1、UPS 校 准 方法 研 究 王兵 印 朝辉 张鹏程 李元 芳 北 京 航天 计 量测 试 技术 研 究所 中 国 运载 火箭 技 术研 究院 摘 要： UPS 作为一种确保供电系统稳定运行的电源设备, 目前已广泛应用于国防军工 领域, 在型号地面测试中具有不可替代的作用。 通过对 UPS 的工作原理与分类进 行讨论, 提出了UPS 的主要校准项目及校准方法。 目前该方法已成为中国运载火 箭技术研究院院级标准, 直接服务于型号任务的计量保障工作。 同时, 民用领域 也可参照此方法进行 UPS 校准, 具有较高的推广应用价值。 关键词 ： UPS; 校准方法; 作 者简 介： 王兵 (1980-
2、) , 男, 高级工程师, 主要研究方向:型号计量保障技 术、测控技术研究。 Research on Calibration Method for UPS WANG Bing YIN Zhou-hui ZHANG Peng-cheng Li Yuan-fang Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology; China Academy of Launch Vehicle Technology; Abstract ： As a kind of device to ensure the stable ope
3、ration of the power supply, the UPS has been widely used in the field of the national defense force, playing an irreplaceable role in the model test. The working principle and classification of UPS were discussed. And the main calibration items and methods were presented. At present, the methods hav
4、e become the standard of CALT, directly serving the metrology support in model tasks. Moreover, the methods can also be used to UPS calibration in civilian areas, with a high value to promote the application. Keyword ： UPS; Calibration method; 1 引言 UPS ( 不间断电源) 是一种含有储能装置, 以整流器、逆变器为主要组成部分, 不会因短暂停电中断,
5、 可以持续不间断提供高品质电源、 能够有效保护仪器设备 的正常供电, 确保供电系统的稳定运行。 目前 UPS 在产品的生产、 试验、 测试等 活动中广泛的使用, 可以有效地防止电网突然断电造成数据丢失、设备寿命缩 短、 损坏等损失, 提升供电质量, 确保电源系统的稳定运行。UPS 能够保证设备 在遭遇突然断电时还能正常工作一段时间, 为采取保存数据、 完成测试流程等减 少损失的措施争取了时间。因而, UPS 在运载火箭、卫星、导 弹等国防军工型号 产品的各种测试设备中大量使用, 在型号地面测试中具有不可替代的作用。 目前 相关计量测试人员校准 UPS 时多参考交流电源校准规范1。但UPS 与普
6、通交流 电源不管在用途还是原理以及结构上都有着诸多不同。 因此, 开展UPS 校准方法 的研究, 对保障国防军工型号用 UPS 的量值准确性和质量可靠性具有重要的现 实意义。 2 术语与定义 2.1 转换 点 UPS 在额定条件下运行, 由交流供电电压下降到转换至蓄电池供电的电压值。 2.2 转换 时 间 UPS 在额定条件下运行, 由交流供电电压下降到转换至蓄电池供电的时间。 2.3 备用 时间 在规定的负载条件下, 由蓄电池供电的时间。 3 UPS 的工作 原理与 分类 UPS 输入端为交流电源, 输出端为用电设备, 内部有大容量电池。 在外部交流电 源断开时, 使用内部大容量电池, 从而
7、能够保证设备在遭遇突然断电时还能正 常工作一段时间。UPS 的型号多种多样, 但原理和主要功能基本相同。UPS 主要 由四部分组成:整流、储能、变换和开关控制。目前, 最常用的UPS 典型结构如 图1 所示。 图1 UPS 典型结构框图 Fig.1 Typical structure diagram of the UPS 下 载原图 目前最常用的是输出为交流的 UPS (简称交流 UPS) 。从工作原理上主要分为后 备式、 在线式和在线互动式三类。 后备式 UPS 在试点正常时直接由市电供电, 当 市电超出其工作范围或停电时通过转换开关转为电池逆变供电。 在线式 UPS 在市 电正常时, 由市
8、电整流提供直流电压给逆变器工作, 有逆变器向负载提供交流 电, 在市电异常时, 逆变器由电池提供能量, 逆变器始终处于工作状态, 保证 无间断输出。 在线互动式 UPS 在市电正常时直接由市电向负载供电, 当市电输出 偏低或偏高时, 通过 UPS 内部稳压线路稳压后输出, 当市电异常或停电时, 通 过转换开关转为电池逆变供电。 UPS 从输入相数上可分为单相 UPS 和三相UPS 。 4 UPS 的主要 校准项 目及方法 根据对UPS 结构和工作原理的分析以及相应技术指标的要求, 参照相关的国军 标5和交流电源校准规范等标准, 结合型号对 UPS 性能指标的具体要求, 本文 主要选取以下几个项
9、目完 成对UPS 的校准:电源电压调整率、负载调整率、指示 表示值误差、 失真度、 频率误差、 效率、 输出 电压短期稳定性、 转换 时间、 电池 供电输出电压准确度、备用时间。 4.1 电源 电压调 整率 该指标用于判断外部电网供电电压波动时 UPS 的输出电压是否能够满足技术指 标要求。校准电路连接原理框图如图 2 所示。 图2 输入输出电压、电流校准连接原理图 Fig.2 Connection diagram of UPS voltage adjustment rate calibration 下载原图 给UPS 输入端接入调压器, 使UPS 满载和轻载 (调节负载RL, 读取交流电流表
10、 A2 的值, 使其值大于被校UPS 额定电流的90%) 两种工作状态, 通过调压 器 改 变输入UPS 的供电电压分别为正常电压 220V 及 90%和110%供电电压上下限, 由交 流电压表分别测量 UPS 在三种供电电压情况下的输出电压值。分别按公式 (1) 计算Svx 和Svy, 按公式 (2) 取两者的最大值作为电源电压调整率 Sv 。对于三相 UPS, 应在加载三路负载的状态下, 按类似的步骤同时对 A、B、C 三 相进行测量。 式中:Svi 满载或轻载时的电源电压调整率, i=x 或y;U242i 满载或轻载 时, 当调压器输出为242V 时的UPS 输出电压, i=x 或y;U
11、198i 满载 或轻载时, 当调压器输出为198V 时的UPS 输出电压, i=x 或y;U220i 满载 或轻载时, 当 调压器输出为220V 时的UPS 输出电压, i=x 或y。 4.2 负载 调整率 该指标用于判断UPS 带负载能力是否能够满足技术指标要求。 校准电路连接原理 框图如图2 所示。调节交流调压器, 使UPS 的供电电压为220V, 再调节负载使 其处于满载和空载两种工作状态下, 由交流数字电压表分别测出其输出电压;负 载调整率SL 按公式 (3) 计算。 对于三相UPS, 应在加载三路负载的状态下, 同 时对A、B、C 三相进行测量。 式中:SL 负载调整率;Um 满载时
12、, UPS 输出电压;Un 空载时, UPS 输出电压。 4.3 指示 表示值 误差 该指标用于判断UPS 的指示表是否正常工作。 校准电路连接原理框图如图2 所示。 调节交流调压器, 使 UPS 的供电电压为220V, 再调节负载使其处于满载工作状 态下, 由交流数字电压表电流表分别测出其输出电压电流与 UPS 上的电压表及 电流表进行对比。 对于三相 UPS, 应在加载三路负载的状态下同时对 A、B、C 三 相进行测量。 4.4 失真 度 该指标用于判断UPS 的输出电压谐波失真是否满足技术指标要求。 校准电路连接 原理框图如图3 所示。调节交流调压器, 使 UPS 的供电电压为220V,
13、 再调节负 载使其处于满载工作状态下, 用失真度测量仪测量 UPS 的失真度;然后关闭交流 调压器, 使被校UPS 切换至电池供电, 再次测量 UPS (电池供电) 失真度;对于 三相UPS, 应在加载三路负载的状态下, 同时对 A、B、C 三相进行测量。 图3 失真度校准连接图 Fig.3 Connection diagram of the UPS distortion calibration 下载原图 4.5 频率 误差 该指标用于判断UPS 的输出电压频率是否满足技术指标要求。 校准电路连接原理 框图如 图 4 所示。调节交流调压器, 使UPS 的供电电压为220V, 再调节负载使 其处
14、于满载工作状态下, 用频率计测量UPS 输出电压的频率;然后关闭交流调压 器, 使被校 UPS 切换至电池供电, 再次测量 UPS (电池供电) 输出电压的频率; 对于三相UPS, 应在加载三路负载的状态下, 同时对A、B、C 三相进行测量。 图4 频率校准连接图 Fig.4 Connection diagram of the UPS frequency calibration 下载原图 4.6 效率 该指标用于判断UPS 的输出电压频率是否满足技术指标要求。 校准电路连接原理 框图如图5 所示。调节交流调压器, 使UPS 的供电电压为220V, 再调节负载使 其处于最大功率状态下, 用功率计
15、测量UPS 的输入输出功率;效率 按公式 (4) 计算。 图5 效率校准连接图 Fig.5 Connection diagram of the UPS efficiency calibration 下载原图 4.7 输出 电压短 期稳 定性 该指标用于判断UPS 的输出电压在1 小时内的漂移是否满足技术指标要求。 校准 电路连接原理框图如图2 所示。 调节交流调压器, 使UPS 的供电电压为220V, 再 调节负载使其处于满载状态下, 在1h 内用交流数字电压表测量 UPS 的输出电压 不少于6 次, 取6 次测量值的最大变化值 U; 输出被校UPS 的输出电压短期稳 定度S 按公式 (5)
16、计 算。 对于三相UPS, 应在 加载三路负载的状态下, 按a) d) 步骤同时对A、B、C 三相进行测量。 4.8 转换 时间 该指标用于判断UPS 的转换时间是否满足技术指标要求。 校准电路连接原理框图 如图6 所示。调节交流调压器, 使UPS 的供电电压为 220V, 再调节负载使其处 于满载状态下, 关闭交流调压器, 使被校UPS 切换至电池供电, 用示波器测量 电源输出波形变化, 根据波形的跳变边沿计算转换时间;对于三相UPS, 应在加 载三路负载的状态下, 同时对A、B、C 三相进行测量。 图6 转换时间校准连接图 Fig.6 Connection diagram of the U
17、PS conversion time calibration 下载原图 4.9 电池 供电时 输出 电压 准确 度 该指标用于判断UPS 在电池供电时其输出电压准确度是否满足技术指标要求。 校 准电路连接原理框图如图 2 所示。 调节交流调压器, 使UPS 的供电电压为 220V, 再调节负载使其处于满载状态下, 关闭交流调压器, 使被校UPS 切换至电池供 电, 用交流电压表测量电源输出电压;对于三相 UPS, 应在加载三路负载的状态 下, 同时对 A、B、C 三相进行测量。 4.1 0 备用时 间 该指标用于判断UPS 在电池供电时其最大的备用时间是否满足技术指标要求。 校 准电路连接原理
18、框图如图 2 所示。 调节交流调压器, 使UPS 的供电电压为 220V, 再调节负载使其处于满载状态下, 关闭交流调压器, 使被校UPS 切换至电池供 电, 用交流电压表测量电源输出电压, 在切换的同时使用秒表开始计时, 直到 被校UPS 输出断电为止, 秒表读数即为备用时间;对于三相UPS, 应在加载三路 负载的状态下, 同时对 A、B、C 三相进行测量。 5 测量不确定度评定 5.1 测量 模型 UPS 输出值的各参数测量均采用直接测量法, 按公式 (6) 计算。 式中:Y 标准表的示值;XUPS 的输出值。 5.2 测量 不确定 度 UPS 的校准项目较多, 但其对各参数的测量基本均为
19、直接测量法, 各校准项目 的测量不确定度评定方式较为类似。 本文选取具有典型代表性的电源电压调整率项目来对测量不确定度评定的过程进行说明。 选用的标准交流数字电压表的指标 为ACV: (1750) V, (10Hz10k Hz) ; 最大允许误差 :0.1%。 5.2.1 测量不 确定 度的主 要来 源 测量不确定度主要来源如下: a) 标准电压表的准确度引入的不确定度 uB1; b) 标准电压表的分辨力引入的不确定度 uB2; c) 电源输出电压测量重复性引入的不确定度 uA1 。 5.2.2 测量不 确定 度分析 5.2.2. 1 标准 电压表测 量误 差引入 的不 确定度 uB1 考虑测
20、量结果不确定度的分布率, 标准电压表测量误差引入的不确定度 uB1, 按 JJF 1059.1 的规定6, 该项不确定度采用 B 类评定。根据标准交流数字电压表 的技术说明书查其允许误差极限 a1=0.1%, 设落 在该区间内的概率分布为均匀分 布, 取包含因子 。 5.2.2. 2 标准 电压表分 辨力 引入的 不确 定度 uB2 考虑测量结果不确定度的分布率, 标准电压表分辨力引入的不确定度 uB2, 按 JJF 1059.1 的规定, 该项不确定度采用B 类评定。根据标准交流数字电压表的 技术说明书查其分辨力 a2=0.1%, 设落在该区间内的概率分布为均匀分布, 取包 含因子 。 5.
21、2.2. 3 电源 输出电压 测量 重复性 引入 的不确 定度 uA1 考虑测量 结果不 确定度 的分布率, 电源 输出电 压测量重 复性引 入的不 确定度 uA1, 按JJF 1059.1 的规定, 该项不确定度采用 A 类评定。对电源输出电压进行重复 测量n 次, 此项不确定度分量 uA1 相对值按公式 (9) 计算。 式中:xi 测量序列; 测量序列均值;n测量次数。 对UPS 输出电压的 10 次独立校准结果如表 1 所示。 表1 UPS 输出电压测量数据 Table1 Measurement data of UPS output voltage V 下载原表 经计算可知, uA1 0
22、.04% 。 5.2.3 合成标 准不 确定度 uB1 、uB2 、uA1 三分量互不相关, 则电源电压调整率的相对合成标准不确定度按公 式 (10) 计算。 5.2.4 扩展不 确定 度 取包含因子k=2, 相对扩展不确定度的置信概率约为 95%, 则相对扩展不确定度 按公式 (11) 计算。 经过采用传递比较法进行验证, UPS 电压调整校准结果测量不确定度评定满足使 用要求。 6 结束语 通过以上校准方法可较为全面地反应出 UPS 的性能指标, 为其可靠溯源提供可 靠的技术依据。 目前该方法已成为中国运载火箭技术研究院院级标准, 直接服务 于型号任务的计量保障工作。 标准的实施可以规范型
23、 号用UPS 的校准与溯源方法, 保证UPS 量值统一、 准确、 可靠, 进而保证型号质量与型号飞行试验和大型地面 试验任务的顺利进行, 同时, 民用领域中使用的 UPS 也可以参照此规范进行校 准, 具有较高的推广应用价值。 参考文献 1QJ3233-2005交流 稳压电源稳态特性校准规范. 2 屈国辉.UPS 的种类 、原理及使用J.冶金动力, 2004 (2) :6870. 3 王奇.型号试验用 UPS 故障诊断与对策J. 航天器环境工程, 2009, 26 (1) :7376. 4 黄金霖.UPS 电源电 气测试技术与性能分析研究D.江西理工大学.2013.4. 5GJB2274-95军用 信息技术设备不间断电源通用规范. 6JJF 1059.1-2012 测量不确定度评定与表示.
