(guī)定測(cè)量條件下測(cè)得的量值，用統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行測(cè)量不確定度分量的評(píng)定，由一組觀測(cè)得到的頻率分布導(dǎo)出的概率密度函數(shù)得到。重復(fù)測(cè)量引入的不確定度，采用A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定。

（2）B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度[4-5]評(píng)定是用不同于A類不確定度評(píng)定的方法對(duì)測(cè)量不確定度分量進(jìn)行的評(píng)定，由一個(gè)假定的概率密度函數(shù)得到，此函數(shù)基于對(duì)一個(gè)事件發(fā)生的信任程度。

以下2種原因引入的不確定度，采用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定：

①功率分析儀的示值誤差引入的不確定度；

②功率分析儀的分辨力誤差引入的不確定度。

3標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定

被測(cè)系統(tǒng)直流輸出電壓額定值為50 V，50%負(fù)載電流額定值為5 A，系統(tǒng)效率額定值為92.5%，在以上條件下分析被測(cè)系統(tǒng)效率不確定度。

（1）由功率分析儀測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度評(píng)估采用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)不確定度。直流電壓測(cè)量示值如表1所示。

6結(jié)束語

本文針對(duì)高頻開關(guān)電源系統(tǒng)效率測(cè)量的不確定度問題，結(jié)合測(cè)量實(shí)例，對(duì)測(cè)量電源系統(tǒng)的交流輸入功率和直流輸出電壓及電流等誤差來源進(jìn)行了分析，給出了高頻開關(guān)電源系統(tǒng)效率測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定方法，評(píng)估了系統(tǒng)效率測(cè)量的各種不確定度。分析結(jié)果表明，該不確定度評(píng)定方法實(shí)用嚴(yán)謹(jǐn)，分析詳實(shí)全面，評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確度高，具有較高的參考價(jià)值，同時(shí)，也能指導(dǎo)廣大工程技術(shù)人員的測(cè)量工作。

此測(cè)量方法可推廣到各種電源系統(tǒng)[15-22]效率測(cè)量的不確定度評(píng)定中，具有廣泛的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]沈顯慶，張秀，鄭爽，等.開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)[M].南京：東南大學(xué)出版社，2012.

[2] YD/T 1058-2007.通信用高頻開關(guān)電源系統(tǒng)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[3] GB/T18293-2001.電力整流設(shè)備運(yùn)行效率的在線測(cè)量[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[4] GB/T27418-2017.測(cè)量不確定度評(píng)定和表示[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017.

[5] JJF 1059-1999.測(cè)量不確定度評(píng)定與表示[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[6]王寅，李華，溫生東.通信用高頻開關(guān)電源系統(tǒng)安全試驗(yàn)方法[J].電工技術(shù)，2014 （7）：79-80.

[7]馮發(fā)潤.高頻開關(guān)電源系統(tǒng)可靠性研究[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006 （3）：49-52.

[8]王明玥，溫金鑫，于洪澤，等.一種高頻開關(guān)電源系統(tǒng)的并聯(lián)均流控制方法[J].電氣傳動(dòng)，2019，49（1）：68-71.

[9]劉大成，牛衛(wèi)華，黃引.基于CS5467的電源轉(zhuǎn)換效率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008 （6）：81-83.

[10]高楷軒，鄭明紅.高頻開關(guān)電源系統(tǒng)簡(jiǎn)介及維護(hù)管理[J].數(shù)字傳媒研究，2016，33（1）：62-64.

[11]孫旭輝.汽車復(fù)合式電源系統(tǒng)能量效率測(cè)試方法研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2019.

[12]曾立英，蘇邦偉，甘浩.高效率電動(dòng)機(jī)能效測(cè)試與不確定度評(píng)定[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2018，31（5）： 90-92.

[13]李巧蓮，韓寶江.高效電機(jī)檢測(cè)技術(shù)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用， 2013，40（7） ：1-5.

[14]李冰.關(guān)于電機(jī)效率的不確定度評(píng)定[J].科技展望， 2015，25（17）：53.

[15]甘德成，譚海龍，馮力方，等.開關(guān)電源模塊并聯(lián)供電系統(tǒng)[J].宜賓學(xué)院學(xué)報(bào)， 2011，11（12）：40-43.

[16]楊弈，吳章康，肖丹.基于STM32的并聯(lián)智能供電設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，26（2）：101-106.

[17]王傳軍，金惟偉，陳亙，等.高效和超高效電機(jī)低不確定度效率測(cè)試系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J]，電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37（4）： 1-5.

[18]肖衛(wèi)初，陳偉宏.一種高效率的開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)研制[J].控制工程，2013，20（3）：452-455.

[19]黃靖.基于模糊PID控制的開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河南城建學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，20（6）：39-42.

[20]胡浩，楊斌文.電動(dòng)機(jī)IEEE112-B標(biāo)準(zhǔn)效率測(cè)試方法及其分析比較[J].中國設(shè)備工程， 2009（6）：46-48.

[21]顧德軍.不同測(cè)試方法對(duì)電動(dòng)機(jī)效率的影響[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37（5）： 52-55.

[22]強(qiáng)雄.高效電動(dòng)機(jī)效率測(cè)試方法的研究[J].電機(jī)控制與應(yīng)用，2016，43（7）： 95-102.