Hướng dẫn đồ án điện tử P4

1
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 hưởng 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 lưới.
+Chế độ làm việc: dài hạn, ngắn hạ
n hay ngắn hạn lặp lại
+Dải điều khiển công suất
+Nguồn cấp
- Điều kiện môi trường 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 người 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.

2
U
1
Z
f
U
2
i
Z
a
U
2
b
TBB§
U
2
U
1
C
U
1
i
9.6.2 Thiết kế bộ điều áp một pha.
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 (t
ổng 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 được dùng, do hiệu suất
thấp (nếu Z
f
là điện trở ) hay cosϕ thấp (nếu Z
f
là điện cảm ). Người ta có thể
dùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều U
2
như trên hình 9.26
b. Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu 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 phương 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 t
ục
được, 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 ưu điểm
là điện áp hình sin, đơn giản. Có chung nhược 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 phụ
c được những nhược điểm vừa
nêu.
Các sơ đồ bán dẫn điều áp xoay chiều trên hình 9.1 được 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 như sau:
Hình 9.26 Các phương án điều áp một pha

3
U
U
T¶i
t
b
U
U
T¶i
t
a
Sơ đồ kinh điển hình 9.1.a thường được sử dụng nhiều hơn, do có thể
điều khiển được với mọi dòng tải. Hiện nay Tiristo được 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 được. Sơ đồ kinh điển đã được dùng
khá lâu rồi (từ những năm 60 của thế k
ỷ trước) nên nó trở nên quá quen
thuộc đối với nhiều tác giả.

Tuy nhiên việc điều khiển hai Tiristo song song ngược đôi khi có chất
lượng 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 như biến áp hay động cơ xoay chi
ều. 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 được gây mất đối xứng như so sánh trên hình 9.27.











Hình 9.27 Hình dạng đường cong điện áp điều khiển
a-Mong muốn b-Không mong muốn
Điện áp và dòng điện không đối xứng như hình 9.27.b cung cấp cho tải,
sẽ làm cho tải có thành ph
ần 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 thường xuyên làm đối với sơ đồ mạch này. Tuy vậy đối với dòng
điện tải lớn thì đây là sơ đồ tối ưu hơn cả cho việc lựa chọn.
Để khắc phục nhược điểm vừa nêu về việ
c ghép hai Tiristo song song
ngược, Triac ra đời và có thể mắc theo sơ đồ hình 9.1.b. Sơ đồ này có ưu
điểm là, các đường cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 9.27.a, nó

còn có ưu điểm hơn về việc lắp ráp. Ở đây chỉ có một van bán dẫn. Sơ đồ
U
U
T¶i
t
b
U
U
T¶i
t
a
α
α1
α2
α

4
U
1
U
2
Z
mạch này hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp. Tuy nhiên
Triac hiện nay được 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 chưa áp đảo được Tiristo trong
đ
iều áp xoay chiều hiện nay (của năm 2003 này) là về chất lượng. Hiện nay

chất lượng Triac chưa thật cao lắm, do đó việc sử dụng còn làm cho người ta
lo ngại, trong tương 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 được dùng chỉ để nối
các cực điều khiển đơn giản, trong trường hợp này có thể
được dùng khi
điện áp nguồn cấp lớn, cần phân bổ điện áp trên các van, đơn thuần như việc
mắc nối tiếp các van.
Sơ đồ hình 9.1.d trước đây thường được 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 điệ
n áp dễ dàng hơn. Số lượng Tiristo ít hơn có thể
sẽ có ưu 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 lượng nhiệt lớn làm
cho hệ thống làm mát khó khăn hơn.
Đa số các trường h
ợp điều áp xoay chiều, điện áp tải điều khiển trong
vùng thấp hơn điện áp nguồn, các van bán dẫn được nối trực tiếp tới nguồn.
Trong trường hợp này điện áp tải thường được 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 trường 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 được đưa vào.

Hình 9.28 Điêù áp xoay chiều với điện áp
tải lớn hơn điện áp nguồn cấp

5
~
T
D
i
r
U
r
i
t
Biến áp được sử dụng trên hình 9.28 có thể là biến áp tự ngẫu hoặc biến
áp cách ly. Biến áp cách ly thường nên chọn hơn, bởi vì biến áp cách ly còn
có thêm chức năng bảo vệ xung điện áp từ lưới.


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, người ta có thể sử dụng sơ
đồ điều
khiển không đối xứng một điốt một Tiristo như hình 9.29

ở đây chúng ta chỉ điều khiển một nửa chu kỳ điện áp còn nửa chu kỳ
không điều khiển. Trường 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 c
ấp làm xấu đi
chất lượng 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 thường
gặp là hai sơ đồ trên hình 9.30.






Hình 9.29 Điều áp xoay chiều không đối xứng
a) sơ đồ ; b) đường 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

6




Thông số các van bán dẫn T
1
,T
2
,T và các Aptomat bảo vệ dòng điện
AT được lựa chọn thông qua thông số dòng điện tải.
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 được tính khi góc mở van nhỏ nhất. Thường góc m
ở van nhỏ nhất
là chế độ làm việc khi α=0, lúc này tải có dòng điện hình sin chạy qua.
Dòng điện tải có thể được tính :
I

Tải
=
ϕ
cos.U
P

Trong đó:
P – Công suất định mức của tải.
U - Điện áp định mức.
cosϕ - 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 được 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
được
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

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.

7
Điện áp làm việc của các van cần chọn theo biên độ điện áp nguồn
xoay chiều.
U
LV
=

2
.U
1

Van bán dẫn được chọn căn cứ vào các thông số dòng điện và điện áp
vừa mới tính được từ các biểu thức trên.
Cách chọn van bán dẫn
Trước 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 chương 8. Sau khi chọn xong chế độ làm mát van, tính trị số định mức
của van cần chọn. Tra bảng thông số van chọ
n được van cần thiết.
Tính chọn Aptomat AT và bảo vệ xung điện áp do chuyển mạch van
RC cũng được thực hiện như dã giới thiệu ở chương 8.
Trường 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 được tính theo công suât tải. Biến áp đượ
c tính như dã giới thiệu ở
chương 8.
3- Thiết kế mạch điều khiển
Về nguyên lý, trong mạch điều áp xoay chiều, van bán dẫn được mắc
vào lưới điện xoay chiều hoàn toàn giống như chỉnh lưu.
Trường hợp mạch động lực được chọn là hai Tiristo mắc song song
ngược như sơ đồ hình 9.1a, chúng ta cần có hai xung điều khiển trong mỗi
chu kỳ. Mạch đ
iều khiển có thể sử dụng sơ đồ hoàn toàn giống điều khiển
chỉnh lưu một pha cả chu kỳ, với mỗi Tiristo một mạch điều khiển độc lập.
Khi sử dụng sơ đồ mạch điều khiển chỉnh lưu cho điều áp xoay chiều, có thể
xuất hiện khả năng là: hai Tiristo điều khiển không đối xứng, do các linh
ki

ện 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. Nhưng sự giống nhau
này chỉ có thể đạt đến một chừng mực nào đó.
Nguyên lý điều khiển Tiristo ở đây như trong đ
iều khiển chỉnh lưu,
nghĩa là ở mỗi nửa chu kỳ điện áp, cần tạo điện áp tựa trùng pha điện áp
nguồn cấp như hinh 9.31.
Trong điều khiển chỉnh lưu 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

8
U
T
U
rc
t
1
X
®k
U
T¶i
t
t
t
t
t
2
t

3
t
4
t
5
t
6
t
7
t
8
điện áp dương 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.

Nguyên lý điều khiển như trên hình 9.31 sẽ hợp lý khi mạch động lực là
Triac ở hình 9.1.b.
Để thực hiện ý tưởng điều khiển như nguyên lý hình 9.31 chúng ta
cũng cần các khâu điều khiển như đã giới thiệu trong chỉnh lưu. Sự khác
nhau giữa điều khiển chỉnh lưu với
điều áp xoay chiều là trong điều áp xoay
Hình 9.31 Nguyên lý điều khiển điều áp xoay chiều.

9
t
U
A
U

B
U
C
t
t
U
1
chiều cần tạo điện áp tựa liên tiếp ở hai nửa chu kỳ. Để làm được việc này,
đầu vào đồng pha đưa tới một điện áp chỉnh lưu ví dụ như hình 9.32.
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ hình 9.32 như sau:
Điện áp chỉnh lưu U
A
được 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 γ của U
B
, phần dương U

B
tích phân qua A
2
thành
điện áp tựa.
Trong vùng γ làm mất xung điều khiển, do không có điện áp tựa. Theo
nguyên tắc này càng giảm nhỏ góc γ càng tốt, mà góc γ do U
1
quyết











định. Vì vậy có thể giảm U
1
để có góc γ một vài độ, sai số một vài độ là
hoàn toàn cho phép.

U
v
U
®f1
U
®f2
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
γ

10





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 được vẽ như hình 9.34.

Hình 9.33 Nguyên lý tạo điện áp tựa trong điều áp
xoay chiều

11

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
Hình 9.34 Sơ đồ mạch điều khiển triac

12
M§K
T
1
T
1
a
T
2
M§K
T
2
K§X
T
T
1
c
T
2
M§K
TT
1
b
T
2
2
K§X

T
1
M§K
Nguyên lý hoạt động của hình 9.34 sẽ được giới thiệu sau, tại hình
9.37.
Mạch điều khiển cặp Tiristo mắc song song ngược
Khi mạch động lực là hai Tiristo mắc song song ngược, có thể thực
hiện việc điều khiển bằng một số giải pháp như trên hình 9.35
















Như đã giới thiệu ở trên, nếu điều khiển hai Tiristo bằng hai mạ
ch điều
khiển độc lập như hình 9.35.a, khả năng điều khiển không đối xứng điện áp
tương đối cao.
Khi cần điều khiển đối xứng người ta dùng một mạch điều khiển
phát xung liên tiếp ở cả hai nửa chu kì, để mở hai Tiristo người ta sử dụng

biến áp xung hai cuộn dây thứ cấp như trên hình 9.35.b. Giải pháp này có
ưu điểm là đơ
n giản trong việc thi công mạch điều khiển, nhưng 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 tương đối cao, Các
sơ đồ mạch thực tế thường không chọn sơ đồ này.
Hình 9.35 Các phương án điều khiển cặp tiristo mắc song song
ngược
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

13
Mạch điều khiển tối ưu 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

14

Hình 9.36 Sơ đồ nguyên lý điều khiển điều áp xoay chiều với hai
Tiristo song song ngược
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

15

Hình 9.37 Đường cong các khâu cơ bản của sơ đồ hình 9.36
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

16
một, như vậy lệnh mở Tiristo chung nhau, nhưng khuếch đại tín hiệu để
mở các Tiristo riêng rẽ, không bị ảnh hưởng công suất giữa hai Tiristo với
nhau.
Sơ đồ điều khiển cặp tiristo mắc song song ngược giới thiệu trên hình
9.36.
Nguyên lý điều khiển hình 9.36 giống như 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 α
1
,α
2
... phân xung điều khiển theo mỗi
nửa chu kỳ. Việc phân xung điều khiển được thực hiện thông qua hai mạch
khuếch đại, hai biến áp xung. Lệnh điều khiển cho hai mạch khuếch đại
này được 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
được 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,
n
ếu điện cảm lớn có thể không hoạt động hoàn toàn.
Nguyên nhân của các hiện tượng này như sau :
-Nguyên nhân thứ nhất là do khi có điện cảm dòng điện chậm pha sau
điện áp như hình 9.38.








Hình 9.38-Sơ đồ đường cong dòng điện và điện áp xoay chiều khi
tải điện cảm.
a) Sơ đồ động lực; b) Đường 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

17
I
dt
a
b
c
II I
U
UU

Khi điện áp nguồn U
1
đã đổi dấu, mà cuộn dây điện cảm chưa xả hết
năng lượng, làm cho T
1
vẫn dẫn từ π cho đến ϕ1, 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 ngược. Do đó trong vùng từ π cho đến ϕ1, nếu có phát xung
điều khiển T
2
, thì T
2
không dẫn. Như vậy khi có tải là điện cảm, góc mở nhỏ
nhất α
min
của các Tiristo phải lớn hơn hoặc bằng góc trễ ϕ lớn nhất (α

min
lớn
hơn hoặc bằng ϕ
max
).
Với tải điện cảm, như biến áp hay động cơ thì góc ϕ thay đổi theo tải,
làm cho việc giới hạn góc α
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 l
ớn dòng điện biến thiên
càng chậm, nếu như 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
tượng này thường 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 nh
ỏ. 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.

18
ab
X
®k
X
®k
X
®k
X
®k
U
I
U
I
t
t
t
t
t
t



Hai nguyên nhân này làm cho một số người thiết kế ngại không muốn
điều khiển tải điện cảm bằng thiết bị bán dẫn. Khi biết được nguyên nhân

của việc không điều khiển như trên, thì việc xử lý trở nên không có gì khó
khăn.















Để giải quyết bài toán về sự thay đổi góc ϕ của tải làm mất điều khiể
n,
cần có xung liên tục từ thời điểm mở Tiristo cho đến khi điện áp đổi dấu,
như hình 9.40 a. Khi phát lệnh mà van còn đang phân cực ngược, 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 như cả nửa chu kì như
hình 9.40 a có hai nhược điểm, thứ nh
ất là dòng điều khiển gần như 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 như
trên khá phức tạp, nhất là đối với những mạch có nhiều van bán dẫn. Cấp
Hình 9.40 Phương án cấp xung khi điều áp xoay chiều với tải
đ

iện cảm lớn
a - cấp xung liên tục b - cấp xung gián đoạn.

19
U
x
U
cx
X
®k
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
xung rộng thế nào? Bằng một nguồn phụ, hay bằng biến áp xung có điện
cảm cuộn dây lớn cũng khó khăn như 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 như hình 9.40b, về
nguyên lý đây là cấp xung liên tục như hình 9.40a. Trong kỹ thuật, cấp xung
gián đoạn như hình 9.40 b dễ thực hiện hơ
n. Nguyên lý ở đây là băm xung
liên tục thành chùm xung gián đoạn với tần số cao.
Một cổng logic AND với hai đầu vào là thực hiện được. Khi đưa 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
như mô tả trên hình 9.41b




















Hình 9.41 Nguyên lý tạo chùm xung điều khiển
a) Sơ đồ; b) các đường cong.

20
a
b
U
E
U
F
CX
A4
D
CX
¢4
A6
A6
V
V
V1
V2
+15V
+15V
+15V




Nhược 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 được mở không trùng với nhau. Khi phát xung điều khiển gián
đoạn, xung điều khiển tại đầu ra biến áp xung có được là do có hai tín hiệu

vào cổng AND đồng thời, tín hiệu vào U
X
để quyết định góc mở α 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 như mô
tả trên hình 9.42 b.
Sơ đồ mạch điều khiển điều áp xoay chiều với tải có điện cảm được
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 ngược, với việc nối thêm mạch tạo
xung chùm như trên hình 9.43. Các đầu vào của hình 9.43 UD, UE, UF được
lấy từ các đầu tương ứng trên hình 9.34, 9.36. Chùm xung được tạo bởi m
ột
dao động đa hài A6 hoặc một mạch tạo xung chữ nhật nào đó (sẽ giới thiệu
trong chương 10)

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.

21



Trường hợp điện cảm lớn mà Tiristo không mở được, 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 0
÷150
0
C công suất sợi đốt 40 KW,
điện áp nguồn cấp 1 pha 220 V/50 Hz.
Lựa chọn sơ đồ thiết kế
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 trường

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, nhưng nếu điều khiển không đối xứng bằng một
điốt, một Tiristo cũng không nên, do làm xấu đi chất lượng điện áp nguồn.
-Các sơ đồ không dùng thiế
t 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
===








AT
U

1
R
C
T
R
U
2
i
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

22



Khi điều chỉnh nhiệt độ ta coi nhịêt độ tối đa 150
0
đạt được tương ứng
với dòng điện tối đa 18,18 A. các yếu tố khác ảnh hưởng đến nhiệt độ của lò
như thể tích vật liệu, thông số....ở đây không xét.
Dòng điện I=18,18 A được coi là dòng điện lớn nhất để chọn Triac. Với
dòng điện không quá lớn như 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 lưu không khí, để an toàn cho phép Triac làm việc với 20%I
đm

Dòng điện định mức của Triac cần chọn

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 ΔU=1,5A
I
đk
=0,2 A T
cm
=10μS
U
đk
=3 V
Triac khi làm việc với 18,18 A chịu một tổn hao tối đa trên van :
ΔP = ΔU.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 :

Hình 9.44 Sơ đồ động lực thiết kế

23
S=
223
4
85010
32
27,27
40.10.8

27,27
.
cmcm
K
P
===
Δ
−
τ

Aptomat được chọn có dòng điện

I
AT
=(1,1÷1,3)I
lvmax
=20÷23,63 A
Chọn loại 25A có bảo vệ ngắn mạch khôngcần bảo vệ quá tải.
Thiết kế mạch điều khiển :
Như đã biết lò điện trở có hệ số cosϕ=1. Do đó việc cung cấp xung điều
khiển bằng xung chùm như 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 s
ố các linh kiện mạch điều khiển này được sử dụng các cách tính
như đã giới thiệu ở chương 8.

24




















Hình 9.45 Sơ đồ mạch điều khiển nhiệt độ cho tủ sấy
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

25


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 thường gặp gồm 3 sơ
đồ như 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 ư
u điểm là sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp
một pha điều khiển dịch pha theo điện áp lưới, do đó điện áp trên các van
bán dẫn nhỏ hơn vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha. Nhược
điểm của sơ đồ là trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điều hoà bậc
Hình 9.46: Sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha bằng cặp Tiristo
mắc song song ngược
c
∼

∼

∼

a
∼

∼

∼

b
∼

∼

∼