Thiết kế bộ điều áp xoay chiều

9.6 Thiết kế bộ điều áp xoay chiều
9.6.1 Trình tự thiết kế
Khi thiết kế một bộ điều áp xoay chiều nên tiến hành theo trình tự sau:
1. Phân tích chế độ làm việc của tải, tìm hiểu các căn cứ thiết kế.
2. Lựa chọn sơ đồ.
3. Tính toán thông số mạch động lực
4. Thiết kế mạch điều khiển
a-Thiết kế mạch nguyên lý
b-Tính chọn linh kiện
Căn cứ thiết kế
Các yếu tố sau có ảnh hởng nhiều nhất tới việc thiết kế một bộ điều áp
xoay chiều. Khi thiết kế cần xét:
- Đặc điểm của tải :
+Công suất tải
+Điện áp và dòng điện bằng hay khác điện áp nguồn lới.
+Chế độ làm việc: dài hạn, ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại
+Dải điều khiển công suất
+Nguồn cấp
- Điều kiện môi trờng làm việc
+Nhiệt độ
+Độ ẩm
+Các điều kiện khác
- Khả năng cung cấp linh kiện
- Khả năng về tài chính
- Trình độ và khả năng ngời thiết kế, vận hành.
Việc thiết kế một bộ điều áp xoay chiều một pha và ba pha có một số đặc
điểm, cách làm hơi khác nhau, vì vậy cần phân biệt rõ hai loại điều áp này.
9.6.2 Thiết kế bộ điều áp một pha.
1
U
1

Z
f
U
2
i
Z
a
U
2
b
TBBĐ
U
2
U
1
C
U
1
i
1. Lựa chọn sơ đồ
a-Chọn sơ đồ mạch động lực
Mạch động lực bộ điều áp xoay chiều nói chung có một số sơ đồ kinh
điển. Trên hình 9. 26 a là điều áp xoay chiều điều khiển bằng cách mắc nối
tiếp với tải một điện kháng hay điện trở phụ (tổng trở phụ ) biến thiên. Sơ đồ
mạch điều chỉnh này đơn giản dễ thực hiện.
Tuy nhiên điều chỉnh kinh điển này hiện nay ít đợc dùng, do hiệu suất
thấp (nếu Z
f
là điện trở ) hay cos thấp (nếu Z
f

là điện cảm ). Ngời ta có thể
dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều U
2
nh trên hình 9.26 b.
Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có u điểm là có thể điều chỉnh điện áp U
2
từ
0 đến trị số bất kỳ, lớn hay nhỏ hơn điện áp vào. Nếu cần điện áp ra có điều
chỉnh, mà vùng điều chỉnh có thể lớn hơn điện áp vào, thì phơng án phải dùng
biến áp là tất yếu. Tuy nhiên sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh khó thực
hiện khi dòng tải lớn, đặc biệt là không điều chỉnh liên tục đợc, do chổi than
khó chế tạo để có thể chỉ tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp.
Hai giải pháp điều áp xoay chiều trên hình 9.26 a,b có chung u điểm là
điện áp hình sin, đơn giản. Có chung nhợc điểm là quán tính điều chỉnh chậm
và không điều chỉnh liên tục khi dòng tải lớn. Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều
chỉnh xoay chiều, có thể khắc phục đợc những nhợc điểm vừa nêu.
Các sơ đồ bán dẫn điều áp xoay chiều trên hình 9.1 đợc sử dụng. Lựa
chọn sơ đồ nào trong các sơ đồ trên tuỳ thuộc dòng điện, điện áp tải và khả
năng cung cấp các linh kiện bán dẫn. Có một số gợi ý khi lựa chọn các sơ đồ
hình 9.1 nh sau:
Sơ đồ kinh điển hình 9.1.a thờng đợc sử dụng nhiều hơn, do có thể điều
khiển đợc với mọi dòng tải. Hiện nay Tiristo đợc chế tạo có dòng điện đến
7000A, thì việc điều khiển xoay chiều đến hàng chục nghìn ampe theo sơ đồ
này là hoàn toàn đáp ứng đợc. Sơ đồ kinh điển đã đợc dùng khá lâu rồi (từ
những năm 60 của thế kỷ trớc) nên nó trở nên quá quen thuộc đối với nhiều
tác giả.
2
Hình 9.26 Các phơng án điều áp một pha
U
U

Tải
t
b
U
U
Tải
t
a
Tuy nhiên việc điều khiển hai Tiristo song song ngợc đôi khi có chất lợng
điều khiển không tốt lắm, đặc biệt là khi cần điều khiển đối xứng điện áp, nhất
là khi cung cấp cho tải, mà tải đòi hỏi thành phần điện áp đối xứng, chẳng hạn
nh biến áp hay động cơ xoay chiều. Khả năng mất đối xứng điện áp khi điều
khiển là do linh kiện mạch điều khiển Tiristo gây nên sai số. Điện áp tải thu
đợc gây mất đối xứng nh so sánh trên hình 9.27.



Hình 9.27 Hình dạng đờng cong điện áp điều khiển
a-Mong muốn b-Không mong muốn
Điện áp và dòng điện không đối xứng nh hình 9.27.b cung cấp cho tải, sẽ
làm cho tải có thành phần dòng điện một chiều, các cuộn dây bị bão hoà, phát
nóng và bị cháy. Vì vậy việc định kỳ kiểm tra, hiệu chỉnh lại mạch là việc nên
thờng xuyên làm đối với sơ đồ mạch này. Tuy vậy đối với dòng điện tải lớn thì
đây là sơ đồ tối u hơn cả cho việc lựa chọn.
Để khắc phục nhợc điểm vừa nêu về việc ghép hai Tiristo song song ng-
ợc, Triac ra đời và có thể mắc theo sơ đồ hình 9.1.b. Sơ đồ này có u điểm là,
các đờng cong điện áp ra gần nh mong muốn nh hình 9.27.a, nó còn có u điểm
hơn về việc lắp ráp. ở đây chỉ có một van bán dẫn. Sơ đồ mạch này hiện nay
đợc sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp. Tuy nhiên Triac hiện nay đợc
chế tạo với dòng điện không lớn (I < 400A), nên với những dòng điện tải lớn

cần phải ghép song song các Triac, lúc đó sẽ phức tạp hơn về lắp ráp và điều
khiển song song. Những tải có dòng điện trên 400A thì sơ đồ hình 9.1 b ít
dùng.
Một trong những yếu tố làm cho Triac cha áp đảo đợc Tiristo trong điều
áp xoay chiều hiện nay (của năm 2003 này) là về chất lợng. Hiện nay chất l-
3
U
U
Tải
t
b
U
U
Tải
t
a

1
2

U
1
U
2
Z
ợng Triac cha thật cao lắm, do đó việc sử dụng còn làm cho ngời ta lo ngại,
trong tơng lai gần chắc chắn việc sử dụng Triac sẽ rộng rãi hơn.
Sơ đồ hình 9.1.c có hai Tiristo và hai điốt có thể đợc dùng chỉ để nối các
cực điều khiển đơn giản, trong trờng hợp này có thể đợc dùng khi điện áp
nguồn cấp lớn, cần phân bổ điện áp trên các van, đơn thuần nh việc mắc nối

tiếp các van.
Sơ đồ hình 9.1.d trớc đây thờng đợc dùng, khi cần điều khiển đối xứng
điện áp trên tải, vì ở đây chỉ có một Tiristo một mạch điều khiển nên việc điều
khiển đối xứng điện áp dễ dàng hơn. Số lợng Tiristo ít hơn có thể sẽ có u điểm
hơn khi van điều khiển còn hiếm. Tuy nhiên việc điều khiển theo sơ đồ này
dẫn đến tổn hao trên các van bán dẫn lớn, làm hiệu suất của hệ thống điều
khiển thấp. Ngoài ra việc tổn hao năng lợng nhiệt lớn làm cho hệ thống làm
mát khó khăn hơn.
Đa số các trờng hợp điều áp xoay chiều, điện áp tải điều khiển trong
vùng thấp hơn điện áp nguồn, các van bán dẫn đợc nối trực tiếp tới nguồn.
Trong trờng hợp này điện áp tải thờng đợc điều khiển trong dải từ 0 đến điện
áp nguồn cấp.
Một số loại tải có điện áp tối đa khác với thông số điện áp nguồn cấp.
Trong trờng hợp đó biến áp để phối hợp thông số điện áp nguồn cấp với thông
số điện áp tối đa của tải theo sơ đồ 9.28 cần đợc đa vào.

Biến áp đợc sử dụng trên hình 9.28 có thể là biến áp tự ngẫu hoặc biến áp
cách ly. Biến áp cách ly thờng nên chọn hơn, bởi vì biến áp cách ly còn có
thêm chức năng bảo vệ xung điện áp từ lới.
4
Hình 9.28 Điêù áp xoay chiều với điện áp tải
lớn hơn điện áp nguồn cấp
~
T
D
i
r
U
r i
t

Khi tải không có nhu cầu cao về điều khiển đối xứng, nhất là khi điều
khiển các điện trở lò sấy hay đèn sợi đốt, ngời ta có thể sử dụng sơ đồ điều
khiển không đối xứng một điốt một Tiristo nh hình 9.29
ở đây chúng ta chỉ điều khiển một nửa chu kỳ điện áp còn nửa chu kỳ
không điều khiển. Trờng hợp này có thể điều khiển từ 1/4 công suất trở lên.
Tuy nhiên nếu công suất tải lớn sẽ gây mất đối xứng nguồn cấp làm xấu đi
chất lợng nguồn.
2. Tính chọn thông số mạch động lực và bảo vệ.
Mạch động lực và bảo vệ của sơ đồ điều áp xoay chiều hiện nay thờng
gặp là hai sơ đồ trên hình 9.30.
Thông số các van bán dẫn T
1
,T
2
,T và các Aptomat bảo vệ dòng điện AT
đợc lựa chọn thông qua thông số dòng điện tải.
5
Hình 9.29 Điều áp xoay chiều không đối xứng
a) sơ đồ ; b) đờng cong điện áp và dòng điện.
a. b.
AT
U
1
T
1
R
C
T
2
Z

T
AT
U
1
R
C
T
Z
T
Hình 9.30 Các sơ đồ điều áp xoay chiều điển hình bằng linh kiện bán
dẫn a) bằng Tiristo, b) bằng Triac.
a. b.
Tính toán thông số để lựa chọn van.
Dòng điện quyết định chế độ làm việc của van bán dẫn cần chọn và dòng
điện bảo vệ của Aptomat là dòng điện cực đại của tải. Dòng điện cực đại của
tải đợc tính khi góc mở van nhỏ nhất. Thờng góc mở van nhỏ nhất là chế độ
làm việc khi =0, lúc này tải có dòng điện hình sin chạy qua.
Dòng điện tải có thể đợc tính :
I
Tải
=

cos.U
P
Trong đó:
P Công suất định mức của tải.
U - Điện áp định mức.
cos - Hệ số công suất của tải.
Hoặc
I

Tải
=
22
TT
XR
U
+
Khi thông số đã cho là điện áp U, điện trở tải R
T
và điện cảm X
T
.
Từ các trị số I
T
ta tính đợc dòng điện làm việc hiệu dụng chạy qua các
van bán dẫn.
Trong sơ đồ hình 9.30.a dòng điện chạy qua các Tiristo I
T1
, I
T2
đợc tính.
I
T1
=I
T2
=
2
Tau
I
ở sơ đồ hình 9.30.b dòng điện chạy qua Triac bằng dòng điện tải.

I
Triac
=I
Tải

Điện áp làm việc (ngợc) của các van cần chọn theo biên độ điện áp
nguồn xoay chiều.
U
LV
=
2
.U
1
Van bán dẫn đợc chọn căn cứ vào các thông số dòng điện và điện áp vừa
mới tính đợc từ các biểu thức trên.
Cách chọn van bán dẫn
Trớc tiên chọn chế độ làm mát cho van bán dẫn. Căn cứ chế độ làm mát
mà chọn van, tham khảo cách làm mát này trong phần chọn van bán dẫn của
chơng 8. Sau khi chọn xong chế độ làm mát van, tính trị số định mức của van
cần chọn. Tra bảng thông số van chọn đợc van cần thiết.
6
Tính chọn Aptomat AT và bảo vệ xung điện áp do chuyển mạch van RC
cũng đợc thực hiện nh dã giới thiệu ở chơng 8.
Trờng hợp điện áp nguồn cấp không trùng điện áp tối đa của tải, chúng ta
cần có một biến áp để phối hợp điện áp cho hợp lý, công suất biến áp ở đây đ-
ợc tính theo công suât tải. Biến áp đợc tính nh dã giới thiệu ở chơng 8.
3- Thiết kế mạch điều khiển
Về nguyên lý, trong mạch điều áp xoay chiều, van bán dẫn đợc mắc vào
lới điện xoay chiều hoàn toàn giống nh chỉnh lu.
Trờng hợp mạch động lực đợc chọn là hai Tiristo mắc song song ngợc

nh sơ đồ hình 9.1a, chúng ta cần có hai xung điều khiển trong mỗi chu kỳ.
Mạch điều khiển có thể sử dụng sơ đồ hoàn toàn giống điều khiển chỉnh lu
một pha cả chu kỳ, với mỗi Tiristo một mạch điều khiển độc lập. Khi sử dụng
sơ đồ mạch điều khiển chỉnh lu cho điều áp xoay chiều, có thể xuất hiện khả
năng là: hai Tiristo điều khiển không đối xứng, do các linh kiện của hai mạch
điều khiển không hoàn toàn giống hệt nhau.
Đối với những tải cần điều khiển đối xứng, đòi hỏi hai Tiristo mở đối
xứng, lúc này cần các kênh điều khiển Tiristo có góc mở càng ít khác nhau
càng tốt. Mong muốn là chúng hoàn toàn giống nhau. Nhng sự giống nhau này
chỉ có thể đạt đến một chừng mực nào đó.
Nguyên lý điều khiển Tiristo ở đây nh trong điều khiển chỉnh lu, nghĩa là
ở mỗi nửa chu kỳ điện áp, cần tạo điện áp tựa trùng pha điện áp nguồn cấp nh
hinh 9.31.
Trong điều khiển chỉnh lu mỗi kênh điều khiển một nửa chu kỳ, điện áp
tựa xuất hiện gián đoạn. Mỗi nửa chu kỳ có một điện áp tựa đồng pha điện áp
dơng anốt của Tiristo. Điều áp xoay chiều cần có điện áp tựa liên tiếp cả hai
nửa chu kỳ.
Khi so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển, ở mỗi nửa chu kỳ đều có
điện áp tựa bằng điện áp điều khiển trong vùng biến thiên tuyến tính của điện
áp tựa ( tại các điểm t
1
, t
2
, t
3
, t
4
,....). Kết quả là chúng ta chúng ta có các xung
điều khiển X
đk

liên tiếp ở mỗi nửa chu kỳ.
7
Hình 9.31 Nguyên lý điều khiển điều áp xoay chiều
U
T
U
rc
t
1
X
đk
U
Tải
t
t
t
t
t
2
t
3
t
4
t
5
t
6
t
7
t

8
Nguyên lý điều khiển nh trên hình 9.31 sẽ hợp lý khi mạch động lực là
Triac ở hình 9.1.b.
Để thực hiện ý tởng điều khiển nh nguyên lý hình 9.31 chúng ta cũng cần
các khâu điều khiển nh đã giới thiệu trong chỉnh lu. Sự khác nhau giữa điều
khiển chỉnh lu với điều áp xoay chiều là trong điều áp xoay chiều cần tạo điện
áp tựa liên tiếp ở hai nửa chu kỳ. Để làm đợc việc này, đầu vào đồng pha đa tới
một điện áp chỉnh lu ví dụ nh hình 9.32.
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ hình 9.32 nh sau:
Điện áp chỉnh lu U
A
đợc so sánh với điện áp U
1
lấy trên biến trở VR
1
hình 9.32. Tại thời điểm U
A
=U
1
thì đổi dấu điện áp ra của khuếch đại thuật
toán A
1
. Kết quả là chúng ta có chuỗi xung chữ nhật không đối xứng U
B
. ở
đây có độ rộng xung âm của U
B
, phần dơng U
B
tích phân qua A

2
thành điện
áp tựa.
Trong vùng làm mất xung điều khiển, do không có điện áp tựa. Theo
nguyên tắc này càng giảm nhỏ góc càng tốt, mà góc do U
1
quyết
8
Hình 9.31 Nguyên lý điều khiển điều áp xoay chiều.
t
U
A
U
B
U
C
t
t
U
1
định. Vì vậy có thể giảm U
1
để có góc một vài độ, sai số một vài độ là
hoàn toàn cho phép.
Mạch điều khiển Triac
Mạch điều khiển một bộ điều áp xoay chiều một pha với mạch điều khiển
là Triac điều khiển sợi đốt có thể đợc vẽ nh hình 9.34.
9
U
v

U
đf1
U
đf2
D
1
D
2
VR
1
R
1
R
2
U
1
A
1
+
-
B
R
4
R
5
D
3
Tr
1
C

C
A
2
-
+
A
Hình 9.32 Sơ đồ đồng pha tạo điện áp tựa liên tiếp hai nửa chu kỳ
Hình 9.33 Nguyên lý tạo điện áp tựa trong điều áp xoay
chiều

10
U
v
U
®f1
U
®f2
D
1
D
2
VR
1
R
1
R
2
A
A
1

+
-
B
R
3
R
4
D
3
Tr
1
C
A
2
-
+
R
4
U
®k
R
5
R
6
A
3
-
+
D
R

7
D
4
D
5
X
U
T
R
5
Tr
2
Tr
3
H×nh 9.34 S¬ ®å m¹ch ®iÒu khiÓn triac
MĐK
T
1
T
1
a
T
2
MĐK
T
2
KĐX
T
T
1

c
T
2
MĐK
T T
1
b
T
2
2
KĐX
T
1
MĐK
Nguyên lý hoạt động của hình 9.34 sẽ đợc giới thiệu sau, tại hình 9.37.
Mạch điều khiển cặp Tiristo mắc song song ngợc
Khi mạch động lực là hai Tiristo mắc song song ngợc, có thể thực hiện
việc điều khiển bằng một số giải pháp nh trên hình 9.35
Nh đã giới thiệu ở trên, nếu điều khiển hai Tiristo bằng hai mạch điều
khiển độc lập nh hình 9.35.a, khả năng điều khiển không đối xứng điện áp t-
ơng đối cao.
Khi cần điều khiển đối xứng ngời ta dùng một mạch điều khiển
phát xung liên tiếp ở cả hai nửa chu kì, để mở hai Tiristo ngời ta sử dụng biến
áp xung hai cuộn dây thứ cấp nh trên hình 9.35.b. Giải pháp này có u điểm là
đơn giản trong việc thi công mạch điều khiển, nhng khi sử dụng một biến áp
xung, việc phân phối công suất cho hai Tiristo không đều nhau, do đó khả
năng một Tiristo không đủ công suất để mở là tơng đối cao, Các sơ đồ mạch
thực tế thờng không chọn sơ đồ này.
Mạch điều khiển tối u nên chọn là hai Tiristo chung nhau phần điện áp
tựa và điện áp so sánh, tới tầng khuếch đại mới tách riêng từng Tiristo

Hình 9.35 Các phơng án điều khiển cặp tiristo mắc song song ngợc
a, hai mạch điều khiển độc lập; b,- một biến áp xung hai cuộn dây
thứ cấp; c chung lệnh mở van, khác nhau khuếch đại
11
H×nh 9.36 S¬ ®å nguyªn lý ®iÒu khiÓn ®iÒu ¸p xoay chiÒu víi hai
Tiristo song song ngîc
v
U
®f1
U
®f2
D
1
D
2
VR
1
R
1
R
2
A
A
1
+
-
B
R
3
R

4
D
3
Tr
1
C
A
2
-
+
R
4
U
®k
R
5
R
6
A
3
-
+
D
V
1
T
1
D
4
T

2
V
2
A
5
A
4
+15V
+15V
12
H×nh 9.37 §êng cong c¸c kh©u c¬ b¶n cña s¬ ®å h×nh 9.36
AT
U
1
R
C
T
R
U
2
i
U
A
U
B
U
C
U
dk
U

D
U
E
U
F
U
V1
X
T1
U
V2
X
T2
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
U
1
U
ra
t
U
X

CX
X
dk
U
X
C
X
X
dk
t
t
t
t
t
t
U
U
U
U
U
U
13
một, nh vậy lệnh mở Tiristo chung nhau, nhng khuếch đại tín hiệu để mở
các Tiristo riêng rẽ, không bị ảnh hởng công suất giữa hai Tiristo với nhau.
Sơ đồ điều khiển cặp tiristo mắc song song ngợc giới thiệu trên hình 9.36.
Nguyên lý điều khiển hình 9.36 giống nh hình 9.33 từ tín hiệu vào đến
hết khâu so sánh, điều đó chứng tỏ lệnh mở Tiristo là đối xứng. Sau khi có
lệnh mở Tiristo tại các thời điểm
1
,

2
... phân xung điều khiển theo mỗi nửa
chu kỳ. Việc phân xung điều khiển đợc thực hiện thông qua hai mạch
khuếch đại, hai biến áp xung. Lệnh điều khiển cho hai mạch khuếch đại
này đợc lấy từ hai cổng và V
1
,V
2
hai cổng và này chung nhau một tín hiệu lấy
từ đầu ra của A3 đó là lệnh mở các Tiristo tại mỗi nửa chu kì. Cổng vào còn
lại của V
1
,V
2
đợc nhận hai tín hiệu đồng pha với điện áp anốt của Tiristo, đó
là các tín hiệu đảo pha từ A4, A5. Nhờ có hai tín hiệu đảo pha này mà có xung
điều khiển hai Tiristo dịch pha nhau 180
0
. Các dạng điện áp của các khâu cơ
bản mô tả trên hình 9.37
Điều khiển điều áp xoay chiều cho tải có điện cảm
Một trong những loại tải rất điển hình của điện áp xoay chiêù là tải điện
cảm. Ví dụ máy biến áp một pha hay động cơ một pha. ...lúc này sử dụng các
mạch điều khiển hình 9.33, 9.36 có thể có một vùng không hoạt động, nếu
điện cảm lớn có thể không hoạt động hoàn toàn.
Nguyên nhân của các hiện tợng này nh sau :
-Nguyên nhân thứ nhất là do khi có điện cảm dòng điện chậm pha sau
điện áp nh hình 9.38.
Hình 9.38-Sơ đồ đờng cong dòng điện và điện áp xoay chiều khi tải
điện cảm.

a) Sơ đồ động lực; b) Đờng cong điện áp và dòng điện.
U
1
A
1
A
2
T
1
T
2
i
U
2
a
U
T
i
b
A
1
A
2
T
1
T
2
14
I
dt

a
b
c
I I I
U
U U
Khi điện áp nguồn U
1
đã đổi dấu, mà cuộn dây điện cảm cha xả hết năng
lợng, làm cho T
1
vẫn dẫn từ cho đến 1, nếu T
1
đang dẫn thì chứng tỏ T
1
đang phân cực thuận và điện áp U
A1A2
> 0. Khi T
1
phân cực thuận thì T
2
phân
cực ngợc. Do đó trong vùng từ cho đến 1, nếu có phát xung điều khiển T
2
,
thì T
2
không dẫn. Nh vậy khi có tải là điện cảm, góc mở nhỏ nhất
min
của các

Tiristo phải lớn hơn hoặc bằng góc trễ lớn nhất (
min
lớn hơn hoặc bằng

max
).
Với tải điện cảm, nh biến áp hay động cơ thì góc thay đổi theo tải, làm
cho việc giới hạn góc
min
là không thích hợp, vì nó liên tục thay đổi theo tải.
Kết quả là, muốn điều khiển tăng điện áp xoay chiều, bằng cách giảm góc mở
Tiristo, đến vùng góc mở đủ nhỏ nào đó có thể chỉ mở một Tiristo. Dòng điện
trên tải lúc này là dòng một chiều.
Nguyên nhân thứ hai là do khi có điện cảm, dòng điện không biến thiên
đột ngột tại thời điểm mở Tiristo, điện cảm càng lớn dòng điện biến thiên càng
chậm, nếu nh độ rộng xung điều khiển hẹp, dòng điện khi có xung điều không
đủ lớn hơn dòng điện duy trì, do đó van bán dẫn không tự giữ dòng điện. Kết
quả là không có dòng điện, hay Tiristo không mở. Hiện tợng này thờng thấy
khi ở đầu và cuối chu kì điện áp hình 9.39 a, c lúc đó điện áp tức thời đặt vào
Van bán dẫn nhỏ. Khi kết thúc xung điều khiển, dòng điện còn nhỏ hơn dòng
điện duy trì nên van bán dẫn khoá luôn. Chỉ khi nào điện áp tại thời điểm mở
van đủ lớn, dòng điện cuối chu kì xung điều khiển đủ lớn hơn dòng điện duy
trì, thì dòng điện mới tồn tại trong mạch.
Hình 9.39 Sự xuất hiện dòng điện tại các góc mở
khác nhau khi tải điện cảm.
15
a b
X
đk
X

đk
X
đk
X
đk
U
I
U
I
t
t
t
t
t
t
Hai nguyên nhân này làm cho một số ngời thiết kế ngại không muốn điều
khiển tải điện cảm bằng thiết bị bán dẫn. Khi biết đợc nguyên nhân của việc
không điều khiển nh trên, thì việc xử lý trở nên không có gì khó khăn.
Để giải quyết bài toán về sự thay đổi góc của tải làm mất điều khiển,
cần có xung liên tục từ thời điểm mở Tiristo cho đến khi điện áp đổi dấu, nh
hình 9.40 a. Khi phát lệnh mà van còn đang phân cực ngợc, thì lệnh điều khiển
chờ tới khi nào đủ điều kiện phân cực thuận van sẽ dẫn.
Việc phát xung điều khiển với độ rộng lớn gần nh cả nửa chu kì nh hình
9.40 a có hai nhợc điểm, thứ nhất là dòng điều khiển gần nh dài hạn (về
nguyên lý điều khiển Tiristo và Triac, xung điều khiển với chức năng mồi nên
chỉ cần ngắn hạn), thứ hai là việc thiết kế cấp xung điều khiển nh trên khá
phức tạp, nhất là đối với những mạch có nhiều van bán dẫn. Cấp xung rộng thế
nào? Bằng một nguồn phụ, hay bằng biến áp xung có điện cảm cuộn dây lớn
cũng khó khăn nh nhau.
Một trong những giải pháp nên dùng, là tạo xung gián đoạn bằng chùm

xung liên tiếp, từ thời điểm mở van cho tới cuối bán kỳ nh hình 9.40b, về
nguyên lý đây là cấp xung liên tục nh hình 9.40a. Trong kỹ thuật, cấp xung
gián đoạn nh hình 9.40 b dễ thực hiện hơn. Nguyên lý ở đây là băm xung liên
tục thành chùm xung gián đoạn với tần số cao.
Hình 9.40 Phơng án cấp xung khi điều áp xoay chiều với tải điện cảm
lớn
a - cấp xung liên tục b - cấp xung gián đoạn.
16
U
x
U
cx
X
đk
b
a
U
Tai
1
2
3
U
x
U
cx
t
t
t
t
U

X
CX
X
dk
U
X
C
X
X
dk
t
t
t
t
t
t
U
U
U
U
U
U
Một cổng logic AND với hai đầu vào là thực hiện đợc. Khi đa tới đầu vào
cổng AND tín hiệu xung điều khiển U
x
; với tín hiệu chùm xung U
CX
; lúc đó
đầu ra cổng AND có xung X
đk

bằng tần số chùm xung trong vùng có điện áp
U
X
nh mô tả trên hình 9.41b
Nhợc điểm của sơ đồ điều khiển bằng xung gián đoạn là sai số khi điều
khiển. Sai số ở đây xuất hiện khi thời điểm phát lệnh mở van với thời điểm van
đợc mở không trùng với nhau. Khi phát xung điều khiển gián đoạn, xung điều
khiển tại đầu ra biến áp xung có đợc là do có hai tín hiệu vào cổng AND đồng
Hình 9.41 Nguyên lý tạo chùm xung điều khiển
a) Sơ đồ; b) các đờng cong.
Hình 9.42 Sai số có thể gặp khi điều khiển bằng chùm xung
a) lệnh mở và chùm xung đúng thời điểm; b) lệnh mở và chùm
xung không cùng thời điểm
a. b.
17
a
b
U
E
U
F
CX
A4
D
CX
Â4
A6
A6
V
V

V1
V2
+15V
+15V
+15V
thời, tín hiệu vào U
X
để quyết định góc mở tín hiệu từ chùm xung U
CX
. Hai
tín hiệu này nếu không đồng pha, thì khi có lệnh U
X
mà U
CX
= 0, xung điều
khiển X
đk
phải chờ khi nào U
CX
lên mức cao nh mô tả trên hình 9.42 b.
Sơ đồ mạch điều khiển điều áp xoay chiều với tải có điện cảm đợc thiết
kế trên cơ sở hình 9.34 cho mạch động lực là triac, hay hình 9.36 cho mạch
động lực là cặp tiristo song song ngợc, với việc nối thêm mạch tạo xung chùm
nh trên hình 9.43. Các đầu vào của hình 9.43 UD, UE, UF đợc lấy từ các đầu t-
ơng ứng trên hình 9.34, 9.36. Chùm xung đợc tạo bởi một dao động đa hài A6
hoặc một mạch tạo xung chữ nhật nào đó (sẽ giới thiệu trong chơng 10)
Trờng hợp điện cảm lớn mà Tiristo không mở đợc, nguyên nhân là do độ
rộng xung thiết kế là không đủ lớn. Việc chọn độ rộng xung ở đây phải hợp lý.
Ví dụ :Thiết kế mạch điều khiển và ổn định nhiệt độ cho tủ sấy bằng
điện trở với nhiệt độ điều chỉnh trong dải 0ữ150

0
C công suất sợi đốt 40 KW,
điện áp nguồn cấp 1 pha 220 V/50 Hz.
Lựa chọn sơ đồ thiết kế
Hình 9.43 Điều khiển điều áp xoay chiều khi tải điện cảm bằng chùm
xung a) Van động lực là triac; b) Van động lực là Tiristo
18
Đây là nguồn có công suất không lớn, xét về phía tải. Vì đây là tải trở,
không đòi hỏi quá cao về tính đối xứng của nguồn điều khiển. Có thể chọn bất
kỳ sơ đồ nào trong các sơ đồ đã giới thiệu ở trên . Tuy nhiên, với trờng hợp
này sơ đồ dùng Triac điều khiển là hợp lý hơn cả với các lý do sau:
-Với công suất không lớn Triac thừa đủ công suất để cung cấp.
-Mạch điều khiển Triac đơn giản hơn mạch hai Tiristo
-Dù là công suất nhỏ, nhng nếu điều khiển không đối xứng bằng một
điốt, một Tiristo cũng không nên, do làm xấu đi chất lợng điện áp nguồn.
-Các sơ đồ không dùng thiết bị bán dẫn khó đáp ứng cho việc ổn định
nhiệt độ, do việc tự động thay đổi điện áp và dòng điện tải khó khăn hơn.
*Tính chọn các thiết bị động lực
-Dòng điện tối đa chạy qua tải và qua Triac


A
U
P
I 18,18
220
4000
===
Khi điều chỉnh nhiệt độ ta coi nhịêt độ tối đa 150
0

đạt đợc tơng ứng với
dòng điện tối đa 18,18 A. các yếu tố khác ảnh hởng đến nhiệt độ của lò nh thể
tích vật liệu, thông số....ở đây không xét.
Dòng điện I=18,18 A đợc coi là dòng điện lớn nhất để chọn Triac. Với
dòng điện không quá lớn nh thế này, tổn hao khi van dẫn không quá lớn, nên
ta chọn điều kiện làm việc có cánh toả nhiệt đủ diện tích làm mát, không cần
quạt đối lu không khí, để an toàn cho phép Triac làm việc với 20%I
đm

Dòng điện định mức của Triac cần chọn
AT
U
1
R
C
T
R
U
2
i
Hình 9.44 Sơ đồ động lực thiết kế
19
I
đmV
=
A9,908,18.
20
100
=

Điện áp làm việc cực đại của Triac

U
lvmax
=
V308220.2
=
Giả sử cho phép van dự trữ điện áp K
dt
=2. Điện áp của Triac cần chọn
U
đmT
= 2.308 = 616 V
Từ hai thông số dòng điện và điện áp cần có ở trên ta chọn loại Triac:
SSG100C80 có các thông số.
U
đm
=800V I
rò
=10mA
I
đm
=100 A I
TG
=70 mA
I
Xmax
=1,2 kA U=1,5V
I
đk

=0,2 A T
cm
=10àS
U
đk
=3 V
Triac khi làm việc với 18,18 A chịu một tổn hao tối đa trên van :
P = U.I
lv
1,5.18,18 = 27,27 W
Với tổn hao này, chúng ta cần một cánh toả nhiệt có diện tích bề mặt tiếp
xúc với không khí :

S=
223
4
85010
32
27,27
40.10.8
27,27
.
cmcm
K
P
===



Aptomat đợc chọn có dòng điện

I
AT
=(1,1ữ1,3)I
lvmax
=20ữ23,63 A
Chọn loại 25A có bảo vệ ngắn mạch khôngcần bảo vệ quá tải.
Thiết kế mạch điều khiển :
Nh đã biết lò điện trở có hệ số cos=1. Do đó việc cung cấp xung điều
khiển bằng xung chùm nh hình 9.43 a là không cần thiết. Mạch điều khiển góc
mở Triac sử dụng sơ đồ 9.34 hoàn chỉnh thành 9.45 a là hợp lý. Tính toán
thông số các linh kiện mạch điều khiển này đợc sử dụng các cách tính nh đã
giới thiệu ở chơng 8.
20
21
H×nh 9.45 S¬ ®å m¹ch ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é cho tñ sÊy
U
v
U
®f1
U
®f2
D
1
D
2
VR
1
R
1
R

2
A
A
1
+
-
B
R
3
R
4
D
3
Tr
1
C
A
2
-
+
R
4
U
®k
R
5
R
6
A
3

-
+
D
R
7
D
4
D
5
X
U
V
R
5
Tr
2
Tr
3
Can nhiet
U
+12V
dat
_
_
-12V
+12V
A5
A6
+15V
22

9.6.3 Thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha
1. Lựa chọn sơ đồ động lực.
Mạch xoay chiều ba pha hiện nay trong thực tế thờng gặp gồm 3 sơ đồ
nh sau: Hình 9.46 a, b, c.
Các loại sơ đồ này bao gồm, tải đấu sao có trung tính (Hình 9.46 a),
tải đấu sao không trung tính (Hình 9.46 b), tải đấu tam giác (Hình 9.46 c).
Tải đấu sao có trung tính, có u điểm là sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp
một pha điều khiển dịch pha theo điện áp lới, do đó điện áp trên các van
bán dẫn nhỏ hơn vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha. Nhợc điểm
của sơ đồ là trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điều hoà bậc cao, khi
Hình 9.46: Sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha bằng cặp Tiristo
mắc song song ngược
c



a



b


23
góc mở các van khác 0 có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối này chỉ thích
hợp với loại tải ba pha có bốn đầu dây ra.
Các sơ đồ không trung tính Hình 9.46 b, c có nhiều điểm khác so với
sơ đồ có trung tính. ở đây dòng điện chạy giữa các pha với nhau, nên đồng
thời phải cấp xung điều khiển cho hai Tiristo của hai pha một lúc. Việc cấp
xung điều khiển nh thế, đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiển (sẽ

giới thiệu sau), ngay cả việc đổi thứ tự pha nguồn lới cũng có thể làm cho
sơ đồ không hoạt động.
Hiện nay, với những tải có công suất trung bình, các sơ đồ điều áp ba
pha bằng các cặp Tiristo nh Hình 9.46 đợc thay thế bằng các sơ đồ Triac
nh Hình 9.47.
Nh đã giới thiệu ở trên, Triac về nguyên lý điều khiển giống hệt các
cặp Tiristo mắc song song ngợc. Vì vậy, sử dụng các sơ đồ Hình 9.46 hay
Hình 9.47 tuỳ thuộc vào khả năng linh kiện có loại nào. Ngoài ra Hình
9.47 có u điểm hơn về mặt điều khiển đối xứng và đơn giản về cách ghép.
Đối với những tải không có yêu cầu về điều khiển đối xứng ngời ta có
thể sử dụng sơ đồ cặp Tiristo - điốt ( Hình 9.15).
Mặc dù vậy, sơ đồ này ứng dụng thực tế không nhiều. Bởi vì khi
không có xung điều khiển vẫn có thể có dòng chạy qua tải.
Trong trờng hợp cho phép điều khiển không đối xứng chúng ta có thể
sử dụng sơ đồ điều khiển hai pha nh Hình 9.48.

b

a

c
Hình 9.47: Điều áp ba pha bằng Triac
24
Ưu điểm của sơ đồ Hình 9.48 là số lợng van bán dẫn ít hơn, và mạch
điều khiển cũng đơn giản hơn. Nhợc điểm của sơ đồ là điều khiển không
đối xứng, nên đờng cong dòng điện và điện áp các pha không giống nhau,
vì vậy giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện khác nhau rõ rệt. Loại sơ
đồ này chỉ phát huy tác dụng khi tải và nguồn đợc phép làm việc không đối
xứng và có số lợng van bán dẫn bị hạn chế.
Khi sử dụng điều áp xoay chiều cho động cơ không đồng bộ ngoài chế

độ đóng cắt, điều khiển tốc độ, còn cần cả đảo chiều quay.
Trong động cơ điện không đồng bộ, khi đảo chiều quay cần đổi thứ tự
pha. Sơ đồ điều khiển có đảo chiều quay động cơ không đồng bộ nh Hình
9.49:
Hình 9.48: Sơ đồ điều áp ba pha đơn giản



Hình 9.49: Sơ đồ điều áp ba pha có đổi thứ tự pha



A
1
B
1
C
1
T
1
T
2
T
3
T
4
T
5
T
6

T
7
T
8
T
9
T
10
A
B
C
25