单相、三相交流稳压电源校准装置设计研究

单相、三相交流稳压电源校准装置设计研究

何健,范笑波

广东省河源市质量计量监督检测所  广东 河源 517000

摘 要：随着各个领域对电力电子技术的广泛应用，各类设备对交流电源供电的稳定性要求越来越高。但传统的交流供电存在诸多问题，导致电力设备发生工作异常、精度下降等现象，最严重可能导致意外损坏。因此改善交流供电的品质势在必行。目前，国内的很多单位使用的单相三相交流115V、36 V、26 V等电源输出，该电源是否具备准确的参数指标，是影响企业各类设备安全性的关键因素。而国内对该电源校准装置的研究还不够深入，因此，本文提出基于单相、三相交流稳压电源的校准装置设计方案，通过对被检测对象的分析，通过研究方法的比选，评定其不确定度。

关键词：单项、三相交流；稳压电源；校准装置；研究

引言

随着科学技术的深度应用，工业和科研领域对电子计算机技术的依赖性越来越强，由此，各种电子设备对交流电源的稳定性的要求也越来越高，由此交流稳定电源正好契合了这种需求。但某些单项、三相稳压电源的输出的参数指标是否准确，直接影响企业的设备和业务运行，因此，对稳压电源进行校准，是解决问题的唯一途径。针对交流稳压电源校准装置的构建，本文提出了有效的方案，以其高指标、良好的便携性特点，为以军工企业和航空企业为首的高端企业的电源装置校准工作提供了崭新的思路。

一、研究背景

专用交流稳压电源是一些大型、高端的企业的维修保障工作中迫切需要的电源，例如，频率皆为400Hz的单相、三相交流115V 、36V、26V 等，在各类高端机械和设备定检、大修、中修、小修等维修保障的需要。校准性的性能指标是该稳压电源的特点，该特点对军工、航空等高端企业设备运行具有安全性的保障。由此，交流稳压电源在国内各大高端企业装配数量与日俱增，例如，WZS、66104A、SVC-1500、WZD等柜式交流稳压电源，便携式AEPP-1094A型直流1中频组合电源、便携式ATAP-B10ST型中频电源等。伴随我国高端产业的快速发展，不同型号的交流稳压电源设备得到广泛应用。比起设备本身的研发，针对该电源校准的研究却很少，加之传统的交流稳压电源校准措施存在灵活性差、重量大、设备多等等诸多问题，不能满足高端企业特殊的交流稳压电源装置校准的需求[1]。

二、研究对象

本研究的对象是某航空企业专用交流稳压电源校准装置设计的主要技术指标参数误差体现在五个方面：10Hz～10kHz的频率、交流0～120V的电压示值误差、电压负载调整率、电压电网调整率、失真度误差。

三、研究方法

本研究的交流稳压电源校准的依据，根据《JJF （军工）85-2015交流稳压电源稳态特性校准规范》的规范标准。当前国内对该电源指标参数的校准，一般会采取基于电阻负载箱的工作负载措施，计量频率利用频率计，电压的测量采用交流数字电压表，电流测量则是利用电流测量表。同时，呈现众多型号的专用的交流稳压电源，参数范围也十分广阔，利用上述方案可能产生负载重量大、标准设备多，携带不方便等问题。因此需要更多元的研究方式。

四、技术方案

（一）标准设备组成

本研究是以构建交流稳压电源构建方案为主体思路，主要标准设备组成包括数字多用表、失真度仪、数字万用表、调压器、电子负载等。

（二）校准原理

该装置的标准设备的主要功能包括：利用多用数字表测量该电源频率和输出电压；输出电压的失真度情况则是利用失真度仪测量；利用电子负载为该电源提供负载，以监测交流电流；利用数字万用表测量该电源的交流电压；利用调压器进行交流稳压电源电压输出的有效调节。

（三）关键技术

1.毫伏级电压测量

针对交流稳压电源建标，国内的研究甚少，目前，有两个方面的课题成为学术界讨论研究的方向，也就是负载调整率和电网调整率。毫伏级电压的测试可以行之有效地解决该问题。该研究方案通过高精准的数字多用表测量电压，同时进行负载调整率和电压调整率方面有超高的准确度；通过高精准度的失真度测试仪，进行失真度的测量，也有超高的精准度。

2.交流负载

针对交流稳压电源不同参数的校准，国内通常利用基于电阻负载箱的工作负载模式，在比较广阔的电压电流下，负载重量和体积都很大，为较差的适应性。针对电流电压量程宽的需要，本研究采取的交流负载都可以满足，而且更能够取代交流电流表进行交流电流的监测，以减少标准设备的投入量[2]。

（四）交流稳压电源装置校准方法部分环节研究

1.校准空载状况下稳压电源示值误差

第一步，连接设备，进行稳固连接的两者是交流稳压电源和交流数字电压表；第二步，数值读取，将交流稳压电源接通，电压值U0取自交流稳压电源指示额定输出电压值，读取交流数字电压表的数值为U1值；第三步，通过对空载时稳压电源示值误差计算，示值误差为δ＝(U0-U1)/U1×100％；

2.电源电压调整率校准步骤

第一步，设备连接，连接的设备包括调压变压器、被校准的交流稳压电源、电阻负载箱；在负载箱和交流稳压电源之间，有效连接电流表A

1和交流数字电压表V1，同时将交流数字电压表V2和电流表A2分别连接在该电源和电阻负载箱之间；第二步，数据读取，通过对变压器输出电压调节保证交流数字电压表V1的读数值为220V，进行电阻负载箱调节，确保其消耗功率达到该电源最大输出功率的99%左右，进行读数的读取，交流数字电压表V2显示为U242；进行变压器输出电压调节，确保198V成为交流数字电压表V1的读数值，占据99%左右的该电源的最大输出功率；第三步，计算，电源电压调整率SV=|U242-U198U0|×100%

（3）负载调整率校准步骤

第一步，设备连接，连接的设备包括调压变压器、被校准的交流稳压电源、电阻负载箱；在负载箱和交流稳压电源之间，有效连接电流表A1和交流数字电压表V1，同时在该电源和电阻负载箱之间进行电流表A2和交流数字电压表V2的有效连接；第二步，数据读取，通过对变压器输出电压调节保证交流数字电压表V1的读数值为220V，进行电阻负载箱调节，确保其消耗功率达到该电源最大输出功率的99%左右，进行数值读取，此刻，显示Um为交流数字电压表V2的数值示；若是此刻断开电阻负载箱，Un将成为空载情况下交流数字电压表V2的读数。

（五）技术指标分析

1.校准装置技术指标

（1）不确定度分析

怎样有效分析交流电压示值误差的不确定度，本研究设定100V、10Hz～10kHz点的不确定度，具体包括立足数字多用表进行校准的，基于上级标准的标准不确定度引入的不确定度、以数字多用表年允许值为基础的最大误差引入的不确定度、以分辨力为依据的不确定度以及基于重复性电压测量的不确定度值[3]。

立足数字多用表进行校准的，基于上级标准的标准不确定度引入的不确定度：

以数字多用表年允许值为基础的最大误差引入的不确定度为：

基于分辨力的不确定度为：

重复性电压测量引入的不确定值为：

因此，合成标准不确定度为：

扩展不确定度分别为：

U=ku.-0.017% (h=2)            (6)

（2）电压调整率测量不确定度分析

设定100V、10Hz～10kHz中点的不确定度，具体包括以数字多用表为基础的校准的上级标准的标准不确定度引入的不确定度为：uB1=2.7mA，以数字多用表年允许值为基础的最大误差引入的不确定度为uB2=8.08 mA，基于分辨力的不确定度为UB3=0.06 mA以及基于重复性电压测量的不确定度值uA=0.5 mA。因此，测量扩展电网电压调整频率的不确定度为：

（3）测量电压负载调整率不确定度的分析

该环节不确定度的实际分析状况与上述的测量电压调整率的不确定度分析一样，所以100V、10Hz～10kHz点的扩展不确定度为：

（4）测量失真度的不确定度分析

该环节的不确定度包括以数字多用表为基础的校准的上级标准的标准不确定度引入的不确定度为uB1=0.052dB，以数字多用表年允许值为基础的最大误差引入的不确定度uB2=0.29dB，基于测量重复性的不确定度uA=0.03dB。测量失真度扩展不确定度为：

（5）测量频率不确定度分析

设定（1kHz）的不确定度，数字多用表为基础的校准的上级标准的标准不确定度引入的不确定度uB1 =0.0002%，以数字多用表年允许值为基础的最大误差引入的不确定度uB2=0.0000 64%，测量分辨力引入的不确定度uB3=0.000 06%以及基于重复性测量的不确定度uA=0.000 5%。扩展频率测量的不确定度为：

  （10）

2.技术指标对比分析

根据以上分析，经过对该稳压电源技术指标和该电源校准装置技术指标的全面比较，显示该交流稳压电源测量的不确定度可以完全被其校准装置覆盖，真正达到了占据被校准设备各项技术指标的三分之一[4]。

五、结论

综上所述，本研究介绍的交流稳压电源校准装置，是由我国先进的交流电子负载、失真度测试仪、宽频带示波器、数字多用表等构成，具备适应性广、标准设备少、技术指标高、便于携带等优势，被检测的设备完全被测量范围所覆盖，在被检测设备技术指标中，测量不确定度占据整体指标的三分之一，可以符合量值传递的要求。另外，应用的所有标准设备都可以溯源到设备生产国最高计量标准，完全能满足高端企业专用交流稳压电源校准的需要。

参考文献

[1]邓泽平，李情，王轶欧.军用航空应急启动电源设计与实现[D].电源技术，2020， 44 (1): 129-131.

[2] 刘春艳，张卫国，黄大治.一种交直流电源自动检定系统的实现[J].电子测试，2010，(6):75-78.

[3] 戴军.基于单片机的直流稳压电源检定装置 [D].长春理工大学学报(自然科学版)，2018.41(6):114-117.

[4] 周志敏.浅析21世纪电源技术的发展动向(I).能源技术，2003， 24(1):43-45.