Bài viết đề xuất xây dựng một hệ thống tự động kiểm tra chất lượng các bộ nguồn chuyển đổi AC/DC có công suất đến 1 kW. Thông qua việc đánh giá các tham số điện như dải điện áp đầu vào, điện áp đầu ra, công suất đầu ra, hiệu suất nguồn để đánh giá chất lượng một bộ nguồn chuyển đổi AC/DC.
Trang 1Xây dựng hệ thống tự động kiểm tra chất lượng các bộ nguồn
chuyển đổi AC/DC, công suất đến 1 kW
Nguyễn Trọng Thắng, Lâm Văn Tân
Trung tâm Giám định Chất lượng Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng/BTTM Email: nguyentrongthang1603@gmail.com dinhtan197312@gmail.com
Tóm tắt: Trong bài báo này, nhóm tác giả đề xuất xây dựng một
hệ thống tự động kiểm tra chất lượng các bộ nguồn chuyển đổi
AC/DC có công suất đến 1 kW Thông qua việc đánh giá các tham số
điện như dải điện áp đầu vào, điện áp đầu ra, công suất đầu ra, hiệu
suất nguồn để đánh giá chất lượng một bộ nguồn chuyển đổi AC/DC
Hệ thống được tích hợp từ các thiết bị phần cứng rời rạc, kết hợp với
phần mềm được viết trong môi trường lập trình LabVIEW Hệ thống
đo, kiểm tra đảm bảo độ chính xác, an toàn cho người và thiết bị
trong quá trình đo, thử nghiệm; tối ưu, rút gọn thao tác cho người vận
hành, tự động trích xuất dữ liệu thành file báo cáo dạng PDF
Từ khóa: Adapter AC/DC; DUT; LabVIEW; Arduino; PDF
Các bộ nguồn chuyển đổi AC/DC được phân loại theo cấu
tạo gồm 2 loại: Nguồn Switching (hay nguồn xung) và nguồn
tuyến tính sử dụng biến áp thường Nhờ những ưu điểm vượt
trội của nguồn xung so với nguồn sử dụng biến áp thường
truyền thống về kích thước, nên ngày nay đa số các thiết bị, hệ
thống đều sử dụng các bộ chuyển đổi nguồn AC/DC là nguồn
Switching Còn nguồn biến áp tuyến tính thường được sử
dụng trong ứng dụng về aply, khuếch đại âm tần hoặc các ứng
dụng yêu cầu tạp nhiễu thấp
Ngày nay các bộ nguồn chuyển đổi AC/DC là một phần
không thể thiếu của đại đa số các thiết bị điện tử (như: Các
thiết bị trong ngành viễn thông, thiết bị đo lường/thử nghiệm,
máy tính …) trong mọi lĩnh vực, từ dân sự đến quốc phòng
Hơn nữa các bộ nguồn có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và
khả năng hoạt động của các thiết bị điện tử Vì thế, việc đánh
giá chất lượng các bộ nguồn là rất quan trọng
Để đánh giá chất lượng của các bộ nguồn chuyển đổi
AC/DC, theo [1] cần đánh giá các tham số điện chính như: Dải
điện áp đầu vào, điện áp đầu ra, công suất đầu ra, hiệu suất
Trong quá trình đánh giá chất lượng các bộ nguồn chuyển
đổi AC/DC, các thử nghiệm viên tốn nhiều thời gian cho việc
thiết lập, cấu hình hệ thống đo, xử lý dữ liệu Để kiểm tra và
đánh giá chính xác một bộ nguồn chuyển đổi AC/DC với đủ
các tham số nêu trên, tiêu tốn nhiều thời gian đo kiểm và xử lý
số liệu, trung bình khoảng 1,5 h đến 2 h làm việc
Từ thực tế trên, nhóm tác giả đề xuất xây dựng hệ thống tự
động kiểm tra chất lượng các bộ nguồn chuyển đổi AC/DC,
công suất đến 1 kW Hệ thống được tích hợp từ tác thiết bị
phần cứng rời rạc và phần mềm được viết trong môi trường
lập trình LabVIEW
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: Trong phần
II, chúng tôi mô tả các thiết bị phần cứng được sử dụng trong
hệ thống Phần III trình bày về chương trình phần mềm viết
trong môi trường lập trình LabVIEW Phần IV cung cấp đặc tính kỹ thuật của hệ thống Phần V là so sánh kết quả đo tự động và thủ công Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong phần VI
Trong hệ thống, nhóm tác giả sử dụng các trang thiết bị đo lường, thử nghiệm sau:
- 01 biến áp tự ngẫu RFT Sparstelltrafo LSS020 với dải điện áp điều chỉnh từ 5 đến 250 VAC, dòng điện lớn nhất 20
A [2], được sử dụng để thay đổi dải điện áp đầu vào cấp cho
bộ chuyển đổi nguồn AC/DC;
- 01 thiết bị kiểm tra công suất Hioki 3334 với dải đo điện
áp đến 300 V và dải đo dòng điện đến 30 A [3], được sử dụng
để giám sát điện áp và công suất đầu vào của bộ chuyển đổi nguồn AC/DC;
- 01 tải điện tử một chiều GWinstek PEL-2004A với dải đo điện áp một chiều đến 80 V, công suất tiêu thụ một chiều đến 1,4 kW (khối tải có 04 module công suất, mỗi module có công suất 350 W) [4], được sử dụng để giám sát điện áp đầu ra và kiểm tra công suất đầu ra của bộ chuyển đổi nguồn AC/DC
Biến áp tự ngẫu
RFTSparstelltraf
o LSS020
Thiết bị kiểm tra công suất
Hioki 3334
Tải điện tử lập trình một chiều
Gwinstek PEL-2004
Máy tính (Cài điều khiển hệ thống)
Điện lưới (220 VAC)
5 250 VAC
Đối tượng kiểm tra
DUT (Bộ chuyển đổi
nguồn AC/DC)
5 250 VAC
Đầu ra DC
Điều khiển núm tăng/giảm điện áp
sử dụng động cơ bước
U I
Hộp kỹ thuật
K1 K2
Hình 1 Sơ đồ khối của hệ thống tự động kiểm tra chất lượng các bộ nguồn chuyển đổi AC/DC, công suất đến 1 kW Đối với thiết bị kiểm tra công suất Hioki 3334 và tải điện
tử một chiều GWinstek PEL-2004A, các hãng sản xuất cung cấp đầy đủ giao diện kết nối với máy tính và tập lệnh điều khiển, vì thế việc giao tiếp giữa máy tính và các thiết bị này trở nên dễ dàng tiếp cận Tuy nhiên, đối với biến áp tự ngẫu RFT Sparstelltrafo LSS020, cơ chế tăng/giảm điện áp được thực hiện thủ công Vì thế, để có thể thực hiện tự động hóa hoàn toàn quá trình đo, kiểm tra, nhóm tác giả đã cải tiến cơ chế tăng/giảm điện áp thủ công của biến áp tự ngẫu RFT Sparstelltrafo LSS020 bằng tự động với sự giúp đỡ của động
cơ bước, đai truyền và puli bánh răng
Sơ đồ khối của hệ thống được mô tả trong Hình 1 Hộp kỹ thuật trong Hình 1 được tích hợp một bộ Driver điều khiển
Trang 2động cơ bước, một bo mạch Arduino Uno, hai module rơ-le
Bo mạch Arduino Uno sẽ được kết nối giao tiếp với máy tính,
đảm nhận chức năng kiểm soát hai module rơ-le đóng/ngắt cấp
nguồn đầu vào cho bộ chuyển đổi nguồn AC/DC Đồng thời,
bo mạch Arduino Uno có khả năng cấp tín hiệu xung đến
Driver điều khiển động cơ bước để thực hiện quay động cơ
bước theo chiều thuận/nghịch, đồng nghĩa với việc tăng/giảm
điện áp tại đầu ra của biến áp tự ngẫu RFT Sparstelltrafo
LSS020
Nguyên lý hoạt động của hệ thống [1, 5, 6, 7]: Thay đổi
điện áp trên biến áp tự ngẫu để điện áp đầu ra biến áp tự ngẫu
đạt giá trị theo yêu cầu thiết lập (việc kiểm soát giá trị đầu ra
của biến áp tự ngẫu do thiết bị kiểm tra công suất Hioki 3334
thực hiện) Khi điện áp đầu ra biến áp tự ngẫu đạt giá trị theo
yêu cầu thiết lập (trong dải cho phép ± 1 Vrms), ngừng điều
chỉnh biến áp tự ngẫu và cấp nguồn cho đối tượng kiểm tra -
DUT (Device Under Test) Khi đó tải điện tử lập trình một
chiều sẽ giám sát điện điện áp đầu ra của DUT Duy trì thời
gian 1 phút để DUT hoạt động ổn định, lưu giá trị điện áp đầu
ra một chiều của DUT vào báo cáo Giữ nguyên mức điện áp
xoay chiều cấp cho DUT, trên tải điện tử lập trình một chiều,
thiết lập các mức tải 25 %, 50 %, 75 % và 100 % theo công bố
của Hãng sản xuất Kiểm tra điện áp một chiều đầu ra tại các
mức tải nêu trên, chờ giá trị ổn định ghi giá trị điện áp vào báo
cáo Trên cơ sở các mức tải khác nhau, tính toán hiệu suất của
DUT theo công thức (1):
_
100(%)
out Act In
P E P
Trong đó:
E: Hiệu suất của DUT (%);
P out : Công suất tại đầu ra điện áp một chiều, được đo trên tải điện
tử lập trình một chiều GWinstek PEL-2004A (W);
P Act_In : Công suất có ích tại đầu vào xoay chiều, được đo trên
thiết bị kiểm tra công suất Hioki 3334 (W)
Hệ thống sẽ tự động đo, thử nghiệm tại 5 mức điện áp đầu
vào căn cứ theo dải điện áp đầu vào do nhà sản xuất công bố,
cụ thể: Tại mức điện áp đầu vào nhỏ nhất - Umin; tại mức lớn
nhất - Umax; tại mức 220 V; tại mức trung bình (Umin, 220); tại
mức trung bình (Umax, 220)
Dựa vào nguyên lý hoạt động của hệ thống, nhóm tác giả
xây dựng chương trình phần mềm điều khiển hệ thống trong
môi trường lập trình LabVIEW Thuật toán của chương trình
được mô tả trong Hình 2 Giao diện người dùng của chương
trình được mô tả chi tiết ở các Hình 3 và Hình 4
Trong Hình 3 mô tả trang bìa của chương trình và phần
cấu hình thiết bị, khai báo các trường thông tin như: điều kiện
thử nghiệm, thông tin về DUT (tất cả các dữ liệu này phục vụ
việc xuất báo cáo dạng PDF) Khi đã nhập đủ thông tin, tiến
hành bấm phím “Bắt đầu” để chuyển sang giao diện ĐO-THỬ
NGHIỆM, được mô tả trong Hình 4
Kết thúc quá trình đo, chương trình sẽ xuất file báo cáo
dạng PDF (xem Hình 5)
Bắt đầu
Khởi tạo thiết bị:
- Hioki 3334;
- PEL 2004;
- Arduino Uno.
Nhập các thông tin:
- Tên, ký hiệu, số hiệu, hãng sản xuất;
- Dải điện áp đầu vào hoạt động, dòng điện đầu ra lớn nhất Irate;
- Điều kiện môi trường: Nhiệt độ, độ ẩm.
Cấu hình Hioki 3334:
:HEAD OFF; :RECT AC; :AVER 1; :SCAL:VT 1; :SCAL:CT 1; :DISP V, A, W, VA; CURR:AUTO ON; VOLT:AUTO ON.
Đặt i = 0
i: = i + 1 Điều chỉnh động cơ bước để điều chỉnh
điện áp (tăng/giảm) – Uac LSS020 Tbị Hioki 3334 giám sát điện áp đầu ra trên thiết bị LSS 020 – Uac 3334
Thiết lập thời gian nghỉ: 10 s
Cấp điện áp xoay chiều đầu vào cho DUT (Điều khiển chân 8, 9 của bo mạch Arduino Uno về mức L để kích module relay về chế độ COM và NO thông)
Sử dụng PEL 2004 giám sát điện
áp đầu ra một chiều của DUT
Lần lượt thiết lập các mức tải trên thiết bị PEL 2004 Thứ tự lần lượt: 0 % tải, 25 % tải (0,25 Irate), 50 % tải (0,5 Irate), 75 % tải (0,75 Irate), 100 % tải (Irate) (Thời gian chạy tải 60 s, thời gian nghỉ giữa các lần chạy tải 10 s)
Thiết lập thời gian nghỉ: 10 s
Thiết lập thời gian nghỉ: 10 s
Trính xuất dữ liệu ra file báo cáo, lưu trữ ở định dạng pdf
Kết thúc
Sai
Đúng
Đúng
Sai Uac 3334 = Uset*
Lần đo
i > 5
Hình 2 Thuật toán của chương trình phần mềm điều khiển
Hình 3 Giao diện trang bìa của phần mềm
Hình 4 Giao diện tiến hành đo kiểm
Trang 3Hình 5 Kết quả đo, kiểm tra được lưu trữ dưới dạng file báo cáo PDF
Việc ghép nối các thiết bị thành hệ thống không ảnh hưởng
tới đặc tính kỹ thuật của từng thiết bị thành phần Do đó, đặc
tính kỹ thuật của hệ thống dựa trên đặc tính kỹ thuật của các
thiết bị cấu thành hệ thống, cụ thể như sau [2-4]:
- Dải điện áp thiết lập đầu vào: (0 ÷ 250) Vrms;
- Sai số thiết lập điện áp đầu vào: ± 1 Vrms;
- Dải đo công suất đầu vào: (0 ÷ 4,0) kW;
- Sai số đo công suất đầu vào: ± (0,1 % rdg + 0,1 % f.s.);
- Dải thiết lập dòng tải DC: (0 ÷ 70) A;
- Sai số thiết lập dòng tải DC: ± (0,1 % set + 0,2 % f.s.);
- Dải đo điện áp DC đầu ra: (0 ÷ 80) VDC;
- Sai số đo điện áp DC đầu ra: (0,025 % rdg + 0,025 % f.s.);
- Dải đo công suất đầu ra DC: (0 ÷ 1) kW;
- Sai số đo công suất đầu ra DC: ± (0,3 % rdg + 0,3 % f.s.);
- Dải đo hiệu suất: (0 ÷ 100) %;
- Sai số đo hiệu suất: ± 1,0 %
Ghi chú:
rdg – giá trị đọc trên thiết bị đo;
f.s – dải đo (toàn dải);
set – giá trị thiết lập
Nhóm tác giả tiến hành thực hiện kiểm tra trên 2 mẫu thử
để so sánh kết quả đo giữa thực hiện thủ công và thực hiện tự
động bằng hệ thống đề xuất Quy trình đo được mô tả trong
phần Nguyên lý hoạt động của hệ thống Số lần thực hiện đo
đối với mỗi mẫu thử: 03 lần Hình ảnh đo thực tế được mô tả
trong Hình 6
Biến áp tự ngẫu
Hioki 3334
Hộp kỹ thuật
DUT
Tải điện tử PEL-2004A
Hình 6 Hình ảnh thực tế hệ thống tự động kiểm tra các bộ nguồn
chuyển đổi AC/DC, công suất đến 1 kW
1 Bộ nguồn chuyển đổi AC/DC của hãng sản xuất Mean
Well, ký hiệu: RS-15-12 (Dải điện áp đầu vào từ 110 VAC
đến 240 VAC, điện áp đầu ra danh định 12 VDC, công suất
đầu ra 15 W)
- Về thời gian thực hiện: Trong 03 lần thực hiện đo tự
động, thời gian thực hiện trong khoảng từ 32 min đến 35 min
Trong khi đó, thời gian thực hiện đo thủ công trong khoảng từ
70 min đến 95 min Trung bình thời gian thực hiện đo tự động nhanh hơn gấp 2,5 lần thời gian thực hiện thủ công
- Về kết quả đo: Việc đánh giá kết quả đo giữa thực hiện thủ công và tự động được căn cứ theo giá trị độ lệch Giá trị
độ lệch được tính theo công thức (2):
100(%)
man
TB
−
Trong đó:
Δ: Giá trị độ lệch giữa đo thủ công và tự động (%);
TB auto : Giá trị trung bình của 3 lần đo tự động;
TB man : Giá trị trung bình của 3 lần đo thủ công
+ So sánh theo giá trị điện áp đầu ra: Kết quả so sánh được chỉ ra ở Bảng 1 Độ lệch trung bình lớn nhất đạt 0,19 %
Bảng 1 Kết quả so sánh về giá trị điện áp đầu ra giữa đo thủ công và tự động trên mẫu nguồn RS-15-12
I out = 1,3
A Điện áp đầu ra, V (Đo tự động) Điện áp đầu ra, V (Đo thủ công) Độ
lệch,
%
Điện
áp đầu vào*,V
Lần
1 Lần 2 Lần 3 TB Lần 1 Lần 2 Lần 3 TB
110 12,06 12,04 12,03 12,04 12,07 12,07 12,06 12,07 0,19
165 12,06 12,03 12,03 12,04 12,07 12,06 12,06 12,06 0,19
220 12,06 12,03 12,03 12,04 12,07 12,06 12,06 12,06 0,19
230 12,06 12,03 12,03 12,04 12,06 12,06 12,06 12,06 0,17
240 12,06 12,03 12,03 12,04 12,06 12,06 12,06 12,06 0,17
* Theo công bố của nhà sản xuất, dải điện áp đầu vào từ 110 V đến 240 VAC Trong
phần Nguyên lý hoạt động của hệ thống, xác định 5 mức điện áp đo gồm: 110 V, 240 V,
220 V, 165 V và 230 V
+ So sánh theo giá trị hiệu suất của nguồn: Kết quả so sánh được chỉ ra ở Bảng 2 Độ lệch trung bình lớn nhất đạt 1,15 %
Bảng 2 Kết quả so sánh về giá trị hiệu suất nguồn giữa đo thủ công và tự động trên mẫu nguồn RS-15-12
I out = 1,3
A Hiệu suất, % (Đo tự động) (Đo thủ công) Hiệu suất, % Độ
lệch,
%
Điện
áp đầu vào*,V
Lần
1
Lần
2
Lần
3 TB
Lần
1
Lần
2
Lần
3 TB
110 81,24 81,36 80,75 81,12 82,77 81,49 81,31 81,86 0,90
165 81,56 80,33 81,13 81,01 82,77 81,39 81,69 81,95 1,15
220 80,62 80,33 80,18 80,38 80,77 80,49 80,55 80,60 0,28
230 80,40 80,19 80,10 80,23 80,77 80,43 80,43 80,54 0,39
240 80,27 79,98 79,93 80,06 80,77 80,17 80,18 80,37 0,39
2 Bộ nguồn chuyển đổi AC/DC của hãng sản xuất HIPRO, ký hiệu: HP-A0904A3 (Dải điện áp đầu vào từ 100 VAC đến 240 VAC, điện áp đầu ra danh định 19 VDC, công suất đầu ra 90 W)
- Về thời gian thực hiện: Trong 03 lần thực hiện đo tự động, thời gian thực hiện trong khoảng từ 34 min đến 36 min Trong khi đó, thời gian thực hiện đo thủ công trong khoảng từ
70 min đến 90 min Trung bình thời gian thực hiện đo tự động nhanh hơn gấp 2,5 lần thời gian thực hiện thủ công
- Về kết quả đo:
+ So sánh theo giá trị điện áp đầu ra: Kết quả so sánh được chỉ ra ở Bảng 3 Độ lệch trung bình lớn nhất đạt 0,018 %
Bảng 3 Kết quả so sánh về giá trị điện áp đầu ra giữa đo thủ công và tự động trên mẫu nguồn HP-A0904A3
I out = 4,74 A Điện áp đầu ra, V (Đo tự động) Điện áp đầu ra, V (Đo thủ công)
Độ lệch,
%
Điện
áp đầu vào**
V
Lần
1 Lần 2 Lần 3 TB Lần 1 Lần 2 Lần 3 TB
100 18,82 18,87 18,71 18,80 18,83 18,75 18,81 18,80 - 0,018
160 18,81 18,86 18,72 18,80 18,82 18,76 18,82 18,80 0,018
220 18,81 18,86 18,72 18,80 18,82 18,76 18,82 18,80 0,018
230 18,81 18,86 18,72 18,80 18,82 18,76 18,81 18,80 0,0
Trang 4I out =
4,74 A Điện áp đầu ra, V (Đo tự động) Điện áp đầu ra, V (Đo thủ công)
Độ lệch,
%
Điện
áp đầu
vào**
V
Lần
1 Lần 2 Lần 3 TB Lần 1 Lần 2 Lần 3 TB
240 18,81 18,85 18,72 18,79 18,82 18,75 18,81 18,79 0,0
** Theo công bố của nhà sản xuất, dải điện áp đầu vào từ 100 V đến 240 VAC Trong
phần Nguyên lý hoạt động của hệ thống, xác định 5 mức điện áp đo gồm: 100 V, 240 V,
220 V, 160 V và 230 V
+ So sánh theo giá trị hiệu suất của nguồn: Kết quả so sánh
được chỉ ra ở Bảng 4 Độ lệch trung bình lớn nhất đạt 0,52 %
Bảng 4 Kết quả so sánh về hiệu suất nguồn
giữa đo thủ công và tự động trên mẫu nguồn HP-A0904A3
I out =
4,74 A Hiệu suất, % (Đo tự động) (Đo thủ công) Hiệu suất, %
Độ lệch,
%
Điện
áp đầu
vào**
V
Lần
1 Lần 2 Lần 3 TB Lần 1 Lần 2 Lần 3 TB
100 86,32 86,27 85,61 86,07 86,19 86,71 86,66 86,52 0,52
160 87,88 87,91 87,29 87,69 87,83 86,89 87,25 87,32 -0,42
220 87,58 87,67 87,04 87,43 87,58 87,01 87,33 87,31 -0,14
230 87,65 87,74 87,13 87,51 87,64 87,21 87,56 87,47 -0,04
240 87,70 87,79 87,22 87,57 87,71 86,99 87,15 87,28 -0,32
Từ việc so sánh kết quả đo tự động và thủ công trên hai
mẫu thử, nhóm tác giả đưa ra kết luận:
- Việc sử dụng hệ thống tự động kiểm tra các bộ nguồn
AC/DC đề xuất rút ngắn được thời gian đo kiểm so với cách
thực hiện thủ công khoảng 2,5 lần Việc đo thủ công có ảnh
hưởng bởi nhiều yếu tố chủ quan tác động đến như trình độ
chuyên môn của thử nghiệm viên, sự thành thạo, dẫn đến thời
gian đo lâu hơn Mặt khác, trong hệ thống đo tự động đã tích
hợp hết các phép toán xử lý sau khi thu thập giá trị đo từ các
thiết bị đo lường, thử nghiệm trong hệ thống và đưa kết quả ra báo cáo; đồng thời lược bỏ một số thao tác thiết lập trên thiết
bị đo lường, thử nghiệm nên đo tự động nhanh hơn
- Hệ thống hoạt động ổn định, đảm bảo độ chính xác trong các phép đo
Nhóm tác giả đề xuất một số hướng phát triển trong thời gian tới:
- Mở rộng dải đo công suất đầu ra đến 4,0 kW bằng cách
sử dụng đồng thời nhiều khối tải điện tử lập trình một chiều GWinstek PEL-2004A;
- Hiện tại hệ thống chỉ có khả năng đánh giá chất lượng các bộ chuyển đổi nguồn AC/DC có một mức điện áp một chiều đầu ra Trong tương lại, nhóm tác giả sẽ triển khai phát triển hệ thống kiểm tra các bộ chuyển đổi nguồn AC/DC có nhiều mức điện áp một chiều đầu ra
[1] Tiêu chuẩn TCVN 8687 : 2011 Thiết bị nguồn - 48 VDC dùng cho thiết
bị viễn thông - Yêu cầu kỹ thuật do Bộ Khoa học và Công nghệ công bố
https://www.rft-hifigeraete.de/275785.html [3] HIOKI 3334 AC/DC Power HiTester - Instruction Manual [4] GWinstek PEL-2004A Programmable DC Electronic Load - User Manual
[5] Tektronix - Power Measurements on AC-DC Power Supplies - Application Note
[6] Tektronix - AC-DC Power Supply Efficency Testing for Regulatory Standards - Application Note
[7] TDK-Lambda - How to Accurately Measure Power Supply Efficiency - March 2012