UPS校准方法研究

王 兵 印朝辉 张鹏程 李元芳

(1.北京航天计量测试技术研究所,北京 100076；2.中国运载火箭技术研究院，北京 100076)

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，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[2～4]。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。

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。

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。

(1)

Sv=max(Svx,Svy)

(2)

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；U198i——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。

(3)

式中：SL——负载调整率；Um——满载时，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，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。

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。

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，用功率计测量UPS的输入输出功率；效率η按公式(4)计算。

(4)

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ΔU；输出被校UPS的输出电压短期稳定度S按公式(5)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。

S=(ΔU/U0)×100%

(5)

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。

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。

4.10 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。

Y=X

(6)

式中：Y——标准表的示值；X——UPS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：(1～750)V，(10Hz～10kHz)；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

(7)

5.2.2.2 标准电压表分辨力引入的不确定度uB2

(8)

5.2.2.3 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。

(9)

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

经计算可知，uA1≈0.04%。

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。

(10)

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。

U=kuc=0.18%

(11)

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。

[1] QJ3233-2005《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)：68～70.

[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)：73～76.

[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.

[5] GJB2274-95《军用信息技术设备不间断电源通用规范》.

[6] JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》.