測試，是保證產(chǎn)品質(zhì)量與品質(zhì)必不可少的一個環(huán)節(jié)，制造商需要更精準(zhǔn)、更靈活、更經(jīng)濟的測試系統(tǒng)。發(fā)展越迅速的產(chǎn)業(yè)以及應(yīng)用越廣泛的產(chǎn)品，對測試與相關(guān)技術(shù)的要求就越嚴(yán)格與多變，正如電源產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展所帶來的測試工作的巨大挑戰(zhàn)。
實際需求驅(qū)動電源測試工作不斷改善
電源在生活中隨處可見，從消費類電子產(chǎn)品到軍事裝備和工業(yè)設(shè)施，眾多電子設(shè)備都需要電源以確保正常運行。從原理上來看，常見的電源實例包括通信用AC-DC開關(guān)電源和DC-DC開關(guān)電源，除了上述兩類，針對某特定應(yīng)用的特種電源也比比皆是，無論哪種電源，其測試過程都是巨大的挑戰(zhàn)，主要集中在以下幾個方面。
平臺化電源測試及應(yīng)用設(shè)計
1.指標(biāo)與功能的不斷提升
1)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜：開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)由當(dāng)初的三種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演變?yōu)楝F(xiàn)在的多種結(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜化加之軟開關(guān)等輔助技術(shù)的發(fā)展，使得電路節(jié)點與控制信號增多。因此，在電源的設(shè)計過程中，如何準(zhǔn)確采集電路各個節(jié)點與控制信號的狀態(tài)顯得尤為重要。例如：同步整流電源需要同步監(jiān)測幾個開關(guān)的控制信號;反激式電源則需要同時監(jiān)測初級與次級兩個隔離電流通路的電流狀態(tài)。
2)電源的效率要求越來越高：隨著微處理器技術(shù)的不斷革新，其供電電源也在向低電壓、大電流和大功率的方向發(fā)展，此外，電源設(shè)備的小型化對電源效率的要求更高。一般來講，開關(guān)電源的損耗主要來自開關(guān)損耗和電感磁損兩方面。因此，研發(fā)過程中，度量這兩方面的電能消耗將成為另一項重要需求。
3)對電源暫態(tài)特性指標(biāo)的重視程度逐漸提高：為更好地對電源進(jìn)行測試，打開時間、關(guān)閉時間、DC端輸出的穩(wěn)定時間等過程指標(biāo)也需要精準(zhǔn)測試，這就要求測試設(shè)備在具有更高精度與帶寬的同時，要綜合運用測試相關(guān)技術(shù)，才能夠精準(zhǔn)地捕獲這些信號。
2.降低成本與更新迭代加速
隨著相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，電子設(shè)備更新?lián)Q代加快，這使得電源產(chǎn)品型號更新周期越來越短，電源技術(shù)的發(fā)展本身也使得電源產(chǎn)品更新迭代加速。要求新產(chǎn)品完成測試工作所用的時間越來越短，電源廠商迫切需要測試系統(tǒng)具備快速換型，測試序列無縫遷移，系統(tǒng)自學(xué)習(xí)等功能，真正實現(xiàn)不同型號產(chǎn)品的共線測試與共平臺測試。雖然留給設(shè)計工程師設(shè)計、生產(chǎn)與測試的時間越來越短，但產(chǎn)品的成本卻在降低。據(jù)某權(quán)威調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，AC/DC前端開關(guān)電源的平均成本已經(jīng)從2003年的0.1～0.2美元/瓦降到了0.08～0.14美元/瓦，測試指標(biāo)卻越來越嚴(yán)格，降低成本成為企業(yè)關(guān)心的焦點之一。模塊化開放的測試系統(tǒng)能夠降低測試成本，并快速適應(yīng)不同的被測對象，很好地彌補了傳統(tǒng)臺式測試設(shè)備的不足，更適合當(dāng)前的電源測試需求。
3.迫切需要自主掌握核心技術(shù)
每個企業(yè)都迫切想要掌握屬于自己的核心技術(shù)，這是企業(yè)賴以生存的核心競爭力，對于電源研制和生產(chǎn)的企業(yè)同樣如此。在由中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)型的過程中，越來越多的電源廠商不斷積累和提升自身的核心技術(shù)實力，為生產(chǎn)出在全球市場具有競爭力產(chǎn)品奠定堅實基礎(chǔ)。產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)的終檢測試已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)下的測試需求，電源廠商期望測試系統(tǒng)能夠在研發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)的全過程都提供有力的支撐。相應(yīng)地，如何助力企業(yè)掌握核心技術(shù)也是擺在測試測量廠商面前的目標(biāo)和挑戰(zhàn)。
平臺化電源測試解決方法
根據(jù)以上挑戰(zhàn)我們不難看出，電源廠商一方面需要方便快捷的電源測試與檢測平臺，以提高電源產(chǎn)品測試的易于操作性，維護(hù)方便性，減少維護(hù)測試費用等;另外一方面，也需要高效、高精度、高可靠性的測試系統(tǒng)以盡快推出更優(yōu)的新產(chǎn)品，贏得商機。因此，無論是初期的手工作坊操作方式，或是傳統(tǒng)的臺式儀器的方式，都不能夠滿足當(dāng)下的測試需求。結(jié)合國內(nèi)外技術(shù)的經(jīng)驗以及大量實踐應(yīng)用可知，平臺化的電源測試能夠幫助我們解決這些問題。
1.模塊化硬件平臺
為了在保障可靠性的同時，獲取最大的靈活性，測試系統(tǒng)往往需要統(tǒng)一的硬件平臺，包括核心數(shù)據(jù)采集設(shè)備、測試配套環(huán)境提供設(shè)備、信號接入與夾具、矩陣與路由等幾大部分，每個部分能夠提供成熟完善的可選搭配，以快速勝任不同測試需求和不同應(yīng)用場合的測試工作。
核心測試平臺的選擇對于硬件平臺的靈活性起到至關(guān)重要的作用，PXI總線作為主流的測試總線，模塊化的硬件架構(gòu)能夠提供靈活多變的硬件組合，覆蓋可程控AC/DC電源供應(yīng)器、電子負(fù)載、數(shù)字電表、示波器、時序/噪聲分析儀和短路及過電壓保護(hù)測試器等設(shè)備，從而在硬件上真正滿足任何形式的電源的基本電氣功能測試要求。
2.高度集成的智能軟件平臺
軟件在平臺化測試中扮演著重要的角色，既要具備易用友好的操作性，又要精確地與平臺內(nèi)所有硬件進(jìn)行交互，更為重要的是還要具有智能調(diào)配資源/交互感知等功能。具體來講，電源測試軟件應(yīng)該具備如下特點：
可自定義：支持不同電源型號的測試項目自由編輯，優(yōu)化測試命令技術(shù)以執(zhí)行效率;可拓展性：方便添加新測試項目和功能，開放測試端口，無縫鏈接硬件平臺，適用各種電源自主研發(fā)測試;可靠性高：開發(fā)過程從下游到上游引入可靠保障機制，程序代碼經(jīng)過完善測試，開發(fā)過程遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的魯棒性與容錯能力，可以保障電源測試系統(tǒng)在軟件設(shè)計上的可靠性，與硬件連接部分經(jīng)過多平臺測試，確保使用過程中的性能;專業(yè)性強：針對電源測試應(yīng)用進(jìn)行功能優(yōu)化，具備相關(guān)總線通訊能力，根據(jù)測試需求自動生成報表，具有數(shù)據(jù)庫操作能力，方便進(jìn)行質(zhì)量統(tǒng)計。
本篇文章來源于:電源在線網(wǎng)原文鏈接：http://www.cps800.com/news/57767.htm
3.測試應(yīng)用案例：星載二次電源測試
系統(tǒng)對衛(wèi)星控制分系統(tǒng)電源部分測試，屬于DC測試，在統(tǒng)一平臺中能夠測試12種星載二次電源，分析其電壓特性、功率特性、負(fù)載特性。具有良好擴展性，能夠與外圍設(shè)備，如示波器、一次電源等組成一套系統(tǒng)。擴展性良好，能夠測試新型號電源，并適應(yīng)星載環(huán)境要求。
4.測試應(yīng)用案例：服務(wù)器電源自動測試臺
具備并行測試儀器控制、自定義編輯測試序列，配置報表生成規(guī)范等功能;輕松實現(xiàn)各種電源供應(yīng)器的基本電氣功能的測試。主要測試項目：動態(tài)負(fù)載下輸出的反應(yīng)特性(DynamicResponse)，輸入電源變化時某輸出電壓的穩(wěn)定性(LineRegulation)，開機時各組輸出電壓上升的時序(TurnonTime)，過電壓保護(hù)測試(OverVoltageProtectionTest)等電源特性、時間特性、電器特性的測試。支持PMBus1.1版本所有標(biāo)準(zhǔn)命令和擴展命令，兼容自定義指令，支持廠商自定義命令碼表，支持7位和10位器件地址靈活配置和尋址，通訊速率高達(dá)400Kbps，包括全面的函數(shù)功能模塊，方便實用。
如何獲取真正的測試需求
以用戶需求為導(dǎo)向是測試測量行業(yè)發(fā)展的一大特點，滿足客戶需求甚至超前需求是測試廠商需要時刻銘記的，而測試測量需求趨向于細(xì)分化更是主流趨勢，不同行業(yè)、不同區(qū)域、不同廠商甚至不同產(chǎn)品線的需求各不相同，在國外公司居主導(dǎo)地位的電源中高端測試領(lǐng)域中，北京泛華恒興科技有限公司對于測試系統(tǒng)如何緊貼電源行業(yè)發(fā)展，如何因地制宜地做測試等方面，有自己獨特的一系列規(guī)范和方法。
1.全自動化測試與靈活易于調(diào)試
由于人力成本，培訓(xùn)成本以及人工誤操作等因素，生產(chǎn)線終檢測試希望盡可能的提高自動化程度。而研究實驗階段所需的測試設(shè)備，由于產(chǎn)品尚未定型，需要更改和調(diào)試的內(nèi)容相當(dāng)多，所以科研人員希望測試設(shè)備能夠盡量靈活與開放，以方便研發(fā)設(shè)計過程中的測試。
2.高精度與嚴(yán)格的測試節(jié)拍
在實驗研發(fā)階段，對于測試精度的要求往往高于產(chǎn)品定型后的生產(chǎn)階段測試，而生產(chǎn)階段的測試節(jié)拍要求卻異�？量�，很多時候，即使是全自動化的測試系統(tǒng)，也無法滿足整個產(chǎn)線的測試節(jié)拍需求，這時候，需要因地制宜地采用并行測試技術(shù)，以提高測試效率。
3.測試環(huán)境差異
在實驗室中測試環(huán)境相對理想，而在實際工程應(yīng)用中，測試環(huán)境就變得復(fù)雜許多，為保證測試系統(tǒng)的精度和指標(biāo)，需要在設(shè)計測試系統(tǒng)開始時就考慮環(huán)境因素所帶來的影響。
4.軟件需求差異
研究型軟件和生產(chǎn)型軟件的應(yīng)用階段不同，因此在需求上具有較大的差異。研究型軟件應(yīng)用于技術(shù)研發(fā)階段，因為技術(shù)和產(chǎn)品尚未定型，因此存在更多的變數(shù)，軟件需要根據(jù)技術(shù)的不斷成形的過程而不斷的改變。因此研究型軟件要求架構(gòu)靈活健壯，能夠快速的應(yīng)對和滿足各種變化的需要，而對易操作性、穩(wěn)定性和功能完整性的要求相對不高。生產(chǎn)型軟件應(yīng)用于技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的階段，即產(chǎn)品的生產(chǎn)階段。由于產(chǎn)品已經(jīng)定型，因此需要軟件功能完整，易于使用，并且要求軟件穩(wěn)定，能夠保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。
本文小結(jié)
平臺化的電源測試模式經(jīng)過大量實際電源測試項目的充分驗證，可以滿足電源測試的現(xiàn)實需求。平臺化架構(gòu)與模塊的靈活組合，可以最大限度地適應(yīng)不同應(yīng)用場合、不同階段、不同產(chǎn)品型號的測試，高度集中的智能軟件支持使得這個過程更為迅速與便捷，可為電源研發(fā)和生產(chǎn)的順利開展提供有力保障，無疑是電源測試今后的發(fā)展趨勢。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，人們對建筑物內(nèi)的環(huán)境、使用功能、消防安全等提出了更高的要求。越現(xiàn)代化的建筑對電的依賴越高，但電力故障是不以人的意志為轉(zhuǎn)移，一旦發(fā)生災(zāi)害事故將導(dǎo)致電力中斷或電力中斷后發(fā)生災(zāi)害事故，人民的生命財產(chǎn)安全將直接受到威脅。因此，《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》和《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》中嚴(yán)格規(guī)定：一級負(fù)荷中特別重要的設(shè)備必須增設(shè)二路電源。目前，市場上常用的備用電源有發(fā)電機組、UPS、EPS等產(chǎn)品，至于它們?nèi)N供電方案以及衍生方案并不能保證電源100%不間斷。本文的內(nèi)容是筆者根據(jù)工作幾年來從事EPS及UPS項目總結(jié)出來的。
l 解決問題的方法
變頻器無論是頻率控制型還是矢量控制型或者轉(zhuǎn)矩控制型，都是具有變頻軟起動功能，即電機起動時，因為輸出電壓和頻率均可從零開始，就限制了電機的起動電流，甚至小于額定電流就可以正常起動。變頻器的容量，在380V電壓等級，功率范圍從2,2~1500kW的產(chǎn)品幾乎可以覆蓋目前所有的應(yīng)用范圍。
目前常用的變頻器都是交-直-交類型的電壓源型變頻器，其中間直流環(huán)節(jié)的電壓約為510～620V，是三相交流電壓經(jīng)過三相不受控整流后得到的。如果在市電停電后能為變頻器的中間環(huán)節(jié)提供另一路510～620V的直流電源，其IGBT逆變器就能不間斷地輸出三相正弦交流電壓，而且其電壓為0~380V、頻率為O～50Hz連續(xù)可調(diào)，實現(xiàn)負(fù)載的軟起動或者達(dá)到輸出電壓380(1±3%)V，輸出頻率50(1±I%)Hz的精度。例如一組蓄電池，就可以實現(xiàn)對負(fù)載的不間斷供電。基于這個想法開發(fā)出一種新型UPS，即可成為變頻型交流不間斷電源，使變頻器在新的應(yīng)用領(lǐng)域中得到應(yīng)用。因UPS輸出是三相正弦波且穩(wěn)壓穩(wěn)頻，為了增加設(shè)備的可靠性及避免對負(fù)載的*，在變頻器的輸出增加變壓器和LC低通濾波器。
根據(jù)負(fù)載性質(zhì)，這種可變頻UPS同樣可以像普通UPS一樣設(shè)計成后備式和在線式。該電源的過載能力為150%時3s，整機效率為98%以上。
本文以西門子公司通用變頻器產(chǎn)品為應(yīng)用實例來說明這種電源的工作原理、架構(gòu)組成和設(shè)計方法。
2 系統(tǒng)組成和工作原理
該電源主要單元有：矢量型變頻器，蓄電池組，DC/DC直流變換器降壓充電模塊，控制邏輯板，DC/DC降壓工作電源(+24V)模塊，輸出隔離變壓器及LC濾波器，數(shù)字面板表及及節(jié)能燈人機接口單元，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
2.1矢量型變頻器
本文仍以西門子產(chǎn)品為例，其技術(shù)參數(shù)為：
輸入電壓3相380～460V±10%f變頻器);
輸出電壓3相0~380V或380(1±3%)V;
輸入頻率50/60(1±6%)Hz：
輸出頻率0~600Hz或50/60(1±1%)Hz。
2.2蓄電池組
選用閥控式全密封鉛酸免維護(hù)電池，一般200A•h以上為2V/單只電池。
2.2.1 組串聯(lián)只數(shù)N的確定
串聯(lián)只數(shù)M取決于通用變頻器中間環(huán)節(jié)直流電壓的最大和最小允許值。不間斷電源在正常運行時，系統(tǒng)處于浮充電狀態(tài)，電池只數(shù)N應(yīng)為
式中：N為蓄電池組串聯(lián)只數(shù)，Ue為變頻器中間直流環(huán)節(jié)額定電壓，Uf為單體電池的浮充電電壓。
以12V/單只電池為例，浮充電壓Uf=13.5V(單體電池的浮充電壓Uf=2.25V)。以西門子變頻器為例：Ue=510～620V，即Ue(min)=510V×O.9=459V，Ue(max)=620x1.1=682V，是變頻器能正常工作的電壓上限和下限值，取平均值：Ue=(459V+682v)/2=570.5V。
則N=Ue/6Uf=570.5V/(6x2.25V)=42.25，取N=42只。
浮充時，電池端電壓Ud=42×2.25V×6=567V，電壓均在設(shè)備允許范圍內(nèi)。
2.2.2 蓄電池放電終止電壓Uz的確定
蓄電池放電終止電壓Uz取決于市電停電后，電池組脫離充電模塊轉(zhuǎn)為向變頻器至終止電壓的數(shù)值要滿足變頻器正常工作的最低電壓值。Uz可按式(2)計算：
仍以西門子產(chǎn)品為例，取Ue=510V則Uz=(O.875x510V)/(6×42)=1.77V，考慮到電池和變頻器工作的可靠性，電池放電終止電壓Uz不要小于1.75V，通常取Uz=1.8V。即單只電池終止電壓Uz=1.8x6=10.8V，蓄電池組電壓Ud=10.8×42=453V，略小于變頻器允許的最小電壓值Ue(min)=459V，尚能滿足變頻器工作要求。
2.2.3 蓄電池組容量Q的確定
電池組容量Q(A•h)取決于負(fù)載額定電源電流I及市電停電后負(fù)載由蓄電池供電延遲的時間T以及電池組放電后的終止電壓Uz�？筛鶕�(jù)電池生產(chǎn)廠家提供的電池放電曲線或放電表進(jìn)行選擇計算。計算具體可根據(jù)經(jīng)驗公式，以15kW負(fù)載，停電維持時間lh為例，計算結(jié)果為：選50A.h電池42只。
2.3 DC/DC直流變換器降壓充電板
充電模塊的工作原理是采用IGBT電力電子器件組成Buck(降壓)隔離型直流變換器，耐壓為l200V.電流則根據(jù)電池容量按0.1C(10)充電，單板可輸出電流10～20A，輸出電壓274~300V可調(diào)，可對400A•h以下的電池組進(jìn)行浮充充電。將電池組分成相等數(shù)量的若干組(例如將42只電池分為兩組，每組21只，充電電壓僅為287~289V)，可降低充電模塊的輸出電壓值，使模塊結(jié)構(gòu)簡單化從而降低成本。這種充電板也可并聯(lián)使用。
2.4 整流二極管
采用大功率整流器件二極管組成直流隔離開關(guān)，當(dāng)市電正常時，二極管處于關(guān)斷狀態(tài)，切斷電池組與變頻器的通路，但缺點是電池組在浮充電時有可能因端電壓高與市電經(jīng)整流后輸出的直流電壓引起放電而不能充滿。當(dāng)市電停電時二級管瞬時導(dǎo)通，電池組瞬間放電，可以做到負(fù)載由市電供電和電池組供電的瞬時轉(zhuǎn)換，是在線式不間斷電源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
2.5 DC/DC降壓工作電源(+24V)模塊
采用Buck降壓型DC/DC直流變換器可將通用變頻器直流點電壓轉(zhuǎn)換成邏輯控制板所需的電壓+24V，供數(shù)字面板表及及半導(dǎo)體節(jié)能燈人機接口單元用。
2.6 數(shù)字面板表及及半導(dǎo)體節(jié)能燈人機接口單元
用數(shù)字面板表及及半導(dǎo)體節(jié)能燈人機接口單元組成具有人機操作顯示界面的監(jiān)控系統(tǒng)，其功能為：充電板及電池電壓值、輸出電流值、輸入市電電壓值、輸出電壓值;電源起停操作;運行參數(shù)顯示;電源工作狀態(tài)顯示;故障狀態(tài)報警以及通過RS485和上位機通訊實現(xiàn)四遙功能，如圖2所示。
2.7 電池平衡管理器及電池檢測系統(tǒng)
因為不間斷電源用的電池較多，根據(jù)以往UPS多是電池故障而影響整個系統(tǒng)崩潰的教訓(xùn)，在電池組增加了電池巡檢儀(本公司自己開發(fā)的)來檢測每節(jié)電池的電壓、內(nèi)阻、放電電流及環(huán)境溫度，這類巡檢儀最多能檢測128節(jié)電池。另外，為了保持充電及放電時每節(jié)電池的電壓保持一致,本公司自主研發(fā)了電池平衡管理器。這樣能保持充電放電時電池的一致性，可把落后的電池挑出來，及早發(fā)現(xiàn)問題。
2.8 輸出隔離變壓器及LC濾波器
因為變頻器輸出電壓波形是高頻的階梯波，要使輸出的波形是完美的正旋波，所以在隔離變壓器后面加上LC濾波器，其電感值選為1.5mH，電容值為20μF。同時為了增加此不間斷電源的帶載能力和可靠性，避免趕擾負(fù)載，在變頻器的輸出端接一個△/Y隔離變壓器，其變比為300：380，變比的選擇關(guān)系到輸出的穩(wěn)壓精度(因電池放電時直流電壓逐漸下降至DC459V時，其變頻器輸出的實際電壓為AC325V)，這是在線式不間斷電源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但缺點是會使變頻器的功率變小。
3 應(yīng)用實例
根據(jù)上述的工作原理，本文作者于2002年研制成功一臺22kW在線式可變頻交流不間斷電源的樣機，原理見圖1所示，試驗取得成功，并在實際中獲得應(yīng)用，均取得成功。
3.1 應(yīng)用實例1
北京建筑設(shè)計院會議及食堂多功能大樓的應(yīng)急照明系統(tǒng)，負(fù)載功率22kW，后備延時時間為90min，應(yīng)急照明通道及消防設(shè)施在今年過程中不能停電，否則將引起嚴(yán)重后果。機器裝機以來一直運行良好，期間曾多次因施工事故停電，但該機不間斷供電保證該大樓的正常運行。
3.2 應(yīng)用實例2
南京新港開發(fā)區(qū)博西華工地上用應(yīng)急電源驅(qū)動卷簾門，功率18.5kW，由一臺西門子MICRO-MASTER440變頻器(功率22kW)供電，要求市電停電后必須接入后備電源保證該公司的倉庫卷簾門能不間斷運行，確保庫存的家電能正常出貨。2005年我公司為其設(shè)計制造一臺在線式不間斷電源，電池容量為65A•h，42只，后備延時60min。
4 結(jié)語
可變頻交流不間斷電源是適用于各種負(fù)載的應(yīng)用電源，它具備普通交流不間斷電源和變頻器的雙重功能。據(jù)查目前國內(nèi)外電源廠家很多已將此電源改成應(yīng)急電源，但這方面的文章極少，本人寫這篇文章希望對國內(nèi)的電源技術(shù)提高盡微薄之力。對于不允許停電的負(fù)載負(fù)載，選擇這種電源要比選擇普通UPS具有很高的性能價格比。因此是一種值得推廣應(yīng)用的電源設(shè)備。 |
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