直流電子負(fù)載測(cè)試方法研究

引言

直流電子負(fù)載是能吸收直流電能，并將吸收的直流電能耗散、儲(chǔ)存或回饋電網(wǎng)的一種電子電路裝置，該裝置所吸收的電流大小可以調(diào)節(jié)或設(shè)置，其端口輸入特性符合歐姆定律。直流電子負(fù)載應(yīng)用量很大，其主要通過(guò)模擬實(shí)物負(fù)載和負(fù)載波形，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電源供應(yīng)器規(guī)格特性的測(cè)試，也可作為ATE或ATS系統(tǒng)的組成單元，在線對(duì)充電器、蓄電池等的壽命特性及功率電子元器件的參數(shù)特性進(jìn)行測(cè)試。直流電子負(fù)載的種類(lèi)型號(hào)除了美國(guó)AGILENT公司、NHR公司、AMETEK公司、德國(guó)H&H、日本菊水、韓國(guó)UNICORN的產(chǎn)品外，國(guó)內(nèi)廠家如山東艾諾、北京大華無(wú)線電儀器廠、南京亞銳、杭州威博科技、臺(tái)灣CHROMA、I-TECH、固緯、PRODIGIT(博計(jì))等企業(yè)的產(chǎn)品在應(yīng)用量上也占了相當(dāng)大的份額。

直流電子負(fù)載性能特性的好壞將直接影響工程質(zhì)量、性能評(píng)價(jià)、參數(shù)分析、設(shè)備驗(yàn)收、校準(zhǔn)結(jié)果以及用戶(hù)利益，要有針對(duì)性能特性的測(cè)試方法。但是，目前我國(guó)還沒(méi)有關(guān)于直流電子負(fù)載測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)，而普遍依據(jù)的測(cè)試方法是根據(jù)生產(chǎn)廠商的說(shuō)明書(shū)或用戶(hù)協(xié)議進(jìn)行。因此生產(chǎn)廠商和使用單位以及計(jì)量校準(zhǔn)單位都意識(shí)到：開(kāi)展直流電子負(fù)載測(cè)試方法的研究已是當(dāng)務(wù)之急，因此，本項(xiàng)目在深入調(diào)研，充分試驗(yàn)論證的基礎(chǔ)上，形成了“直流電子負(fù)載測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)草案”，其主要工作體現(xiàn)在規(guī)范直流電子負(fù)載術(shù)語(yǔ)、論證直流電子負(fù)載參數(shù)測(cè)試方法兩方面。

直流電子負(fù)載名詞術(shù)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外直流電子負(fù)載生產(chǎn)廠家較多，種類(lèi)型號(hào)復(fù)雜，而我國(guó)沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)直流電子負(fù)載的術(shù)語(yǔ)定義、要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、安全性能等進(jìn)行規(guī)范和統(tǒng)一，產(chǎn)品質(zhì)量、性能指標(biāo)差異較大，名稱(chēng)術(shù)語(yǔ)均不一致，造成各生產(chǎn)廠家自行其事。

國(guó)內(nèi)外直流電子負(fù)載雖然型號(hào)種類(lèi)較多，功能和性能指標(biāo)方面有所差異，但直流電子負(fù)載的特性以及相同模式下的功能特性基本是一致的。例如，定電流模式，不同廠家的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)可能有所差異，但最終實(shí)現(xiàn)不論輸入電壓是否改變。我們?cè)趶V泛征求國(guó)內(nèi)外直流電子負(fù)載生產(chǎn)商、用戶(hù)和計(jì)量校準(zhǔn)單位的意見(jiàn)和建議的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)專(zhuān)家評(píng)審，對(duì)與直流電子負(fù)載負(fù)載特性和參數(shù)測(cè)量相關(guān)的名詞術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了定義，使其規(guī)范統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)草案中。

標(biāo)準(zhǔn)草案中，名詞術(shù)語(yǔ)部分主要規(guī)范了直流電子負(fù)載、定電流模式、定電壓模式、定電阻模式、定功率模式、靜態(tài)負(fù)載模式、動(dòng)態(tài)負(fù)載模式、加載、卸載以及保護(hù)功能等名詞術(shù)語(yǔ)，并針對(duì)這些術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了定義，例如，將動(dòng)態(tài)負(fù)載模式定義為：直流電子負(fù)載輸入端口所吸收的電流按所設(shè)定或選擇的變化規(guī)律及特征參數(shù)隨時(shí)間進(jìn)行變換，此種工作模式稱(chēng)為動(dòng)態(tài)負(fù)載模式，以典型的梯形波負(fù)載波形為例，其特性如圖1所示。其他參數(shù)定義不再一一列舉。

圖1 動(dòng)態(tài)負(fù)載模式定義

編制直流電子負(fù)載參數(shù)測(cè)試方法

直流電子負(fù)載參數(shù)，可以分為靜態(tài)負(fù)載模式和動(dòng)態(tài)負(fù)載模式兩部分。直流電子負(fù)載輸入端口所吸收的電流由所設(shè)定相關(guān)參數(shù)確定，并不隨時(shí)間進(jìn)行變化，此種工作模式稱(chēng)為靜態(tài)負(fù)載模式。定電流模式(CC mode)、定電壓模式(CV mode)、定電阻模式(CR mode)和定功率模式(CP mode)都屬于靜態(tài)負(fù)載模式。標(biāo)準(zhǔn)草案分別對(duì)靜態(tài)負(fù)載模式和動(dòng)態(tài)負(fù)載模式的測(cè)試方法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，靜態(tài)參數(shù)模式以定電流調(diào)整度為例，進(jìn)行介紹。

定電流調(diào)整度測(cè)試步驟如下：

(1) 按圖2進(jìn)行連接，設(shè)置直流電子負(fù)載為定電流模式，選擇需要測(cè)試的電流量程。

圖2 電流測(cè)量/設(shè)置誤差測(cè)試連接圖

(2) 設(shè)置直流穩(wěn)壓電源的電流輸出高于定電流模式的電流滿(mǎn)量程值，設(shè)置電壓高于直流電子負(fù)載的起始工作電壓。

(3) 啟動(dòng)直流穩(wěn)壓電源輸出，直流電子負(fù)載啟動(dòng)加載。電流測(cè)試點(diǎn)按量程從低到高每個(gè)量程不少于3個(gè)點(diǎn)均勻選取。

(4) 直流電子負(fù)載的電流設(shè)置值為I1，數(shù)字多用表的電壓測(cè)量值為U，根據(jù)公式(1)計(jì)算得到流過(guò)分流器R的電流值I0，讀取直流電子負(fù)載的電流測(cè)量值I2，根據(jù)公式(2)計(jì)算得到電流設(shè)置誤差△I1。

I0=U/R (1)

式中：

I：流過(guò)分流器R的電流值，單位為安培(A);

U：數(shù)字多用表的電壓測(cè)量值，單位為伏特(V);

R：分流器的數(shù)值，單位為歐姆(Ω);

△I1=I1-I0 (2)

式中：

△I1：直流電子負(fù)載的電流設(shè)置誤差，單位為安培(A);

I1：直流電子負(fù)載的電流設(shè)置值，單位為安培(A);

根據(jù)公式(3)計(jì)算得到電流測(cè)量誤差△I2。

△I2=I2-I0 (3)

式中：

△I2：直流電子負(fù)載的電流測(cè)量誤差，單位為安培(A);

I2：直流電子負(fù)載的電流測(cè)量值，單位為安培(A)

搭建測(cè)試平臺(tái)，驗(yàn)證測(cè)試方法

為完成直流電子負(fù)載測(cè)試方法的研究，利用已有設(shè)備搭建了試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)測(cè)試方法的科學(xué)性、合理性及可操作性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，圖1為搭建的試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)。利用測(cè)試平臺(tái)，對(duì)直流電子負(fù)載靜態(tài)負(fù)載模式和動(dòng)態(tài)負(fù)載模式的測(cè)試方法進(jìn)行了驗(yàn)證。搭建的直流電子負(fù)載試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，能夠覆蓋直流電壓高達(dá)到600V，直流電流達(dá)到500A，功率最大為30kW，轉(zhuǎn)換速率1A/ms～0.5A/μs，負(fù)載波形頻率最大10kHz的直流電子負(fù)載參數(shù)的校準(zhǔn)和測(cè)試需求。此測(cè)試平臺(tái)的搭建，對(duì)前面所論述的直流電子負(fù)載不同工作模式下關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試方法的科學(xué)性、通用性和適用性起到試驗(yàn)驗(yàn)證的作用。

3 直流電子負(fù)載測(cè)試方法驗(yàn)證平臺(tái)

評(píng)定測(cè)量不確定度

對(duì)測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行不確定度分析，也是一項(xiàng)非常重要的工作。標(biāo)準(zhǔn)草案的附件部分，對(duì)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)的測(cè)量不確定度進(jìn)行了分析，以保證利用該測(cè)試方法給出的測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。以定電流模式下測(cè)量不確定度評(píng)定為例進(jìn)行說(shuō)明，覆蓋直流電子負(fù)載參數(shù)有：電流設(shè)置誤差、電流測(cè)量誤差和定電流模式調(diào)整度

1) 測(cè)量方法

采用間接測(cè)量法。測(cè)量連接圖如圖2所示，用直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源輸出電流，用數(shù)字多用表測(cè)量精密分流器R兩端電壓，計(jì)算得到電流實(shí)際值。

2) 數(shù)學(xué)模型

啟動(dòng)直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源輸出，直流電子負(fù)載啟動(dòng)加載，直流電子負(fù)載的電流設(shè)置值為I1，流過(guò)分流器R的電流實(shí)際值為I0(I0=U/R)，直流電子負(fù)載的電流測(cè)量值為I2。

電流設(shè)置誤差△I1=I1-U/R;電流測(cè)量誤差△I2=I2-U/R

3) 不確定度來(lái)源

不確定來(lái)源如表1所示。

表1 各不確定度分量一覽表(3A測(cè)試點(diǎn))

4) 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于以上各測(cè)量結(jié)果不確定度分量獨(dú)立不相關(guān)，故測(cè)量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

5) 擴(kuò)展不確定度

取k=2，得到擴(kuò)展不確定度U=k×uc=0.08%

結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合國(guó)防軍工電子標(biāo)準(zhǔn)化研究項(xiàng)目“直流電子負(fù)載測(cè)試方法研究”，提出了直流電子負(fù)載測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)草案。草案中，提出了規(guī)范的直流電子負(fù)載名詞術(shù)語(yǔ)，在直流電子負(fù)載試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，提出了參數(shù)的測(cè)試方法。