交流电子负载校准技术研究

郝志坤

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

交流电子负载校准技术研究

郝志坤

(北京航天计量测试技术研究所，北京 100076)

介绍了交流电子负载的校准方法、校准设备和校准原理等。交流电子负载是对是各种交流电源、UPS电源测试和老化试验的主要设备之一，其各项参数指标的优劣对被测设备的检测及故障分析具有重要意义。研究了交流负载的恒定电压、恒定电流、恒定电阻和恒定功率等功能的校准方法和指标，并通过实际测试、校准进行了验证，对校准结果的不确定度进行了评定，校准结果表明本文的校准方法能够满足仪器的技术要求。

交流电子负载 校准技术 恒定电压 恒定电流

1 引 言

交流电子负载是交流电源及UPS电源测试的主要设备之一，具有稳定性高、调节简单及功能齐全等特点。交流电源在研发生产过程中或产品出厂前都需要进行负载试验以检验电源的电气性能和输出能力。随着产品对可靠性和安全性的要求越来越高，对决定在其研发、生产和测试过程中供电质量稳定性和安全性起着重要作用的交流稳压电源、UPS电源等设备的检定要求也越来越高。交流电子负载作为其测试设备，作用也日显重要。交流电子负载模拟实际用电设备，具有恒定电压、恒定电流、恒定电阻和恒定功率等工作模式，本文针对交流负载的各项功能，研究交流电子负载的各项参数的校准条件、校准设备、校准指标、校准方法和校准结果的不确定度分析。

国外交流电子负载的生产厂商主要有Hamp;H(德国)、NHR(美国)、Chroma(美国生产)、KIKUSUI(日本)和Ametek(美国)等。国内目前只有西安爱科电子公司从事交流电子负载的生产。现有产品均能模拟阻性负载，工作方式都包含恒流和恒阻模式，部分还具备恒流和恒功率模式，输入电压频率范围为40Hz 至500Hz(略有差异)。德国Hamp;H 交流负载功率范围宽。NHR 和Chroma 的产品性能类似，有恒功率、恒压和短路工作模式，可模拟整流负载。KIKUSUI和NHR都仅有一种产品，单机功率分别为1kW和3kW；Chroma 的63800系列包括1.8kW、3.6kW和4.5kW共3个规格[2]。

针对越来越多地交流负载产品，国内却无相应的现行国家校准规范和行业规范。

国外产品均没有能量回馈功能和任意功率因数线性负载模拟功能。西安爱科的EL6200 单机功率3kVA，有恒功率工作模式，可模拟整流负载。因能量回馈型电子负载型号和产量均比较少，故本文对其校准方法不做研究，仅研究非能量回馈型交流电子负载，如图1所示。

2 校准原理

交流电子负载内部功能控制电路控制电子功率器件的功耗，吸收并消耗被测电源的电能起到负载的作用。通过交流电子负载的功能控制电路，能够模拟恒定电压、恒定功率、恒定电阻和恒定电流等工作状态，并具备电压、电流、功率和电压谐波失真度示值测量功能。

2.1电压谐波失真度误差

电压失真度是表征一个信号偏离纯正弦信号的程度。一个失真的正弦信号，根据傅里叶级数分析，是由基波和谐波的组合而成。因此，失真度的定义为全部谐波能量与基波能量之比的平方根值，即

(1)

式中：K——电压谐波失真度；P——信号总能量，W；P1——信号的基波能量，W；Pn——信号的第n次谐波的能量，W。

当负载为纯电阻负载时，也可以用全部谐波电压的有效值与基波电压的有效值之比的百分数来表示，即

(2)

式中：Un——信号的第n次谐波电压的有效值，V；U1——信号的基波电压的有效值，V。

2.2谐波分析法(频谱分析法)测量电压谐波失真度

如图2所示，谐波分析法是采用具有选频功能的测量设备，分别测出基波和谐波分量，即可根据公式(2)计算出失真度。

2.3基波抑制法测量电压谐波失真度

基波抑制法测量失真度的原理框图如图3所示，首先，当开关S接向1的位置，用电压表测出被测信号电压的总有效值。然后将开关S接到2的位置，接入基波抑制电路，将基波信号滤除，再用电压表测出除基波外的全部谐波电压总有效值。

3 校准方法

针对交流电子负载的各项功能和关键指标，我们选取了使用者最为关注的恒定电流工作状态的参数进行校准，并设计了电压谐波失真度示值测量功能校准方法。

3.1恒定电流设定值误差

3.1.1 校准方法分析

本标准规定了交流电子负载恒定电流设定值误差的三种校准方法，其中交流数字电流表直接校准法校准精度最高，但是校准范围较小，仅为0A～20A，在小电流条件下首选此方法；标准电阻器或分流器法校准范围宽，但受温度影响较大，在环境条件及散热条件好、电流加载时间短时，可选用此方法；电流传感器直接校准法精度及稳定性较差，校准大电流选取此方法。

3.1.2 交流标准数字电流表直接校准法

对与范围在0A～20A内的交流电流一般采用交流标准数字电流表直接校准法。如图4所示连接设备，交流电子负载设定为恒定电流模式，选取量程并设定电流为相应校准值。交流变频稳压电源电流设定为交流电子负载相应量程的上限值，电压设定为交流电子负载电压量程上限十分之一值。打开电源输出，交流电子负载加载，从交流标准数字电流表中直接读取电流值，记为IR1。

重复上述步骤，其他设置不变，改变交流变频电源电压输出值为交流电子负载电压量程的二分之一，打开交流变频稳压电源的输出，其标准值从交流标准电流表中读取，记为IR2。

再改变交流变频稳压电源电压输出值为交流电子负载电压量程的90%值(如有功率限制，则电压值按照相应值的90%取)，打开交流变频稳压电源的输出，其标准值从交流标准电流表中读取，记为IR3。

记IR1、IR2和IR3中与IS差值的绝对值最大值者为IRmax，则交流电子负载恒定电流模式设定值误差ΔIS按公式(3)计算。

ΔIS=IS-IRmax

(3)

式中：ΔIS——交流电子负载恒定电流模式设定值误差，A；IS——交流电子负载恒定电流设定值，A；IRmax——交流标准电流表读数值I1、I2和I3中与IS差值的绝对值最大值者，A。

3.1.3 电流传感器直接校准法

对范围在20A～200A的交流电流，一般采用电流传感器校准法直接校准。如图5所示连接设备，选取量程并设定电流为相应校准值。交流变频稳压电源电流设定为交流电子负载相应量程的上限值，电压设定为交流电子负载电压量程上限十分之一值。打开电源输出，交流电子负载加载，读取电流传感器读数值作为标准值，记为IT1。

重复上述步骤，其他设置不变，改变交流变频电源电压输出值为交流电子负载电压量程的二分之一，打开交流变频稳压电源的输出，读取电流传感器读数值作为标准值，记为IT2。

再改变交流变频稳压电源电压输出值为交流电子负载电压量程的90%值(如有功率限制，则电压值按照相应值的90%取)，打开交流变频稳压电源的输出，读取电流传感器读数值作为标准值，记为IT3。

记IT1、IT2和IT3中与IS差值的绝对值最大值者为ITmax，则交流电子负载恒定电流模式设定值误差ΔIS按公式(4)计算。

ΔIS=IS-ITmax

(4)

式中：ITmax——电流传感器读数值IT1、IT2和IT3中与IS差值的绝对值最大值者， A。

3.1.4 标准电阻器或分流器法

对范围在0A～200A的电流，一般采用标准电阻器或分流器法。如图6所示连接设备，交流电子负载设定为恒定电流模式，选取量程并设定电流为相应校准值。交流变频稳压电源电流设定为交流电子负载相应量程的上限值，电压设定为交流电子负载电压量程上限十分之一值，打开电源输出，交流电子负载加载，从交流标准数字电压表中直接读取电压值作为标准值，记为U01，根据上级检定机构的校准证书，查得标准电阻或分流器的校准值为R0，交流电流的标准值I01=U01/R0。

重复上述步骤，其他设置不变，改变交流变频电源电压输出值为交流电子负载电压量程的二分之一，打开交流变频稳压电源的输出，从交流标准数字电压表中直接读取电压值，记为U02，交流电流的标准值I02=U02/R0。

再改变交流变频稳压电源电压输出值为交流电子负载电压量程的90%值(如有功率限制，则电压值按照相应值的90%取)，打开交流变频稳压电源的输出，从交流标准数字电压表中直接读取电压值，记为U03，交流电流的标准值I03=U03/R0。

记I01、I02和I03中与IS差值的绝对值最大值者为I0max，则交流电子负载恒定电流模式设定值误差ΔI设按公式(5)计算。

ΔIS=IS-I0max

(5)

式中：I0max——电流值I01、I02和I03中与IS差值的绝对值最大值者，A。

3.2恒定电压设定值

如图7所示连接设备，检查线路连接无误后接通供电电源。被校准交流电子负载设定为恒定电压模式，选择量程并将其恒定电压设定为要校准的数值US后，将负载设置为加载状态。交流变频稳压电源输出电压设定为大于US的数值(交流电源的输出预设值应大于US、小于电子负载的最大使用电压)，其电流输出值设为交流电子负载电流量程十分之一数值。设定完毕，打开交流变频稳压电源的输出，交流电子负载工作在恒定电压模式下，其标准值从交流标准数字电压表中读取，记为U1。

其他设置不变，改变交流变频电源电流输出值为交流电子负载电流量程的二分之一，打开交流变频稳压电源的输出，其标准值从交流标准数字电压表中读取，记为U2。

再改变交流变频稳压电源电流输出值为交流电子负载电流量程的90%值，打开交流变频稳压电源的输出，其标准值从交流标准数字电压表中读取，记为U3。

记U1、U2和U3中与US差值的绝对值最大值者为Umax，则交流电子负载恒定电压设定值误差ΔUS用公式(6)计算。

ΔUS=US-Umax

(6)

式中：ΔUS——交流电子负载的恒定电压设定值误差，V；US——交流电子负载恒定电压模式电压设定值，单位为伏特(V)；Umax——交流标准数字电压表读数值U1、U2和U3中与US差值的绝对值最大值者，V。

3.3恒定功率设定值

将交流电子负载设定为恒定功率模式，如图8所示连接设备，使用标准功率计作为标准，把标准功率计电压、电流检测端分别接在电子负载的输入端和回路中，检查线路连接无误后接通供电电源。将交流电子负载的工作模式设定为恒定功率模式，选取量程并设定功率为欲校准数值。交流变频稳压电源输出电压设为负载预期使用值或电压量程上限的90%，加载后，读取标准功率计测量值作为标准值，则交流电子负载恒功率设定值误差ΔPS用公式(7)计算。

(7)

式中：ΔPS——交流电子负载恒定功率模式设定值误差，W；PS——交流电子负载恒定功率设定值，W；PM——标准功率计读数值，W。

3.4恒定电阻设定值

如图9所示连接标准电阻或分流器、交流变频稳压电源和交流电子负载，把交流标准数字电压表1接在标准电阻或分流器的两端，交流标准数字电压表2接在交流电子负载输入端，检查线路连接无误后接通供电电源。交流电子负载设为恒定电阻模式(纯阻性)，选取量程并设定电阻为相应校准数值。交流变频稳压电源电压、电流设为合适的数值。打开电源输出，交流电子负载加载，读取交流标准数字电压表1、交流标准数字电压表2读数值，根据上级检定机构的校准证书，查得标准电阻或分流器的校准值。则电子负载恒定电阻设定值误差按公式(8)计算。

(8)

式中：ΔR——交流电子负载恒定电阻设定值误差，Ω；RX——交流电子负载恒定电阻设定值，Ω；UR2——交流标准数字电压表2读数值，V；UR1——交流标准数字电压表1读数值，V；RS——标准电阻或分流器的校准值，Ω。

3.5电压谐波失真示值误差

如图10所示连接设备，设定交流稳压源输出电压基波频率为50Hz，二次电压谐波频率为100Hz，选取三到五个校准点，交流电子负载工作在相应模式。打开电源输出，交流电子负载加载，读取交流电子负载和失真度测量仪读数值，则交流电子负载电压谐波失真示值误差△K按公式(9)计算，当交流电子负载使用谐波分析法原理测量电压谐波失真时，则按公式(10)计算。

(9)

式中：ΔK——交流电子负载电压谐波失真示值误差，%；KS——交流电子负载电压谐波失真示值，%；K0——失真度测量仪读数值，%。

(10)

4 测试数据

选取NHR4600-2交流电子负载作为被校准设备，采用FLUKE N4000功率分析仪、交流稳压电源、PORDIGIT 7550A分流器和FLUKE 8508A数字多用表等设备作为标准器，按照本文设计的方法对其校准。得到校准数据，校准结果如表1所示。

5 校准结果不确定度分析

以交流电子负载的交流电压设定值为110V(50Hz)的测量不确定度评定为例，进行交流电子负载校准项目的测量不确定度评定。其他几项参数的校准方法类似，其校准结果的不确定度评定参考以下方法。

5.1测量模型

交流电子负载电压设定值误差的各参数测量均采用直接测量法，测量模型按公式(11)计算。

ΔUR=UR-UM

(11)

式中：ΔUR——被校交流电子负载电压设定值误差，V；UR——被校准交流电子负载电压设定值，V；UM——交流标准数字电压表读数值，V。

电压设定值误差校准原理如图11所示。

5.2测量不确定度的主要来源

测量不确定度主要来源如下：

a)交流标准数字电压表年允许误差引入的不确定度u11；

b)交流电子负载设定值分辨率引入的不确定度u12；

c)交流标准数字电压表显示值的分辨力引入的不确定度u13；

d)交流电子负载电压设定值测量重复性引入的不确定度u14。

5.3测量不确定度分量

5.3.1 交流标准数字电压表年允许误差引入的不确定度u11

u11=a11/k11

(12)

5.3.2 交流电子负载分辨力引入的不确定度u12

u12=a12/k12

(13)

5.3.3 交流标准数字电压表显示值的分辨力引入的不确定度u13

u13=a13/k13

(14)

5.3.4 交流电子负载电压示值测量重复性引入的不确定度u14

该项不确定度采用A类评定。对交流电子负载电压值进行重复测量10次，测量数据见表2，实验标准差s按公式(15)计算。

(15)

表2 交流电子负载电压示值110V(AC)测量数据

把表2数值带入公式(15)，则

s=0.067V

此项不确定度分量u14按公式(16)计算。

(16)

5.4合成标准不确定度uc

u11、u12、u13、u14四个分量互不相关，则电压示值误差的合成标准不确定度uc按式(17)计算。

(17)

5.5扩展不确定度U

取包含因子k=2，扩展不确定度按公式(18)计算。

U=kuc

(18)

U=2×0.06V=0.12V

6 结束语

本文针对交流电子负载的各项参数指标，提出了一种新的校准方法，解决了国内此类设备无校准规范的问题。根据设计的方法对交流电子负载进行了校准，并对测量不确定度进行了评估。经验证，方法合理有效，测量结果能够满足被测设备的技术要求。为进一步评估交流电子负载的性能，提供了依据。

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[6] AC Programmable Electronic Load Data Sheet. Hamp;H Company (Germany).

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，工程师，主要研究方向：电磁学计量技术。

1000-7202(2017) 04-0054-07

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.12

TM933

A