工業(yè)控制系統(tǒng)電源的測試方法

　　一、引言

　　無論是工業(yè)控制系統(tǒng)的制造商還是用戶對工業(yè)控制系統(tǒng)的各部件測試和檢驗(yàn)性能指標(biāo)都非常重視，這種測試和檢驗(yàn)評價(jià)已廣泛應(yīng)用在DCS的驗(yàn)收測試、維護(hù)試驗(yàn)等工作中。測試的基礎(chǔ)是必須首先確定能夠綜合反映工業(yè)控制系統(tǒng)性能的指標(biāo)和測試方法，本文從現(xiàn)場使用最廣泛以及用戶最關(guān)心的測試應(yīng)用角度出發(fā)，以工業(yè)控制系統(tǒng)的重要組成部分電源為例，對工業(yè)控制系統(tǒng)的電源測試和性能評價(jià)進(jìn)行了探討，所使用的測試方法對工業(yè)控制系統(tǒng)的其他部件測試也具有示范和借鑒作用。

　　二、測試工具

　　2.1通常情況下一般性能指標(biāo)測試需下列工具：

　　萬用表

　　電子負(fù)載儀

　　示波器

　　調(diào)壓器

　　耐壓測試儀

　　兆歐表

　　2.2如果需要對特殊指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，需使用如下設(shè)備：

　　高低溫實(shí)驗(yàn)室

　　濕溫交變實(shí)驗(yàn)室

　　EMC實(shí)驗(yàn)室振動實(shí)驗(yàn)室

　　三、測試條件

　　3.1一般試驗(yàn)大氣條件

　　溫度：15℃～35℃;

　　相對濕度：45%～75%;

　　大氣壓力：86kPa～106kPa;

　　最大溫度變化率：1℃/10min。

　　3.2其他環(huán)境條件：

　　外界磁場：除地磁場外，其他小到可以忽略;

　　機(jī)械振動：應(yīng)使機(jī)械振動減小到可以忽略不計(jì);

　　周圍空氣中腐蝕介質(zhì)、易爆物質(zhì)小到可以忽略。

　　3.3交流電源要求交流電壓：

　　220VAC士10%;

　　頻率：50士1Hz。

　　3.4接地要求

　　電源保護(hù)地接大地，接地電阻要求小于4Ω。

　　3.5待測電源模塊的預(yù)熱

　　電源模塊在接通電源后，應(yīng)按相應(yīng)電源模塊規(guī)定的時間進(jìn)行預(yù)熱，如沒有明確需要預(yù)熱的，可不做預(yù)熱處理。

　　四、某款電源的技術(shù)指標(biāo)

　　以此款電源為例，介紹詳細(xì)的測試方法，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

　　五、電源性能測試

　　5.1輸入電壓范圍測試

　　(l)按圖1所示連接好設(shè)備，使調(diào)壓器輸出頻率在標(biāo)稱頻率上。

　　(2)在輸出滿載的情況下，調(diào)節(jié)電源模塊的輸入交流電壓幅度，從模塊規(guī)定的輸入交流電壓的最低值(85VAc)調(diào)到最高值(264VAC)，可以測試此范圍內(nèi)的3到5個點(diǎn)，觀察輸出電壓幅度，應(yīng)符合模塊規(guī)定的要求，一般要求在士5%范圍內(nèi)。

　　(3)在輸出空載的情況下，調(diào)節(jié)電源模塊的輸入交流電壓幅度，從模塊規(guī)定的輸入交流電壓的最低值(85VAC)調(diào)到最高值(264VAC)，可以測試此范圍內(nèi)的3到5個點(diǎn)，觀察輸出電壓幅度，應(yīng)符合模塊規(guī)定的要求，一般要求在土5%范圍內(nèi)。

　　(4)認(rèn)真觀察每次測試的結(jié)果并分別作記錄。

　　5.2額定功率測試

　　調(diào)節(jié)負(fù)載電阻使得待測電源模塊在額定功率下連續(xù)工作48小時，在測試過程中待測電源模塊工作正常，恒定輸出額定電壓值，測量其瞬時功率，可以通過公式計(jì)算而得：

　　P=ui(輸出端的瞬時電壓與瞬時電流的乘積)

　　5.3輸出紋波的測試

　　(l)按照設(shè)計(jì)指標(biāo)，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻使得待測電源工作在額定功率下至少1小時。

　　(2)在輸出電壓正常的前提下，用示波器(示波器設(shè)置在交流擋;頻帶寬度BW=DC～25MHz)觀察電源紋波，具體接線要求如圖2所示，示波器顯示的波形最大峰一峰值即為該電源的紋波值。做此項(xiàng)測試時，觀察時間至少大于lmin。

　　5.4負(fù)載調(diào)整率的測試

　　(l)按圖1連接設(shè)備，調(diào)節(jié)使電源模塊處于額定功率狀態(tài)，經(jīng)規(guī)定的預(yù)熱時間后記錄輸出電壓初始值Vo。

　　(2)將輸入電壓恒定在額定值，調(diào)負(fù)載由產(chǎn)品規(guī)格書中規(guī)定的負(fù)載變化最小值到最大值變動，記錄輸出電壓讀數(shù)Vo，然后逆方向改變負(fù)載并記錄電壓讀數(shù)Vo'每次測量在1分鐘內(nèi)完成。

　　(3)負(fù)載效應(yīng)計(jì)劃公式：

　　(4)取兩組計(jì)算最大值作為負(fù)載調(diào)整率。

　　(5)如該電源的記錄數(shù)據(jù)如下：

　　輸人電源為穩(wěn)定220VAc

　　24.64@0A

　　24.38@0.4A

　　24.326@1A

　　24.299@1.6A

　　24.255@2A

　　5.5電壓調(diào)整率的測試

　　(l)調(diào)節(jié)輸出負(fù)載為半載(額定負(fù)載的50%)，調(diào)節(jié)電源模塊輸入電壓、頻率標(biāo)準(zhǔn)值，測量并記錄輸出電壓。

　　(2)調(diào)節(jié)電源模塊的輸入電壓，緩慢增加到最大值，監(jiān)視輸出電壓值，記錄輸出電壓的變化情況。

　　(3)調(diào)節(jié)電源模塊的輸入電壓，緩慢減小到最小值，監(jiān)視輸出電壓值，記錄輸出電壓的變化情況。

　　(4)計(jì)算出輸出電壓和額定輸出值的差值，以最大差值和額定輸出值的百分比記入測試報(bào)告。

　　(5)如該電源的記錄數(shù)據(jù)如下

　　負(fù)載為50%

　　85@24.314

　　110@24.315

　　140@24.316

　　180@24.317

　　220@24.317

　　240@24.317

　　264@24.318

　　LineR=(Vmax﹣Vmin)/Vnor*100%

　　5.6階躍負(fù)載特性的測試

　　按圖l連接設(shè)備，負(fù)載突變到70%負(fù)載。按模塊產(chǎn)品規(guī)格書的要求變化負(fù)載，從20%用示波器觀察輸出波形。

　　5.7轉(zhuǎn)換效率的測試

　　使電源在額定負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行2小時后，測量電源的輸人電流、電壓和輸出電流、電壓按照下面的公式計(jì)算轉(zhuǎn)換效率：

　　通常情況下，需要測試空載，20%負(fù)載，50%負(fù)載，80%負(fù)載，滿載的轉(zhuǎn)換效率。

　　5.8N+l并聯(lián)的測試

　　分別將多臺同型號的電源模塊并聯(lián)工作(如圖5所示)，連接上并聯(lián)后的額定負(fù)載，分別測量各電源模塊輸出電流有效值，根據(jù)負(fù)載計(jì)算出平均各路的電流值，比較平均電流值對比各模塊的電流值，找到最大的電流差值，可以判斷出各模塊的均流是否正常。

　　5.9輸出過流保護(hù)的測試

　　按圖1連接設(shè)備，測試時可使用電子負(fù)載模擬過電流狀況，觀察模塊輸出電壓和指示燈狀態(tài)，以此款電源為例，當(dāng)輸出電流超過額定電流的105%～150%，電源開始保護(hù)。消除過載后，自動恢復(fù)正常輸出。試驗(yàn)后模塊各項(xiàng)功能和指標(biāo)應(yīng)仍能符合設(shè)計(jì)的要求。

　　5.10輸出限電壓保護(hù)的測試

　　按圖6連接設(shè)備，輸出負(fù)載設(shè)定50%負(fù)載，并要針對限電壓保護(hù)方式的特點(diǎn)，緩慢調(diào)整外激勵電壓由0加到規(guī)定的動作電壓范圍內(nèi)，觀察待測電源模塊的工作狀態(tài)，看保護(hù)是否動作。本測試電源要求是125%～145%動作，也就是當(dāng)外激勵電壓達(dá)到30V一34.8V時，保護(hù)開始動作。

　　5.11輸出短路保護(hù)的測試

　　測試此項(xiàng)目，需要將輸出端短路，連續(xù)測試24小時，觀察待測電源模塊狀態(tài)。消除短路后，電源自動恢復(fù)正常。

　　5.12輸出狀態(tài)檢測的測試

　　輸出狀態(tài)檢測信號一般有指示燈和報(bào)警輸出信號。當(dāng)電源模塊正常工作時指示燈點(diǎn)亮。報(bào)警輸出信號通常采用光禍輸出，當(dāng)電源模塊正常工作時，光耦導(dǎo)通，給出一個導(dǎo)通信號。可以使用萬用表的二極管檔位進(jìn)行測量。

　　5.13系統(tǒng)軟啟動的測試

　　測試此項(xiàng)目時，需要將輸入電壓調(diào)整為額定電壓，輸出端負(fù)載調(diào)整為額定負(fù)載，使整個模塊輸出達(dá)到額定功率。用示波器觀察輸出端波形變化的情況，計(jì)算從接通電源后到輸出電壓進(jìn)入合格范圍內(nèi)的時間。

　　5.14工作溫度的測試

　　按照+20℃→+30℃→+40℃→+55℃→+40℃→+30℃→+20℃→+l0℃→0℃→+10℃→+20℃……的變化順序作至少兩個循環(huán)的試驗(yàn)。每檔溫度允許誤差為士2℃，并應(yīng)在每一檔溫度上保持2小時以上，使模板溫升達(dá)到均勻的熱穩(wěn)定后，測試在每檔溫度下待測電源的功能和精度，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足指標(biāo)要求。

　　5.15巧相對濕度的測試

　　將待測電源在一般試驗(yàn)大氣條件下放置24小時，測試模板的功能和精度，確認(rèn)其符合指標(biāo)要求。切斷電源使環(huán)境溫度升到+40℃～士2℃，相對濕度達(dá)到95%～土3%(無冷凝)，保持至少48小時，在最后的4小時通電，重復(fù)測試功能和精度并記錄。然后切斷電源，將環(huán)境溫度恢復(fù)到+20℃～士2℃，相對濕度達(dá)到60%～士3%，保持24小時后測試絕緣電阻值。確認(rèn)絕緣電阻、功能和精度應(yīng)符合要求。

　　5.16絕緣電阻的測試

　　測試時設(shè)備應(yīng)不接通電源而處于非工作狀態(tài)。若有電源開關(guān)，則應(yīng)位于接通位置，將輸入端子全部短接，模塊輸出端子全部短接，使用直流兆歐表，分別在輸入端、輸出端、外殼之間施加直流電壓進(jìn)行測試。直流測試電壓應(yīng)選擇50OV，施加試驗(yàn)電壓至少10S后進(jìn)行讀數(shù)，絕緣電阻值應(yīng)大于20MΩ。

　　5.17絕緣耐壓的測試

　　測試時設(shè)備應(yīng)不接通電源而處于非工作狀態(tài)。若有電源開關(guān)，則應(yīng)位于接通位置，將輸入端子全部短接，輸出端入全部短接，與外殼(或地)之間進(jìn)行測試，每兩者之間用耐壓測試儀加1500VAC，電壓應(yīng)由零逐步上升到規(guī)定值，上升過程中不允許出現(xiàn)電壓明顯的瞬變。在規(guī)定的電壓值上保持1分鐘，在測試期間應(yīng)無擊穿或飛弧現(xiàn)象，漏電流

　　5.18電磁兼容性的測試

　　該項(xiàng)試驗(yàn)需在具備專業(yè)電磁環(huán)境測試條件的試驗(yàn)室進(jìn)行，遵循標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4，等級為3。試驗(yàn)項(xiàng)目如下：

　　間歇波

　　信號電壓

　　電壓波動

　　電壓突降和中斷

　　浪涌

　　快速瞬變脈沖群

　　振鈴波

　　阻尼振蕩波

　　工業(yè)控制系統(tǒng)電源測試和性能評價(jià)的研究是整個系統(tǒng)開發(fā)生產(chǎn)和維護(hù)的基礎(chǔ)工作之一，文章從實(shí)際測試角度出發(fā)，提出了按照測試電源的基本參數(shù)、功能檢查、環(huán)境適應(yīng)性檢查以及電磁兼容性這4大類別來測試電源性能指標(biāo)的方法，并對各類別所包含的主要測試方法進(jìn)行了闡述，根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)得出一個較為完整的性能測試的框架。限于篇幅，一些具體的、細(xì)節(jié)性的指標(biāo)和參數(shù)沒有提及。另外，隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其性能測試的組成內(nèi)容和選取方法也應(yīng)動態(tài)地進(jìn)行補(bǔ)充和完善。