CN106526505A - 交流稳压电源非线性带载能力特性测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交流稳压电源非线性带载能力特性测试方法及系统，其采用的非线性负载包括与电源连接的四个二极管构成的整流电路、与整流电路并联的电容以及作为负载的可变电阻，其特征在于：通过对非线性负载中的电阻、电容调整来模拟出负载的功率因数情况，随后对电路进行测量参数并进行分析，进而实现对交流稳压电源的非线性负载能力进行测试。可以任意模拟出负载的功率因数情况，实现对交流稳压电源的非线性负载能力进行测试和验证。

Description

交流稳压电源非线性带载能力特性测试方法及系统

技术领域

本发明属于测试技术领域，尤其涉及一种交流稳压电源非线性带载能力特性测试方法及系统。

背景技术

目前，在国内大量交流稳压电源生产厂商只使用阻性负载或者非线性电子负载完成基本功能和指标的试验，对于一些难于试验的(如非线性带载能力特性试验)项目因为没有合适的测试方法而放弃。而在实际工作生活中，稳压电源的负载大都是电源、PC机等，这些负载的输入电路一般都是二极管整流桥非线性负载。如果生产厂家不对UPS等交流稳压电源的非线性带载能力进行测试，就把使用的风险转嫁给了用户。用户在进行UPS选择时候，为了增加可靠性往往需要对容量进行较大的冗余，增加了用户的成本，如果对负载估计不足而冗余度不够时候，就可能会出现交流稳压电源与负载都不能正常工作的情况，这在有些重要场合是绝对不允许的。如何能够找到一种方便可行的方法对交流稳压电源带载能力进行测试，变得尤为重要。

发明内容

本发明的提供一种能够解决上述问题的新方法，其综合考虑相移功率因数和畸变功率因数的带载能力测试方案，可用于对不间断电源、净化电源等交流稳压电源的非线性带载能力进行测试和验证。

具体而言本发明提供一种交流稳压电源非线性带载能力特性测试方法，其采用的非线性负载包括与电源连接的四个二极管构成的整流电路、与整流电路并联的电容以及作为负载的可变电阻，其特征在于：通过对非线性负载中的电阻、电容调整来模拟出负载的功率因数情况，随后对电路进行测量参数并进行分析，进而实现对交流稳压电源的非线性负载能力进行测试。

进一步地，其特征在于：所述对电阻电容的调整模拟负载的功率因数的公式为：

式中：λ为功率因数；

为基波的相移功率因数；

为畸变功率因数，为基波电流有效值与总电流有效值之比；

表示基波电流滞后电压的相角，单位是rad；

ω为角频率，单位是rad；

R为非线性负载的电阻，单位是Ohm；

C为非线性负载的电容，单位是F；

Um为正弦电压的幅值，单位是V；

θ为整流桥二极管D1和D4开始导通点距电源电压过零点的相位角，单位是rad；

δ为整流桥二极管D1和D4的导通角，单位是rad。

进一步地，其特征在于：所述电阻、电容采用分级调节的模式，以实现在一定范围内选择不同功率因数的非线性负载测试条件。

进一步地，其特征在于：所述非线性负载采用多个大功率电阻，并可用计算机控制继电器的开关实现任意电阻在直流母线上并联或切除；多只电容并联在母线上，并可计算机控制继电器的开关实现任意电容器在直流母线上并联或切除。

进一步地，其特征在于：所述非线性负载包括18个大功率50欧姆电阻，及12只电容，容值分别选取六只5mF，三只4mF和三只470uF，这样配置的系统，电阻值的变化范围为2.78～50欧姆，电容值的变化范围为0.47～43.41mF，ωRC的变化范围为6.1×10-7～681.9，实现全范围覆盖。

本发明还提供一种测试系统，其特征在于：还包括计算机、电能质量分析仪和示波器，其中电能质量分析仪和示波器用于检测交流稳压电源的输出电压、频率以及电压波形；计算机用于功率因数的输入、功率输出等参数，并计算相应的需要的电阻值和电容值，并对非线性负载中的电阻、电容的通断控制，使得非线性负载工作在希望的状态；并对输入电压、电流等参数的采集与显示，数据保存以及相关保护功能。

进一步地，其特征在于：所述非线性负载采用多个大功率电阻，并可用计算机控制继电器的开关实现任意电阻在直流母线上并联或切除；多只电容并联在母线上，并可计算机控制继电器的开关实现任意电容器在直流母线上并联或切除。

进一步地，其特征在于：所述非线性负载包括18个大功率50欧姆电阻，及12只电容，容值分别选取六只5mF，三只4mF和三只470uF，这样配置的系统，电阻值的变化范围为2.78～50欧姆，电容值的变化范围为0.47～43.41mF，ωRC的变化范围为6.1×10-7～681.9，实现全范围覆盖。

附图说明

图1是标准非线性负载结构图；

图2是功率立方体示意图；

图3是非线性负载情况下相关电压和电流波形图，横坐标为ωt，图中的细实线为交流输入电压u，长虚线为交流输入电压的对称波形(-u)，仅仅为了方便显示，无实际意义，双实线为交流输入侧的电流i，发生了畸变，粗实线位电容两端的电压波形u_C，图中的θ为整流桥二极管D1和D4开始导通点距电源电压过零点的相位角，δ为整流桥二极管D1和D4的导通角；

图4是θ和δ与ωRC的关系图，横坐标为ωRC，纵坐标为角度，画出了θ和δ与ωRC的关系曲线；

图5是基波的相移功率因数及畸变功率因数与ωRC的关系图，横坐标为ωRC，画出了基波相移功率因数及畸变功率因数与ωRC的关系曲线；

图6是测试系统示意图；

图7是测试流程图。

具体实施方式

下面结合附图1-5说明本发明测试方法的原理。

非线性负载的负载阻抗不总为恒定常数，其随诸如电压或时间等其他参数而变化。图1示出了标准的基准非线性负载示意图，其包括与电源连接的四个二极管构成的整流电路、与整流电路并联的电容C以及作为负载的可变电阻R1。

在非线性负载条件下，在正弦电压输出后，由于负载阻抗参数的变化，电流会变成非正弦，非正弦电流产生的压降也会影响电压波形变化为非正弦波形。对于周期为T＝2π/ω的非正弦电压u(t)和非正弦电流i(t)，一般可以分解为傅里叶级数：

其中：

ω为角频率

其中：

ω为角频率

对于上述二式描述的电压和电流，由于正弦函数的正交性，可以得到非正弦周期电压u(ωt)和非正弦周期电流i(ωt)条件下的有功功率为：

其中，U₀，I₀分别表示直流电压和电流的有效值，单位分别为V和A；

U₁，I₁分别表示基波电压和电流的有效值，单位分别为V和A；

U_n，I_n分别表示n次波电压和电流的有效值，单位分别为V和A；

表示基波电流滞后电压的相角，单位：rad；

表示n次谐波电流滞后n次谐波电压的相角，单位：rad。

由以上等式可知，非正弦周期条件下的电压有效值U，I，和视在功率S分别为：

其中，U和I分别表示电压和电流的有效值，单位分别为V和A；

U_n，I_n分别表示n次谐波电压和电流的有效值，单位分别为V和A。

在实际情况中，非线性负载条件下，电流和电压都会发生畸变，但是电网中的直流分量很小，考虑电网阻抗很小，可以认为U₀·I₀≈0，所以得到如下有功功率计算等式，可见非线性负载条件下有用功率约等于基波产生的有功功率。

其中，U₁，I₁和的定义同式(7)中的定义。

基波产生的无功功率为：

其中，U₁，I₁和的定义同式(7)中的定义。

忽略电压谐波的影响，可以得到：

其中，U₁，I₁，U_n，I_n的定义同式(7)中的定义。

非线性负载下由谐波产生的无功功率，也就是畸变功率为可见：

S²＝P²+Q₁ ²+D² (14)

可以用功率立方体(参见图2)来说明非线性负载的有功功率、视在功率、基波产生的无功功率、畸变功率与功率因数之间的关系。

其中：λ表示非线性负载条件下的功率因数；

S₁表示基波的视在功率，单位是VA；

表示基波相移功率因数；

表示畸变功率因数，为基波电流有效值与总电流有效值之比。

可见，非线性负载条件下的功率因数由基波的相移功率因数与畸变功率因数的乘积决定。

继续参见图1，要确定基准非线性负载的功率因数，就要首先进行谐波分析确定其畸变功率因数。由于电压的畸变很小，对基准非线性负载，在电路进入稳态后，假设二极管D1和D4在距离输入电压过零点的θ角处开始导通，取导通时刻为时间零点，可得到输入端电压为(电压波形见图3)：

u(ωt)＝U_m·sin(ωt+θ) (16)

其中，ω为角频率，单位是rad；

Um为正弦电压的幅值，单位是V；

θ为整流桥二极管D1和D4开始导通点距电源电压过零点的相位角，单位是rad；

在t＝0时刻，电容两端初始电压为U_C(0)，考虑到电容的积分效应可以列得如下方程：

其中：C表示基准非线性负载中的电容值；

i_C表示流过电容的C的电流；

解上述方程，容易得到流过电容的电流表达式为：

i_C＝ωCU_m·cos(ωt+θ) (18)

其中，各参数定义同前述。

考虑到负载电阻上电流为：

其中：R表示基准非线性负载中的电阻值；其他参数定义同前述。

可得二极管的输出电流表达式为：

i_d＝i_C+i_R＝ωCU_m·cos(ωt+θ)+U_m/R·sin(ωt+θ) (20)

其中，各参数定义同前述。

二极管D1和D4的导通角为δ，在ωt＝δ的时刻，电容两端电压和输入电压相等，即：

u_C＝u＝U_m·sin(δ+θ) (21)

其中，各参数定义同前述。

此时，二极管D1和D4关断，也就是说i_d(δ)＝0，带入i_d表达式可得到

tan(δ+θ)＝-ωRC (22)

其中，各参数定义同前述。

所以有：

δ＝π-θ-arctan(ωRC) (23)

其中，各参数定义同前述。

此时，电容开始以时间常数RC按指数曲线放电，当放电到ωt＝π时刻，电容两端电压降到初始电压U_msinθ，此时整流桥的另外两个二极管D2和D3开始导通，所以很容易得到如下表达式：

上述二式中，各参数定义同前述。

在ω，R，C都已知的情况下，可以计算出θ和δ的值来(见图4)，并进一步求得流过二极管的电流i_d有如下表达式：

其中，各参数定义同前述。

电源侧电流i与通过二极管的电流i_d在正半周期相同，在负半周期为沿横轴镜像，因此可知，电源侧电流幅值与ωCU_m成正比，波形由ωRC来决定。进一步将电源侧电流i进行傅立叶分解后可以得到：

其中，

电流i的有效值可以表达为：

可见，以上的各项参数和ωC以及ωRC相关，将各个参数带入基波相移功率因数和畸变功率因数公式计算如下：

可见，和的计算仅和ωRC有关，和ωC无关，将和的计算带入可以很容易计算出功率因数λ，它也仅与ωRC有关，和ωC无关。根据前面的计算，可以画出相移因数和畸变因数以及非线性负载条件下的功率因数曲线如图5。

所以，只要对基准非线性负载中的电阻R电容C根据图5进行调整，可以任意模拟出负载的功率因数情况，实现对交流稳压电源的非线性负载能力进行测试和验证。

下面结合具体实施例说明本发明方案的测试过程：

为了说明利用本测试方法对交流稳压电源的非线性带载能力进行验证和测试，搭建如图6所示的测试系统，为了适应不同稳压电源的测试要求，采用了电阻、电容可以分级调节的模式，这样可以实现在一定范围内选择不同功率因数的非线性负载测试条件，方便根据不同稳压电源的指标要求进行适当的调节和有针对性的测试。

系统中，用电能质量分析仪和示波器观察并记录交流稳压电源的输出电压、频率以及电压波形是否达到要求，根据所测试的交流稳压电源指标，考虑到系统的可靠和维修方便，本系统设置18个大功率50欧姆电阻，可以用计算机控制继电器的开关实现任意电阻在直流母线上并联或切除；设置12只电容并联在母线上，并用计算机控制继电器的开关实现任意电容器在直流母线上并联或切除，容值分别选取六只5mF，三只4mF和三只470uF。这样配置的系统，电阻值的变化范围为2.78～50欧姆，电容值的变化范围为0.47～43.41mF，ωRC的变化范围为6.1×10^-7～681.9，可以认为ωRC的变化可以实现全范围覆盖，系统图中的计算机控制软件采用模块化设计，实现对非线性负载中的电阻、电容的通断控制，使得非线性负载工作在任意希望的状态，还需要实现对输入电压、电流等参数的采集与显示，数据保存以及相关保护功能等。

交流稳压电源的非线性带载能力测试是在稳压电源输出端施加基准非线性负载的情况下进行测试，测试开始前，需要用户提前输入交流稳压电源规定的最低功率因数和输出功率等指标参数，测试中根据这些指标要求进行设置，实现对其非线性带载能力的验证和测试。测试开始后，系统根据用户输入的功率和最低功率因数计算负载需要的电阻值和电容值，发送指令给负载，使负载给出符合要求的电阻和电容，然后计算机读取电能质量分析仪测量的功率因数和电压失真度等数据，再将额定数据、显示数据和标准测量数据进行对比，判断是否在允许范围内，进而判断交流稳压电源非线性带载能力是否合格及满足使用要求。带基准非线性负载输出能力测试的流程图如图7所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种交流稳压电源非线性带载能力特性测试方法，其采用的非线性负载包括与电源连接的四个二极管构成的整流电路、与整流电路并联的电容以及作为负载的可变电阻，其特征在于：通过对非线性负载中的电阻、电容调整来模拟出负载的功率因数情况，随后对电路进行测量参数并进行分析，进而实现对交流稳压电源的非线性负载能力进行测试。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于：所述对电阻电容的调整模拟负载的功率因数的公式为：

因数；

为基波的相移功率因数；

为畸变功率因数，为基波电流有效值与总电流有效值之比；

表示基波电流滞后电压的相角，单位是rad；

ω为角频率，单位是rad；

R为非线性负载的电阻，单位是Ohm；

C为非线性负载的电容，单位是F；

Um为正弦电压的幅值，单位是V；

θ为整流桥二极管D1和D4开始导通点距电源电压过零点的相位角，单位是rad；

δ为整流桥二极管D1和D4的导通角，单位是rad。

3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于：所述电阻、电容采用分级调节的模式，以实现在一定范围内选择不同功率因数的非线性负载测试条件。

4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于：所述非线性负载采用多个大功率电阻，并可用计算机控制继电器的开关实现任意电阻在直流母线上并联或切除；多只电容并联在母线上，并可计算机控制继电器的开关实现任意电容器在直流母线上并联或切除。

5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于：所述非线性负载包括18个大功率50欧姆电阻，及12只电容，容值分别选取六只5mF，三只4mF和三只470uF，这样配置的系统，电阻值的变化范围为2.78～50欧姆，电容值的变化范围为0.47～43.41mF，ωRC的变化范围为6.1×10^-7～681.9，实现全范围覆盖。

6.根据权利要求1-5任一项所述的测试方法，其特征在于：还包括计算机、电能质量分析仪和示波器，其中电能质量分析仪和示波器用于检测交流稳压电源的输出电压、频率以及电压波形；计算机用于功率因数的输入、功率输出等参数，并计算相应的需要的电阻值和电容值，并对非线性负载中的电阻、电容的通断控制，使得非线性负载工作在希望的状态；并对输入电压、电流等参数的采集与显示，数据保存以及相关保护功能。

7.根据权利要求6所述测试方法，其特征在于：所述计算机还负责读取电能质量分析仪测量的功率因数和电压失真度等数据，再与额定数据、显示数据和标准测量数据进行对比，判断是否在允许范围内，进而判断交流稳压电源非线性带载能力是否合格及满足使用要求。

8.一种交流稳压电源非线性带载能力特性测试系统，包括非线性负载，其特征在于：还包括计算机、电能质量分析仪和示波器，其中非线性负载包括与电源连接的四个二极管构成的整流电路、与整流电路并联的电容以及作为负载的可变电阻，电能质量分析仪和示波器连接在非线性负载与电源之间，计算机分别与电能质量分析仪、示波器和非线性负载连接实现控制，其中所述系统采用权利要求1-6任一项的方法进行测试。

9.根据权利要求8所述的测试系统，其特征在于：所述非线性负载采用多个大功率电阻，并可用计算机控制继电器的开关实现任意电阻在直流母线上并联或切除；多只电容并联在母线上，并可计算机控制继电器的开关实现任意电容器在直流母线上并联或切除。

10.根据权利要求9所述的测试系统，其特征在于：所述非线性负载包括18个大功率50欧姆电阻，及12只电容，容值分别选取六只5mF，三只4mF和三只470uF，这样配置的系统，电阻值的变化范围为2.78～50欧姆，电容值的变化范围为0.47～43.41mF，ωRC的变化范围为6.1×10^-7～681.9，实现全范围覆盖。