郝志坤

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

交流電子負(fù)載校準(zhǔn)技術(shù)研究

郝志坤

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

介紹了交流電子負(fù)載的校準(zhǔn)方法、校準(zhǔn)設(shè)備和校準(zhǔn)原理等。交流電子負(fù)載是對(duì)是各種交流電源、UPS電源測(cè)試和老化試驗(yàn)的主要設(shè)備之一，其各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的優(yōu)劣對(duì)被測(cè)設(shè)備的檢測(cè)及故障分析具有重要意義。研究了交流負(fù)載的恒定電壓、恒定電流、恒定電阻和恒定功率等功能的校準(zhǔn)方法和指標(biāo)，并通過實(shí)際測(cè)試、校準(zhǔn)進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度進(jìn)行了評(píng)定，校準(zhǔn)結(jié)果表明本文的校準(zhǔn)方法能夠滿足儀器的技術(shù)要求。

交流電子負(fù)載 校準(zhǔn)技術(shù) 恒定電壓 恒定電流

1 引 言

交流電子負(fù)載是交流電源及UPS電源測(cè)試的主要設(shè)備之一，具有穩(wěn)定性高、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單及功能齊全等特點(diǎn)。交流電源在研發(fā)生產(chǎn)過程中或產(chǎn)品出廠前都需要進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)以檢驗(yàn)電源的電氣性能和輸出能力。隨著產(chǎn)品對(duì)可靠性和安全性的要求越來越高，對(duì)決定在其研發(fā)、生產(chǎn)和測(cè)試過程中供電質(zhì)量穩(wěn)定性和安全性起著重要作用的交流穩(wěn)壓電源、UPS電源等設(shè)備的檢定要求也越來越高。交流電子負(fù)載作為其測(cè)試設(shè)備，作用也日顯重要。交流電子負(fù)載模擬實(shí)際用電設(shè)備，具有恒定電壓、恒定電流、恒定電阻和恒定功率等工作模式，本文針對(duì)交流負(fù)載的各項(xiàng)功能，研究交流電子負(fù)載的各項(xiàng)參數(shù)的校準(zhǔn)條件、校準(zhǔn)設(shè)備、校準(zhǔn)指標(biāo)、校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析。

國(guó)外交流電子負(fù)載的生產(chǎn)廠商主要有Hamp;H(德國(guó))、NHR(美國(guó))、Chroma(美國(guó)生產(chǎn))、KIKUSUI(日本)和Ametek(美國(guó))等。國(guó)內(nèi)目前只有西安愛科電子公司從事交流電子負(fù)載的生產(chǎn)。現(xiàn)有產(chǎn)品均能模擬阻性負(fù)載，工作方式都包含恒流和恒阻模式，部分還具備恒流和恒功率模式，輸入電壓頻率范圍為40Hz 至500Hz(略有差異)。德國(guó)Hamp;H 交流負(fù)載功率范圍寬。NHR 和Chroma 的產(chǎn)品性能類似，有恒功率、恒壓和短路工作模式，可模擬整流負(fù)載。KIKUSUI和NHR都僅有一種產(chǎn)品，單機(jī)功率分別為1kW和3kW；Chroma 的63800系列包括1.8kW、3.6kW和4.5kW共3個(gè)規(guī)格[2]。

針對(duì)越來越多地交流負(fù)載產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)卻無相應(yīng)的現(xiàn)行國(guó)家校準(zhǔn)規(guī)范和行業(yè)規(guī)范。

國(guó)外產(chǎn)品均沒有能量回饋功能和任意功率因數(shù)線性負(fù)載模擬功能。西安愛科的EL6200 單機(jī)功率3kVA，有恒功率工作模式，可模擬整流負(fù)載。因能量回饋型電子負(fù)載型號(hào)和產(chǎn)量均比較少，故本文對(duì)其校準(zhǔn)方法不做研究，僅研究非能量回饋型交流電子負(fù)載，如圖1所示。

2 校準(zhǔn)原理

交流電子負(fù)載內(nèi)部功能控制電路控制電子功率器件的功耗，吸收并消耗被測(cè)電源的電能起到負(fù)載的作用。通過交流電子負(fù)載的功能控制電路，能夠模擬恒定電壓、恒定功率、恒定電阻和恒定電流等工作狀態(tài)，并具備電壓、電流、功率和電壓諧波失真度示值測(cè)量功能。

2.1電壓諧波失真度誤差

電壓失真度是表征一個(gè)信號(hào)偏離純正弦信號(hào)的程度。一個(gè)失真的正弦信號(hào)，根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)分析，是由基波和諧波的組合而成。因此，失真度的定義為全部諧波能量與基波能量之比的平方根值，即

(1)

式中：K——電壓諧波失真度；P——信號(hào)總能量，W；P1——信號(hào)的基波能量，W；Pn——信號(hào)的第n次諧波的能量，W。

當(dāng)負(fù)載為純電阻負(fù)載時(shí)，也可以用全部諧波電壓的有效值與基波電壓的有效值之比的百分?jǐn)?shù)來表示，即

(2)

式中：Un——信號(hào)的第n次諧波電壓的有效值，V；U1——信號(hào)的基波電壓的有效值，V。

2.2諧波分析法(頻譜分析法)測(cè)量電壓諧波失真度

如圖2所示，諧波分析法是采用具有選頻功能的測(cè)量設(shè)備，分別測(cè)出基波和諧波分量，即可根據(jù)公式(2)計(jì)算出失真度。

2.3基波抑制法測(cè)量電壓諧波失真度

基波抑制法測(cè)量失真度的原理框圖如圖3所示，首先，當(dāng)開關(guān)S接向1的位置，用電壓表測(cè)出被測(cè)信號(hào)電壓的總有效值。然后將開關(guān)S接到2的位置，接入基波抑制電路，將基波信號(hào)濾除，再用電壓表測(cè)出除基波外的全部諧波電壓總有效值。

3 校準(zhǔn)方法

針對(duì)交流電子負(fù)載的各項(xiàng)功能和關(guān)鍵指標(biāo)，我們選取了使用者最為關(guān)注的恒定電流工作狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并設(shè)計(jì)了電壓諧波失真度示值測(cè)量功能校準(zhǔn)方法。

3.1恒定電流設(shè)定值誤差

3.1.1 校準(zhǔn)方法分析

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了交流電子負(fù)載恒定電流設(shè)定值誤差的三種校準(zhǔn)方法，其中交流數(shù)字電流表直接校準(zhǔn)法校準(zhǔn)精度最高，但是校準(zhǔn)范圍較小，僅為0A～20A，在小電流條件下首選此方法；標(biāo)準(zhǔn)電阻器或分流器法校準(zhǔn)范圍寬，但受溫度影響較大，在環(huán)境條件及散熱條件好、電流加載時(shí)間短時(shí)，可選用此方法；電流傳感器直接校準(zhǔn)法精度及穩(wěn)定性較差，校準(zhǔn)大電流選取此方法。

3.1.2 交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電流表直接校準(zhǔn)法

對(duì)與范圍在0A～20A內(nèi)的交流電流一般采用交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電流表直接校準(zhǔn)法。如圖4所示連接設(shè)備，交流電子負(fù)載設(shè)定為恒定電流模式，選取量程并設(shè)定電流為相應(yīng)校準(zhǔn)值。交流變頻穩(wěn)壓電源電流設(shè)定為交流電子負(fù)載相應(yīng)量程的上限值，電壓設(shè)定為交流電子負(fù)載電壓量程上限十分之一值。打開電源輸出，交流電子負(fù)載加載，從交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電流表中直接讀取電流值，記為IR1。

重復(fù)上述步驟，其他設(shè)置不變，改變交流變頻電源電壓輸出值為交流電子負(fù)載電壓量程的二分之一，打開交流變頻穩(wěn)壓電源的輸出，其標(biāo)準(zhǔn)值從交流標(biāo)準(zhǔn)電流表中讀取，記為IR2。

再改變交流變頻穩(wěn)壓電源電壓輸出值為交流電子負(fù)載電壓量程的90%值(如有功率限制，則電壓值按照相應(yīng)值的90%取)，打開交流變頻穩(wěn)壓電源的輸出，其標(biāo)準(zhǔn)值從交流標(biāo)準(zhǔn)電流表中讀取，記為IR3。

記IR1、IR2和IR3中與IS差值的絕對(duì)值最大值者為IRmax，則交流電子負(fù)載恒定電流模式設(shè)定值誤差ΔIS按公式(3)計(jì)算。

ΔIS=IS-IRmax

(3)

式中：ΔIS——交流電子負(fù)載恒定電流模式設(shè)定值誤差，A；IS——交流電子負(fù)載恒定電流設(shè)定值，A；IRmax——交流標(biāo)準(zhǔn)電流表讀數(shù)值I1、I2和I3中與IS差值的絕對(duì)值最大值者，A。

3.1.3 電流傳感器直接校準(zhǔn)法

對(duì)范圍在20A～200A的交流電流，一般采用電流傳感器校準(zhǔn)法直接校準(zhǔn)。如圖5所示連接設(shè)備，選取量程并設(shè)定電流為相應(yīng)校準(zhǔn)值。交流變頻穩(wěn)壓電源電流設(shè)定為交流電子負(fù)載相應(yīng)量程的上限值，電壓設(shè)定為交流電子負(fù)載電壓量程上限十分之一值。打開電源輸出，交流電子負(fù)載加載，讀取電流傳感器讀數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)值，記為IT1。

重復(fù)上述步驟，其他設(shè)置不變，改變交流變頻電源電壓輸出值為交流電子負(fù)載電壓量程的二分之一，打開交流變頻穩(wěn)壓電源的輸出，讀取電流傳感器讀數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)值，記為IT2。

再改變交流變頻穩(wěn)壓電源電壓輸出值為交流電子負(fù)載電壓量程的90%值(如有功率限制，則電壓值按照相應(yīng)值的90%取)，打開交流變頻穩(wěn)壓電源的輸出，讀取電流傳感器讀數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)值，記為IT3。

記IT1、IT2和IT3中與IS差值的絕對(duì)值最大值者為ITmax，則交流電子負(fù)載恒定電流模式設(shè)定值誤差ΔIS按公式(4)計(jì)算。

ΔIS=IS-ITmax

(4)

式中：ITmax——電流傳感器讀數(shù)值IT1、IT2和IT3中與IS差值的絕對(duì)值最大值者， A。

3.1.4 標(biāo)準(zhǔn)電阻器或分流器法

對(duì)范圍在0A～200A的電流，一般采用標(biāo)準(zhǔn)電阻器或分流器法。如圖6所示連接設(shè)備，交流電子負(fù)載設(shè)定為恒定電流模式，選取量程并設(shè)定電流為相應(yīng)校準(zhǔn)值。交流變頻穩(wěn)壓電源電流設(shè)定為交流電子負(fù)載相應(yīng)量程的上限值，電壓設(shè)定為交流電子負(fù)載電壓量程上限十分之一值，打開電源輸出，交流電子負(fù)載加載，從交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表中直接讀取電壓值作為標(biāo)準(zhǔn)值，記為U01，根據(jù)上級(jí)檢定機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)證書，查得標(biāo)準(zhǔn)電阻或分流器的校準(zhǔn)值為R0，交流電流的標(biāo)準(zhǔn)值I01=U01/R0。

重復(fù)上述步驟，其他設(shè)置不變，改變交流變頻電源電壓輸出值為交流電子負(fù)載電壓量程的二分之一，打開交流變頻穩(wěn)壓電源的輸出，從交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表中直接讀取電壓值，記為U02，交流電流的標(biāo)準(zhǔn)值I02=U02/R0。

再改變交流變頻穩(wěn)壓電源電壓輸出值為交流電子負(fù)載電壓量程的90%值(如有功率限制，則電壓值按照相應(yīng)值的90%取)，打開交流變頻穩(wěn)壓電源的輸出，從交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表中直接讀取電壓值，記為U03，交流電流的標(biāo)準(zhǔn)值I03=U03/R0。

記I01、I02和I03中與IS差值的絕對(duì)值最大值者為I0max，則交流電子負(fù)載恒定電流模式設(shè)定值誤差ΔI設(shè)按公式(5)計(jì)算。

ΔIS=IS-I0max

(5)

式中：I0max——電流值I01、I02和I03中與IS差值的絕對(duì)值最大值者，A。

3.2恒定電壓設(shè)定值

如圖7所示連接設(shè)備，檢查線路連接無誤后接通供電電源。被校準(zhǔn)交流電子負(fù)載設(shè)定為恒定電壓模式，選擇量程并將其恒定電壓設(shè)定為要校準(zhǔn)的數(shù)值US后，將負(fù)載設(shè)置為加載狀態(tài)。交流變頻穩(wěn)壓電源輸出電壓設(shè)定為大于US的數(shù)值(交流電源的輸出預(yù)設(shè)值應(yīng)大于US、小于電子負(fù)載的最大使用電壓)，其電流輸出值設(shè)為交流電子負(fù)載電流量程十分之一數(shù)值。設(shè)定完畢，打開交流變頻穩(wěn)壓電源的輸出，交流電子負(fù)載工作在恒定電壓模式下，其標(biāo)準(zhǔn)值從交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表中讀取，記為U1。

其他設(shè)置不變，改變交流變頻電源電流輸出值為交流電子負(fù)載電流量程的二分之一，打開交流變頻穩(wěn)壓電源的輸出，其標(biāo)準(zhǔn)值從交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表中讀取，記為U2。

再改變交流變頻穩(wěn)壓電源電流輸出值為交流電子負(fù)載電流量程的90%值，打開交流變頻穩(wěn)壓電源的輸出，其標(biāo)準(zhǔn)值從交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表中讀取，記為U3。

記U1、U2和U3中與US差值的絕對(duì)值最大值者為Umax，則交流電子負(fù)載恒定電壓設(shè)定值誤差ΔUS用公式(6)計(jì)算。

ΔUS=US-Umax

(6)

式中：ΔUS——交流電子負(fù)載的恒定電壓設(shè)定值誤差，V；US——交流電子負(fù)載恒定電壓模式電壓設(shè)定值，單位為伏特(V)；Umax——交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表讀數(shù)值U1、U2和U3中與US差值的絕對(duì)值最大值者，V。

3.3恒定功率設(shè)定值

將交流電子負(fù)載設(shè)定為恒定功率模式，如圖8所示連接設(shè)備，使用標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)，把標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)電壓、電流檢測(cè)端分別接在電子負(fù)載的輸入端和回路中，檢查線路連接無誤后接通供電電源。將交流電子負(fù)載的工作模式設(shè)定為恒定功率模式，選取量程并設(shè)定功率為欲校準(zhǔn)數(shù)值。交流變頻穩(wěn)壓電源輸出電壓設(shè)為負(fù)載預(yù)期使用值或電壓量程上限的90%，加載后，讀取標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)測(cè)量值作為標(biāo)準(zhǔn)值，則交流電子負(fù)載恒功率設(shè)定值誤差ΔPS用公式(7)計(jì)算。

(7)

式中：ΔPS——交流電子負(fù)載恒定功率模式設(shè)定值誤差，W；PS——交流電子負(fù)載恒定功率設(shè)定值，W；PM——標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)讀數(shù)值，W。

3.4恒定電阻設(shè)定值

如圖9所示連接標(biāo)準(zhǔn)電阻或分流器、交流變頻穩(wěn)壓電源和交流電子負(fù)載，把交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表1接在標(biāo)準(zhǔn)電阻或分流器的兩端，交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表2接在交流電子負(fù)載輸入端，檢查線路連接無誤后接通供電電源。交流電子負(fù)載設(shè)為恒定電阻模式(純阻性)，選取量程并設(shè)定電阻為相應(yīng)校準(zhǔn)數(shù)值。交流變頻穩(wěn)壓電源電壓、電流設(shè)為合適的數(shù)值。打開電源輸出，交流電子負(fù)載加載，讀取交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表1、交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表2讀數(shù)值，根據(jù)上級(jí)檢定機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)證書，查得標(biāo)準(zhǔn)電阻或分流器的校準(zhǔn)值。則電子負(fù)載恒定電阻設(shè)定值誤差按公式(8)計(jì)算。

(8)

式中：ΔR——交流電子負(fù)載恒定電阻設(shè)定值誤差，Ω；RX——交流電子負(fù)載恒定電阻設(shè)定值，Ω；UR2——交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表2讀數(shù)值，V；UR1——交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表1讀數(shù)值，V；RS——標(biāo)準(zhǔn)電阻或分流器的校準(zhǔn)值，Ω。

3.5電壓諧波失真示值誤差

如圖10所示連接設(shè)備，設(shè)定交流穩(wěn)壓源輸出電壓基波頻率為50Hz，二次電壓諧波頻率為100Hz，選取三到五個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，交流電子負(fù)載工作在相應(yīng)模式。打開電源輸出，交流電子負(fù)載加載，讀取交流電子負(fù)載和失真度測(cè)量?jī)x讀數(shù)值，則交流電子負(fù)載電壓諧波失真示值誤差△K按公式(9)計(jì)算，當(dāng)交流電子負(fù)載使用諧波分析法原理測(cè)量電壓諧波失真時(shí)，則按公式(10)計(jì)算。

(9)

式中：ΔK——交流電子負(fù)載電壓諧波失真示值誤差，%；KS——交流電子負(fù)載電壓諧波失真示值，%；K0——失真度測(cè)量?jī)x讀數(shù)值，%。

(10)

4 測(cè)試數(shù)據(jù)

選取NHR4600-2交流電子負(fù)載作為被校準(zhǔn)設(shè)備，采用FLUKE N4000功率分析儀、交流穩(wěn)壓電源、PORDIGIT 7550A分流器和FLUKE 8508A數(shù)字多用表等設(shè)備作為標(biāo)準(zhǔn)器，按照本文設(shè)計(jì)的方法對(duì)其校準(zhǔn)。得到校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

5 校準(zhǔn)結(jié)果不確定度分析

以交流電子負(fù)載的交流電壓設(shè)定值為110V(50Hz)的測(cè)量不確定度評(píng)定為例，進(jìn)行交流電子負(fù)載校準(zhǔn)項(xiàng)目的測(cè)量不確定度評(píng)定。其他幾項(xiàng)參數(shù)的校準(zhǔn)方法類似，其校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評(píng)定參考以下方法。

5.1測(cè)量模型

交流電子負(fù)載電壓設(shè)定值誤差的各參數(shù)測(cè)量均采用直接測(cè)量法，測(cè)量模型按公式(11)計(jì)算。

ΔUR=UR-UM

(11)

式中：ΔUR——被校交流電子負(fù)載電壓設(shè)定值誤差，V；UR——被校準(zhǔn)交流電子負(fù)載電壓設(shè)定值，V；UM——交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表讀數(shù)值，V。

電壓設(shè)定值誤差校準(zhǔn)原理如圖11所示。

5.2測(cè)量不確定度的主要來源

測(cè)量不確定度主要來源如下：

a)交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表年允許誤差引入的不確定度u11；

b)交流電子負(fù)載設(shè)定值分辨率引入的不確定度u12；

c)交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表顯示值的分辨力引入的不確定度u13；

d)交流電子負(fù)載電壓設(shè)定值測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度u14。

5.3測(cè)量不確定度分量

5.3.1 交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表年允許誤差引入的不確定度u11

u11=a11/k11

(12)

5.3.2 交流電子負(fù)載分辨力引入的不確定度u12

u12=a12/k12

(13)

5.3.3 交流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表顯示值的分辨力引入的不確定度u13

u13=a13/k13

(14)

5.3.4 交流電子負(fù)載電壓示值測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度u14

該項(xiàng)不確定度采用A類評(píng)定。對(duì)交流電子負(fù)載電壓值進(jìn)行重復(fù)測(cè)量10次，測(cè)量數(shù)據(jù)見表2，實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差s按公式(15)計(jì)算。

(15)

表2 交流電子負(fù)載電壓示值110V(AC)測(cè)量數(shù)據(jù)

把表2數(shù)值帶入公式(15)，則

s=0.067V

此項(xiàng)不確定度分量u14按公式(16)計(jì)算。

(16)

5.4合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc

u11、u12、u13、u14四個(gè)分量互不相關(guān)，則電壓示值誤差的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc按式(17)計(jì)算。

(17)

5.5擴(kuò)展不確定度U

取包含因子k=2，擴(kuò)展不確定度按公式(18)計(jì)算。

U=kuc

(18)

U=2×0.06V=0.12V

6 結(jié)束語

本文針對(duì)交流電子負(fù)載的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，提出了一種新的校準(zhǔn)方法，解決了國(guó)內(nèi)此類設(shè)備無校準(zhǔn)規(guī)范的問題。根據(jù)設(shè)計(jì)的方法對(duì)交流電子負(fù)載進(jìn)行了校準(zhǔn)，并對(duì)測(cè)量不確定度進(jìn)行了評(píng)估。經(jīng)驗(yàn)證，方法合理有效，測(cè)量結(jié)果能夠滿足被測(cè)設(shè)備的技術(shù)要求。為進(jìn)一步評(píng)估交流電子負(fù)載的性能，提供了依據(jù)。

[1] 曾令儒.電磁學(xué)計(jì)量.原子能出版社[M].2002.6.

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ResearchofCalibrationTechnologyfortheElectronicACLoad

HAO Zhi-kun

(Beijing Aerospace Institute for Metrology Technology，Beijing 100076，China)

The calibration method, calibration device and calibration features of the electronic AC load are introduced. The electronic AC load is the main device for the AC source and UPS source testing and agingtest. The features of AC load are important for testing and analysing the trouble of device. The calibration method of the constant voltage,constant curent,constant resistant and constant power of the AC load are introduced. The AC load is tested.The measurement uncertainty is also analysed.The result shows that the method in this article can meet the demands of AC load.

AC electronic load Calibration technology Constant voltage Constant current

2016-11-10，

2016-12-20

郝志坤(1981-)，男，工程師，主要研究方向：電磁學(xué)計(jì)量技術(shù)。

1000-7202(2017) 04-0054-07

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.12

TM933

A