Nghiên cứu, chế tạo nguồn mẫu - dòng điện lớn, hiệu suất cao dùng trong đo lường và điều khiển

Cơ sở thiết kế nguồn mẫu dòng điện lớn, hiệu suất cao

Dòng điện có yêu cầu rất cao về dạng sóng và độ ổn định. Trước đây các bộ nguồn này, cả dòng điện nhỏ và cả dòng điện lớn, thường thực hiện theo nguyên lý điều chỉnh liên tục tuyến tính. Phương pháp này dùng tranzistơ, làm việc ở chế độ khuếch đại, làm phần tử điều chỉnh. Ở chế độ này tranzistơ có điện áp rơi,và do đó tổn hao lớn, hiệu suất của bộ nguồn loại này rất thấp, thường không quá 50%. Tổn hao lớn còn các tản nhiệt có kích thước và khối lượng lớn, thậm chí đến mức khó có thể chấp nhận được. Nhược điểm này đã hạn chế khả năng ứng dụng của các bộ nguồn tuyến tính. Các nghiên cứu cho thấy giới hạn nêu trên không vuợt quá 5A [1]

Để giảm thiểu tổn hao, nhờ đó đồng giải quyết vấn đề hiệu suất, vấn đề tản nhiệt và độ tin cậy, có thể dùng nguyên lý điều chỉnh xung trên cơ sở các tranzistơ trường công xuất làm việc ở chế độ xung. Trong chế độ này công xuất tổn hao trên tranzistơ không đáng kể, do đó hiệu suất cao và kích thước nhỏ để đáp ứng yêu cầu về dạng của dòng điện các tranzistơ ở đây được chuyển mạch với tần số cao, đến vài trăm kilôhéc, và được điều khiển theo nguyên lý bám. Sơ đồ khối chức năng của nguồn sung có dạng trong hình 1.

Nguồn sơ cấp có thể là một chiều 24V,hoặc xoay chiều điện áp 220V tần số công nghiệp, qua biến áp và nắn dòng thành một chiều. Điện áp một chiều sau đó được biến thành điện áp xung nhờ bộ biến đổi đẩy kéo trên cơ sở các tranzistơ trường công suất Q1 và Q2. Hai dãy xung mở các tranzistơ này có phân bố lôgic và bề rộng theo quy luật mong muốn, và được tạo thành từ khối điều khiển sau khi qua khuếch đại xung. Phân bố lôgic và bề rộng các xung nói trên phụ thuộc dạng và chất luợng mong muốn của các dòng điện ra (Tải Z). Ngoài ra khối điều khiển còn thực hiện bảo vệ các tranzistơ công suất bằng cách bấm các xung mở nếu dòng của các tranzistơ này (điện áp trên mức điện trở R) vuợt quá giới hạn an toàn. Bộ chỉnh lưu CL được dùng đối với dòng điện ra mong muốn là một chiều và được bỏ qua nếu dòng ra cần sin.

Bộ điều khiển nhận điện áp tỷ lệ với giá trị tức thời của dòng tải từ biến dòng BD để thực hiện điều chỉnh bề rộng các xung mở các tranzistơ, nhờ có dòng tải bám theo dòng điện đặt (dạng sin hoặc một chiều) cả về giá trị và cả về dạng.

Vì giới hạn về dung luợng của một bài báo và tính chất tương tự về luật điều khiển nên ở đây chỉ trình bày về trường hợp dòng điện ra dạng sin.

Hình 1. Sơ đồ khối chức năng nguồn dòng theo nguyên lí xung

Xây dựng luật điều khiển

Để có chất lượng dạng sin mong muốn dòng điện xoay chiều của tải ở đây được điều chế theo quy luật sin. Khi đó mỗi bán kỳ của điện áp được hình thành một chùm xung. Và bề rộng của mỗi xung trong chùm biến đổi theo quy luật sin. Để tổ hợp được điện áp ra như thế dãy xung mở mỗi tranzistơ được hình thành bằng cách so sánh điện áp sin chuẩn(hay tham chiếu)với điện áp tam giác (điện áp tựa hay sóng mang) như mô tả các biểu đồ trong hình 2.

Mở các tranzistơ Q1 và Q2 bằng các dãy xung tương ứng UG1 và UG2 (biểu đồ b và c) thì điện áp trên tải có dạng uz (biểu đồ d) trong hình 2. Nếu biên độ điện áp tam giác không đổi thì bề rộng mỗi xung được coi như tỷ lệ với giá trị tưc thời của điện áp sin tại thời điểm ứng với các xung tam giác. Bằng cách thay đổi biên độ điện áp sin tại thời điểm ứng với đỉnh các xung tam giác. Bằng cách thay đổi biên độ điện áp sin để điều chỉnh được bề rộng các xung.

Điện áp trên tải Ut trong trường hợp này sẽ bao gồm hài cơ bản có tần số bằng tần số của điện áp sin điều chế và các hài bậc cao, trong đó biên độ và giá trị hiệu dụng tương ứng của tất cả các hài phụ thuộc vào bề rộng của các xung trong chùm, còn các thành các hài bậc cao phụ thuộc vào số xung P trong mỗi lần bán kỳ của điện áp ra.

Hình 2. Nguyên lí điều chế sin bề rộng xung

Nếu gọi biên độ áp sin và điện áp tam giác tương ứng là As và Ag thì tỷ số As/Ag = M được gọi là chỉ số điều chế. Khi đó biên độ hài cơ bản của điện áp ra tỷ lệ với M còn số hài bậc cao phụ thuộc P.

Thường thì chu kỳ sóng mang Tk NhỎ hơn rất nhiều chu kỳ điều chế T nên có thể coi gần đúng các sườn trước và sau của mỗi xung đối xứng qua các điểm cố định (trùng với điểm cuối của mỗi chu kỳ điện áp mang tam giác). Khi đó xung thứ m có bề rộng δm sẽ có điểm giữa nằm ở thời điểm ώm = mTk (xem hình 2) và trị tức thời của điện áp ra là

Kết quả nghiên cứu và tính toán cho thấy nếu số xung của một bán kỳ điều chế là P thì có thể coi như tất cả các hài có bậc thấp hơn (2p-1) được loại bỏ khỏi thành phần của điện áp ra.[1].

Như vậy P càng cao thì tính chất sin của điện áp ra càng cao, tuy nhiên P càng lớn thì tần số chuyển mạch, và do đó công suất tổn hao của các tranzistơ cũng càng lớn. Vì thế việc chọn P chủ yếu phụ thuộc vào tần số làm việc giới hạn của tranzistơ trên cơ sở đó chúng tôi đã chọn P= 125, ứng với tần số điều chế là 400Hz thì dòng điện ra chỉ chứa các hài từ bậc 249 trở lên. Trong điều kiện đó có thể coi điện áp và dòng điện tải có dạng sin lý tưởng, và kết quả thực tế cũng phù hợp với kết luận này.

Với chức năng của một hệ thống điều chỉnh tự động kín, vừa phải làm việc ổn định vừa phải đáp ứng các yêu cầu chất lượng, nguồn dòng trước khi chế tạo đã được tính toán và khảo sát kỹ lưỡng.

Trên cơ sở luật điều chế đã được làm rõ khối điều khiển thực hiện điều chỉnh bề rộng các xung theo nguyên lý bán. Theo sơ đồ nguyên lý mạch điện thực tế của bộ nguồn xây dựng được sơ đồ động học của bộ nguồn được minh họa trong hình 3.

Bộ nguồn về bản chất là một hệ thống phi tuyến vì làm việc ở chế độ xung, nhưng vì tần số sóng mang lớn (gấp 250 lần tần số điều chế) do đó có thể coi như hệ thống liên tục tuyến tính.

Xuất phát từ đặc tính biên tần mong muốn (có dạng hình 4) và đặc tính phần tử tìm được yêu cầu đối với bộ phận điều chỉnh, đó là bộ phận điều chỉnh dạng tỷ lệ - tích phân (PI)

Bộ nguồn thực tê đã được chế tạo trên cơ sở những phân tích và tính toán ở trên, sau đó được hiệu chỉnh theo điều kiện làm việc thực tế. Sau nhiều tháng làm việc thử nghiệm bộ nguồn đã được chế tạo ở dạng loạt nhỏ, được Cục đo lường chất lượng Quân Đội kiểm định và sử dụng trong nhiều ứng dụng thực tế.

HIENDAIHOA.COM