Thiết kế bộ cân bằng pha tự động cho lưới phân phối hạ áp

ại cách điện tại dây dẫn trên 
pha quá tải; xuất hiện dòng điện trên dây 
16 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
trung tính, gây ra tổn thất điện năng trên máy 
biến áp và đường dây, làm giảm chất lượng 
điện năng và tăng chi phí hoạt động trong 
quá trình phân phối điện năng. 
Theo thông tư 39 của Bộ công thương 
về việc cân bằng pha lưới điện phân phối [1]: 
Trong chế độ làm việc bình thường, thành 
phần thứ tự nghịch của điện áp pha không 
vượt quá 3% điện áp danh định đối với cấp 
điện áp 110kV hoặc 5% điện áp danh định 
đối với cấp điện áp trung áp và hạ áp. Mất 
cân bằng điện áp là sự khác nhau về độ lớn 
điện áp pha (dây), điện áp các pha không 
lệch nhau 120 độ hoặc cả 2 lí do trên. Mất 
cân bằng dòng điện tương tự như mất cân 
bằng điện áp, giá trị dòng điện các pha lệch 
nhau không quá 15%. 
Có nhiều nguyên nhân gây mất cân 
bằng pha, trong đó có các nguyên nhân chủ 
yếu: thành phần 1 pha trên lưới 3 pha, phân 
bố phụ tải trên các pha không đều, mất cân 
bằng pha trong mỗi tải. Có nhiều công trình 
trên thế giới nghiên cứu về việc cân bằng pha 
cho lưới hạ áp và giải pháp để giảm thiệt hại 
do mất cân bằng pha gây ra [2-5]. Các nghiên 
cứu này chủ yếu nghiên cứu việc tái cấu trúc 
lưới để cân bằng pha, giảm tổn thất, hoặc sử 
dụng hệ thống thông tin tiêu thụ điện từ 
khách hàng để tính toán dòng điện và sau đó 
chọn thứ tự pha để cân bằng tải. Tuy nhiên 
các nghiên cứu chưa đề cập đến vấn đề giải 
nhiệt và ảnh hưởng sóng hài khi sử dụng 
thiết bị điện tử công suất lâu dài, hoặc sử 
dụng quá nhiều các bộ chuyển đổi. 
Ở Việt Nam hiện nay, để hạn chế việc 
mất cân bằng pha, các công ty điện lực 
thường sử dụng biện pháp phân bố phụ tải 
trên các pha đều nhau trong quá trình thiết kế, 
hoặc hoán vị thường xuyên phụ tải trong 
phân phối để giảm thiểu sự khác biệt trong hệ 
thống mỗi pha. Tuy nhiên, giải pháp này gây 
ra những hạn chế như sau: mặc dù trong thiết 
kế, việc phân bố dòng tải trên các pha là đều 
nhau, nhưng thực tế vận hành giá trị các phụ 
tải khác nhau sẽ tiếp tục gây mất cân bằng 
pha theo thời gian; việc hoán vị phụ tải trên 
các pha khác nhau sẽ gây mất điện cho phụ 
tải, gây ra những bất tiện cho khách hàng. 
Thực tế đã ứng dụng mô hình “Thiết kế bộ 
cân bằng pha tự động cho lưới hạ áp” trên 
lưới điện Chợ Lách, Bến Tre, dựa trên các đề 
tài “Thiết kế bộ cân bằng pha tự động cho 
lưới hạ áp” của Nguyễn Ngọc Cẩn - Nguyễn 
Hoài Thương [6] và “Thiết kế bộ cân bằng 
pha tự động cho lưới hạ áp có dòng tải lớn” 
của Nguyễn Văn Thọ - Thị Thanh Tuyền [7], 
cho thấy bộ cân bằng pha tự động có hạn chế 
là: chỉ chuyển tốt đối với tải thuần trở, đối 
với tải cảm thì vẫn còn hiện tượng sớm pha 
hoặc trễ pha dòng điện trong quá trình 
chuyển pha làm thiết bị hoạt động không ổn 
định. Bài báo này trình bày việc thiết kế bộ 
cân bằng pha tự động cho lưới hạ áp có xem 
xét đến giải pháp hạn chế hiện tượng trễ/sớm 
pha sử dụng giải thuật dò tìm điểm zero khi 
chuyển pha đối với tải cảm, đề xuất giải pháp 
điều khiển hoạt động đóng ngắt chuyển tải 
trên các pha mà không gây mất điện trên tải, 
nhằm tạo sự cân bằng pha trên lưới điện, có 
khả năng vận hành tải liên tục, ổn định và 
nâng cao chất lượng vận hành phù hợp với 
điều kiện thực tế của Việt Nam. Ngoài ra, bài 
báo còn đề xuất giải pháp sử dụng thiết bị 
đóng cắt dài hạn kết hợp với sử dụng linh 
kiện điện tử công suất ngắn hạn để hạn chế 
triệt để việc phát nóng và khử sóng hài do sử 
dụng linh kiện điện tử công suất gây ra. Kết 
quả thực nghiệm cho thấy hiệu quả của giải 
pháp đề xuất. 
2. THIẾT KẾ BỘ CÂN BẰNG PHA 
TỰ ĐỘNG 
2.1 Yêu cầu thiết kế 
Bộ cân bằng pha tự động được thiết kế 
với các yêu cầu sau: 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
17 
- Điện áp định mức của tải 230VAC 
- Dòng điện lớn nhất trên dây pha: phụ 
thuộc vào tỉ số của máy biến dòng (50/5, 
100/5, 200/5,). 
- Khả năng mang tải: phụ thuộc vào dòng 
định mức của SCR và Contactor. 
- Tự động chuyển tải qua lại giữa các pha 
mà không làm mất điện hay gây sự cố 
ngắn mạch. 
Dựa vào yêu cầu thiết kế, bộ cân bằng 
pha tự động được xây dựng trên 5 khối cơ 
bản: khối lấy tín hiệu (biến dòng); khối điều 
khiển; cơ cấu chấp hành (SCR-Contactor); 
khối hiển thị; tải. Sơ đồ khối của hệ thống 
như Hình 1. 
Hình 1. Sơ đồ khối của hệ thống cân pha 
Ở đây: khối lấy tín hiệu sử dụng các 
biến áp 220V/12V (1A) và cảm biến dòng 
ACS712 để đo dòng và là tín hiệu ngõ vào 
khối điều khiển so sách lệch pha; khối điều 
khiển sử dụng board Arduino để xử lý tín 
hiệu lấy từ cảm biến ACS712, bộ xử lý sóng 
sin và đưa ra tín hiệu điều khiển cho cơ cấu 
chấp hành (SCR-Contactor); khối hiển thị sử 
dụng màn hình LCD hiển thị dòng điện trên 
các pha và giá trị lệch pha cho phép để tiện 
theo dõi và cài đặt giá trị độ lệch cho phép. 
2.2 Thiết kế mạch động lực và mạch 
điều khiển 
Mạch động lực là mạch chịu trách 
nhiệm mang tải trong thời gian dài, và mang 
tải trong quá trình chuyển pha. Do đó, khi 
thiết kế sử dụng: SCR để mang tải trong quá 
trình chuyển mạch, do quá trình chuyển 
mạch nhanh coi như tức thời không gây mất 
điện và không ảnh hưởng nhiều tới quá trình 
hoạt động của thiết bị; Contactor chịu trách 
nhiệm mang tải trong thời gian dài và hạn 
chế sóng hài trên lưới khi sử dụng SCR lâu 
dài, do quá trình chuyển mạch của contactor 
chậm nên chỉ dùng để mang tải sau khi SCR 
chuyển mạch xong; CB với chức năng chính 
là bảo vệ ngắn mạch, cách ly mạch điều 
khiển và mạch động lực. Sơ đồ kết nối mạch 
động lực và mạch điều khiển trình bày ở 
Hình 2 và Hình 3: 
SCRA
CTTA
SCRB
CTTB
LA LB
LOAD
CB
N
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực 
ACS712 
A
ACS712 
B
ARDUINO UNO R3
MẠCH KÍCH
RELAY
MẠCH XỬ 
LÝ SÓNG
A5A4A3A2A1
012311
BIẾN ÁP A
~220V
~12V
BIẾN ÁP B
~220V
~12V
RELAY
SCR A
RELAY
CTT A
RELAY
SCR B
RELAY
CTT B
0v
5v
Hình 3. Sơ đồ kết nối mạch điều khiển 
18 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
BẮT ĐẦU
ĐÓNG SSRA
DELAY
ĐÓNG CTTA
DELAY
NGẮT SSRA
ĐỌC TÍN HIỆU TỪ 
CẢM BIẾN
TÍNH DÕNG 
LỆCH IA, IB
IB ≤ 1,15IA IA ≤ 1,15IB
S
Đ
DELAY DELAY
IB ≤ 1,15IA IA ≤ 1,15IB
ĐÓNG SSRA ĐÓNG SSRB
DELAY DELAY
NGẮT CCTA, X=0 NGẮT CCTB , X=1
DELAY DELAY
DÕ ĐIỂM ZERO 
LA
DÕ ĐIỂM ZERO 
LB
CÓ ĐIỂM ZERO CÓ ĐIỂM ZERO
 CH TRÌNH NGẮT 0 CH TRÌNH NGẮT 1
ĐÓNG CTTB
DELAY
NGẮT SSRB
DELAY
ĐÓNG CTTA
DELAY
NGẮT SSRA
DELAY
END
DELAY 4ms
DÕ ĐIỂM ZERO 
LB
CÓ ĐIỂM ZERO
CH TRÌNH NGẮT 1
DELAY 4ms
DÕ ĐIỂM ZERO 
LB
CÓ ĐIỂM ZERO
 CH TRÌNH NGẮT 0
S
Đ
SS
ĐĐ
Đ Đ
S S
S S
Đ Đ
Hình 4. Lưu đồ giải thuật điều khiển mạch 
cân bằng pha tự động 
A>>B
SCRA
CCTA
DO PHA B
SCRB
CCTB
SÓNG RA 
TẢI
DÕ PHA A
DO PHA B
SCRB
CCTB
DÕ PHA A
SCRA
CCTA
SÓNG RA 
TẢI
SÓNG SIN
NGUỒN
B>>A
BỘ DÕ ĐIỂM 
ZERO PHA A
BỘ DÕ ĐIỂM 
ZERO PHA B
2s 1s
2s 1s
1s
1s2s
XUNG CHO PHÉP DÕ ZERO
XUNG KHI CÓ ĐIỂM ZERO
XUNG CHO PHÉP DÕ ZERO
XUNG KHI CÓ ĐIỂM ZERO
Hình 5. Giản đồ thời gian đóng ngắt thiết bị 
Các ngõ ra của biến dòng sẽ được mắc 
nối tiếp với cảm biến ACS712 có tín hiệu 
ngõ ra điện áp tỉ lệ tuyến tính với dòng điện 
qua cảm biến. Các đầu ra điện áp của cảm 
biến được đọc bởi bộ ADC của vi điều khiển 
và tính giá trị chênh lệch ∆I giữa các dòng tải 
trên các pha. Giá trị chênh lệch giữa các 
dòng tải ∆I sẽ được so sánh với ngưỡng để 
quyết định đưa ra tín hiệu điều khiển đóng 
ngắt SCR và Contactor. Việc lấy tín hiệu 
dạng sóng trên pha A và pha B giúp đóng 
ngắt chính xác tại điểm zero của mỗi pha. 
Lưu đồ giải thuật điều khiển và giản đồ thời 
gian trình tự đóng ngắt các thiết bị ở mạch 
động lực qua relay trung gian, tương ứng các 
khoảng thời gian chuyển mạch trình bày ở 
Hình 4 và Hình 5. 
3. THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH 
Bộ cân bằng pha tự động sau khi thiết 
kế được thử nghiệm trên lưới 1 pha 3 dây có 
sơ đồ kết nối trình bày ở Hình 6. 
A
B
N
CẢM BIẾN BCẢM BIẾN A
ARDUINO
BIẾN ÁP A BIẾN ÁP B
MẠCH XỬ LÝ 
SÓNG
MẠCH KÍCH 
RELAY
CCT A CTT B
RELAY RELAY RELAY RELAY
LOADSCRA SCRB
Hình 6. Sơ đồ kết nối bộ cân pha tự động 
trên lưới 1 pha 3 dây 
3.1 Mô tả sơ đồ kết nối và thử nghiệm 
mô hình 
Chức năng của các thiết bị trên mô hình: 
- Biến dòng được lắp trên LA và LB để lấy 
tín hiệu dòng điện trên dây pha. 
- Cảm biến dòng điện (ACS712) chuyển 
đổi dòng điện thành điện áp tuyến tính 
theo dòng thứ cấp của biến dòng. 
- Mạch xử lý sóng nhận tín hiệu cho phép 
từ vi điều khiển Arduino, cho phép mạch 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
19 
xử lý sóng hoạt động và đẩy tín hiệu về 
vi điều khiển Arduino. 
- Vi điều khiển Arduino xử lý tín hiệu từ 
cảm biến và đưa ra lệnh cho mạch xử lý 
sóng hoạt động. Sau khi nhận tín hiệu từ 
mạch xử lý sóng Arduino đưa ra quyết 
định qua mạch điều khiển relay. 
- Tải được đấu trên cả 2 pha LA, LB thông qua 
SCRA – ContactorA và SCRB – ContactorB . 
Hình 7. Thiết bị cân bằng pha tự động cho 
lưới hạ áp sau khi thi công 
Ở đây: 
1. CB đóng tải 2. Module Contactor 
3. Module SCR 4. Adapter cấp nguồn 
5. Domino đấu nối 6. Mạch kích SCR 
7. Arduino+LCD 8. Bo mạch kích 
9. Biến áp lấy tín hiệu 10. Relay trung gian. 
Nguyên lý hoạt động: 
- Ở điều kiện bình thường (ILA ≤ 1,15.ILB), 
tín hiệu điều khiển ở ngõ ra của vi điều 
khiển sẽ kích đóng SCRA, kích ngắt 
SCRB và ContactorB. Sau khoảng thời 
gian 2s kích đóng ContactorA xong 1s sau 
kích ngắt SCRA, Tải được đấu trên LA. 
- Khi dòng mất cân bằng vượt quá mức 
cho phép (ILA> 1,15.ILB), tín hiệu điều 
khiển ở ngõ ra của vi điều khiển sẽ kích 
đóng SCRA sau 1s ngắt ContactorA. Sau 
khi ngắt ContactorA mạch điều khiển cho 
phép mạch xử lý sóng hoạt động, mạch 
xử lý sóng xác định điểm zero của LA và 
ngắt SCRA. Tiếp đó mạch xử lý sóng xác 
định điểm zero của LB và đóng SCRB sau 
khoảng thời gian 2s kích đóng ContactorB 
xong 1s sau kích ngắt SCRB. Tải được 
chuyển từ LA sang LB. 
- Việc kích ngắt SCRA trước khi đóng 
SCRB để không xảy ra sự cố ngắn mạch. 
- Việc dò điểm zero để mạch có thể chuyển 
chính xác tại thời điểm có điện áp bằng 0, 
ngắt tại điểm nào của pha A thì sẽ đóng 
tại điểm đó của pha B. Ưu điểm lớn nhất 
của việc này là hạn chế sớm trễ pha do tải 
cảm gây ra. 
- Thời gian chuyển mạch từ SCRA sang 
SCRB gần như là tức thời, vì vậy không 
gây mất điện cho tải. SCR giúp hạn chế 
hồ quang khi đóng cắt. 
- Contactor đóng vai trò chính trong mạch 
luôn có khả năng mang tải lớn sau khi 
SCR bị ngắt, giúp vận hành liên tục, dòng 
điện chạy qua SCR chỉ trong thời gian 
ngắn nên ít sinh ra nhiệt độ và triệt tiêu 
việc sinh ra sóng hài. 
Kết quả so sánh dạng sóng ngõ ra trong 
trường hợp có/ không có giải thuật dò tìm 
điểm zero trình bày ở Hình 8 và Hình 9. 
Hình 8. Dạng sóng dòng điện khi không có 
giải thuật dò tìm điểm zero 
20 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Điểm 1: Ngắt pha A Điểm 2: Đóng pha B 
Hình 9. Dạng sóng dòng điện khi có sử dụng 
giải thuật dò tìm điểm zero 
3.2 Ứng dụng thực tế mô hình 
Trường hợp mô hình lắp đặt thử nghiệm trên 
máy biến áp 1 pha, 12.7/0.4kV, 25 kVA, có 
sơ đồ kết nối như Hình 10. 
Hình 10. Sơ đồ tổng thể khi mắc bộ cân bằng 
pha thực tế 
Trên thực tế không cần lắp quá nhiều 
bộ cân bằng pha bởi vì: 
- Khi thiết kế đường dây phân phối hạ áp, 
người thiết kế đã phân chia pha gần như 
cân bằng về lý thuyết. 
- Tuy nhiên, do các hộ gia đình tiêu thụ 
dòng không quá lớn, nên chỉ cần lắp một 
bộ cân bằng pha cho nhóm hộ tiêu thụ, 
ứng với dòng định mức của bộ cân bằng 
pha bằng 1/2 giá trị chênh lệch cực đại 
giữa 2 pha. 
Giả sử trên đường dây mạch chính có 
dòng lớn nhất tại giờ cao điểm là 100A mỗi 
pha. Trong quá trình đo đạc nhận thấy sự 
chênh lệch dòng tải mạch chính tại các thời 
điểm khác nhau giữa 2 pha là 20A (lớn nhất). 
Như vậy có thể đặt một hoặc vài bộ cân bằng 
pha tại tải hoặc nhóm tải gần cuối hoặc từ 
nữa cuối đường dây phân phối có dòng tải 
xấp xỉ 10A là có thể cân bằng tải tốt được 
đường dây này và tiết kiệm chi phí đầu tư. 
4. KẾT LUẬN 
Bộ cân bằng pha tự động sau khi thiết 
kế có thể chuyển đổi tải tự động giữa các pha 
khi xảy ra hiện tượng mất cân bằng pha mà 
không gây mất điện trên tải góp phần làm 
giảm tổn thất điện năng trên lưới điện. Mạch 
thiết kế hoạt động ổn định đối với tải đèn, 
máy vi tính, động cơ 1 phavà có khả năng 
mang dòng tải lớn, triệt tiêu vấn đề phát nóng 
và sóng hài khi sử dụng thiết bị điện tử công 
suất. Kết quả thử nghiệm cho thấy bộ cân 
pha tự động chuyển tải nhanh tại các thời 
điểm định trước và có thể vận hành được tải 
cảm, trong quá trình chuyển mạch, tải mang 
tính cảm vẫn có thể hoạt động bình thường 
cho thấy hiệu quả của phương pháp đề xuất, 
làm nền tảng để ứng dụng vào việc phát triển 
hệ thống cân bằng pha tự động tại các trạm 
biến áp phân phối, hay điều khiển từ xa.
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Thông tư 39 Bộ công thương – Thông tư quy định hệ thống điện phân phối, 2015. 
[2] Karim MANSOURI, Mouna BEN HAMED, Lassaad SBITA and Mehdi DHAOUI, 
Three-Phase Balancing in a LV Distribution Smart-Grids Using Electrical Load Flow 
Variation: “L.F.B.M.”, 16th international conference on Sciences and Techniques of 
Automatic control & computer engineering - STA'2015, Monastir, Tunisia, December 
21-23, pp. 427-431, 2015. 
25 kVA 
12.7/0.4 kV 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
21 
[3] Chia-Hung Lin,Chao-Shun Chen, Hui-Jen Chuang, and Cheng-Yu Ho, Heuristic 
Rule-Based Phase Balancing of Distribution Systems by Considering Customer Load 
Patterns, IEEE Transactions On Power Systems, Vol. 20, No. 2, pp.709-716, 2005. 
[4] Mukwanga W. Siti, Dan Valentin Nicolae, Adisa A. Jimoh, and Abhisek Ukil, 
Reconfiguration and Load Balancing in the LV and MV Distribution Networks for 
Optimal Performance, IEEE Transactions On Power Delivery, Vol. 22, No. 4, pp. 
2534-2540, 2007. 
[5] M.-Y. Huang, C.-S. Chen, C.-H. Lin, M.-S. Kang, H.-J. Chuang, C.-W. Huang, 
Three-phase balancing of distribution feeders using immune algorithm; IET Gener. 
Transm. Distrib., Vol. 2, No. 3, pp. 383–392, 2008. 
[6] Nguyễn Ngọc Cẩn, Nguyễn Hoài Thương; Thiết kế bộ cân bằng pha tự động cho lưới hạ 
áp; ĐHSPKT TPHCM, 2015. 
[7] Nguyễn Văn Thọ, Thị Thanh Tuyền; Thiết kế bộ cân bằng pha tự động cho lưới hạ áp có 
dòng tải lớn; ĐHSPKT TPHCM, 2015. 
[8] Quyền Huy Ánh; Cung cấp điện, pp. 29-34, ĐHSPKT TPHCM, 2006. 
[9]  
[10]  
[11] Một số trang web tham khảo: 
-  
-  
-  
-  
-  
-  
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết 
ThS. Trần Tùng Giang 
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 
Email: giangtt@hcmute.edu.vn