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
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.
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
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. 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
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
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
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.
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
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
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
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
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
6
A
3
-
+
D
V
1
T
1
D
4
T
2
V
2
A
5
A
4
+15V
+15V
15
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
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
2Khi 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
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
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
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.
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)
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
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
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.
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
Tr
3
Can nhiet
U
+12V
dat
_
_
-12V
+12V
A5
A6
+15V
259.6.3 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.
∼
∼
b
∼
∼
∼
Copyright: Tài liệu đại học ©