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

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

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

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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
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

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

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

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

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
=


=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

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

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

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