Ứng dụng điện tử công suất và bộ điều khiển lập trình PLC

Ứng dụng điện tử công suất và bộ điều khiển lập trình PLC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI :

ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ BỘ ĐIỀU

KHIỂN LẬP TRÌNH PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

GVHD : Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG SVThực Hiện :NGUYỄN MẠNH LA

MSSinh viên : 97202438

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 02-2001

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN KHÍ HÓA VÀ CUNG CẤP ĐIỆN

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : NGUYỄN MẠNH LA

Lớp : 97 N ĐKC

Chuyên ngành : Điện Khí Hóa và Cung Cấp Điện

KHIỂN LẬP TRÌNH PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

Số liệu ban đầu

2) Nội dung các phần thuyết minh toán

I- Giới thiệu về linh kiện điện tử công suất

II- Ứng dụng điện tử công suất điều khiển tốc độ động cơ điện

III- Giới thiệu PLC và ứng dụng trong điều khiển động cơ điện một chiều

IV- Khảo sát nguyên lý hoạt động của một số mạch cụ thể về điều khiển động cơ

LỜI CẢM TẠ

Em xin chân thành cám ơn thầy NGUYỄN TRỌNG THẮNG đã tận tình hướng dẫn

em và đóng góp ý kiến quan trọng giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Em xin cám ơn các thầy các cô trong khoa đã hết lòng chỉ bảo để trang bị cho em những kiến thức kinh nghiệm trong quá trình học tập tại trường và cũng xinh cảm ơn các bạn sinh viên đã

giúp đỡ tôi trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp

Sinh viên thực hiện

NGUYỄN MẠNH LA

MỤC LỤC

Trang LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG I : DẪN NHẬP

I- Đặt vấn đề 1

II- Giới hạn đề tài 1

III- Mục đích nghiên cứu 2

IV- Thể thức nghiên cứu 3

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ LUẬN GIỚI THIỆU MỘT SỐ LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT A- DIODE công suất 5

B- TRANSISTOR công suất 8

C- THYRISTOR 16

D- TRIAC 22

E- OP – AMP 26

CHƯƠNG III : GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU A- CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 31

I- Khái quát chung 31

II- Chỉ tiêu chất lượng của truyền động điện 32

III- Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách điều chỉnh điện trở mạch phần ứng 35

IV- Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách điều chỉnh xung điện trở mạch động lực 36

V- Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách điều chỉnh kích từ của động cơ 37

B- CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐIỆN MỘT CHIỀU ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 39

I- Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng hệ thống chỉnh lưu bán dẫn 39

II- Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng bộ băm xung áp dùng thyristor 46

III- Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng bộ biến đổi van từ- động cơ 52

IV- Điều khiển tốc độ động cơ điện bằng mạch chỉnh lưu cần 3 pha hỗn hợp không đối xứng 54

CHƯƠNG IV : GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC VÀ ỨNG DỤNG CỦA PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN A- GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC 57

I- Cấu trúc phần cứng của CPU 57

II- Cấu trúc bộ nhớ 59

III- Cấu trúc chương trình 61

IV- Phương pháp lập trình 62

V- Cú pháp lệnh cơ bản trong S7-200 63

VI- So sánh với các hệ thống điều khiển khác 73

B- ỨNG DỤNG PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 74

I- Ứng dụng PLC khởi động động cơ điện một chiều qua 3 cấp điện trở

phụ và quay thuận, quay nghịch 74II- Ứng dụng PLC trong điều khiển động cơ bằng bộ băm xung áp một

chiều 78III- Ứng dụng PLC để điều khiển hệ thống 82CHƯƠNG V : TÌM HIỂU MỘT SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

I- Mạch điều khiển động cơ quay thuận quay nghịch 87II- Điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng cách điều khiển góc kích

SCR 88III- Mạch điều khiển tốc độ và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều.89CHƯƠNG VI : KẾT LUẬN 92TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

MỤC LỤC BẢNG

BẢNG III –1 : CÁC DẠNG KHÁC NHAU CỦA LỆNH LD VÀ LDN CHO LAD, STLBẢNG III –2 : MÔ TẢ LỆNH OUTPUT BẰNG LAD VÀ STL

BẢNG III – 3 : LỆNH GHI XÓA GIÁ TRỊ TIẾP ĐIỂM TRONG LAD, STL

BẢNG III – 4 : CÁC LỆNH LOGIC ĐẠI SỐ BOOLEAN

BẢNG III – 5 : CÚ PHÁP GỌI LỆNH STACK LOGIC TRONG STL

BẢNG III – 6 : CÁC LOẠI TIMER

BẢNG III –7 : CÚ PHÁP KHAI BÁO SỬ DỤNG TIMER

BẢNG III –8 : LỆNH KHAI BÁO SỬ DỤNG BỘ ĐẾM TRONG LAD

BẢNG III –9 : LỆNH DỊCH CHUYỂN Ô NHỚ TRONG LAD, STL

BẢNG III –10 : SO SÁNH VỚI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÁC

BẢNG IV – 1 : CÁC THÔNG SỐ CỦA DIODE CÔNG SUẤT

BẢNG IV – 2 : CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA TRANSISTOR CÔNG SUẤT

BẢNG IV – 3 : CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA THYRISTOR

BẢNG IV – 4 : THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MỘT SỐ LOẠI TRIAC

BẢNG IV – 5 : TOÁN HẠNG VÀ GIỚI HẠN CHO PHÉP CỦA CPU 214

BẢNG IV – 6 : CÁC LỆNH SO SÁNH

BẢNG IV – 7 : TẠO KHOẢNG THỜI GIAN TRỄ 300MS BẰNG BA LOẠI TIMER KHÁCNHAU

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc công nghiệp hóa, tự động hóa các xí nghiệp công nghiệp vấn đề ứngdụng các linh kiện điện tử công suất và ứng dụng bộ lập trình điều khiển PLC vào trong điềukhiển công nghiệp ngày càng được ứng dụng rộng rãi

Điều chỉnh tốc độ động cơ điện là một vấn đề rất cần thiết đối với các máy côngnghiệp như máy xúc, máy nâng vận chuyển, máy dệt… Hiện nay kỹ thuật điện tủ ngày càngphát triển nên việc điều chỉnh động cơ điện và ổn định tốc độ động cơ ngày càng dễ dàng vàchất lượng điều chỉnh của hệ thống ngày càng cao Đồ án tốt nghiệp này chủ yếu tập trungvào các vấn đề

I- Tìm hiểu và giới thiệu các linh kiện điện tử công suất

II- Một số ứng dụng điện tử công suất trong điều khiển động cơ điện một chiềuIII- Giới thiệu bộ điều khiển lập trình PLC , ứng dụng bộ điều khiển lập trình trong

điều khiển động cơIV- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của một số mạch điều khiển động cơ điện một

chiều trong thực tế

Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 02 năm 2001

Sinh viên thực hiện

NGUYỄN MẠNH LA

Chương I :

DẪN NHẬP

I- ĐẶT VẤN ĐỀ

II- GIỚI HẠN VẤN ĐỀ

III- MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

IV- THỂ THỨC NGHIÊN CỨU

V- PHÂN TÍCH CÔNG TRÌNH LIÊN HỆ

dễ dàng ghép nối với các vi mạch điện tử.

Để tiếp thu các tiến bộ của khoa học kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu đổi mới côngnghệ để đưa tự động hóa vào sản xuất Em xin giới thiệu đề tài

“Ứng dụng điện tử công suất và điều khiển lập trình PLC trong điều khiển động cơ điện mộtchiều”

II/ GIỚI HẠN VẤN ĐỀ :

Đề tài ứng dụng điện tử công suất và điều khiển lập trình PLC trong điều khiển động

cơ điện một chiều là một đề tài rộng muốn tìm hiểu sâu rộng các linh kiện bán dẫn, cácphương pháp ứng dụng đòi hỏi mất nhiều thời gian vì thời gian làm đồ án có hạn nên đề tàiđược giới hạn như sau :

1) Giới thiệu linh kiện bán dẫn (điện tử công suất)

2) Ứng dụng điện tử công suất trong điều khiển động cơ một chiều

3) Giới thiệu PLC và ứng dụng của bộ điều khiển lập trình PLC

4) Khảo sát nguyên lý hoạt động của một số mạch cụ thể

III/ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU :

Với chủ trương của Đảng đề ra để nâng cao đời sống là “công nghiệp hóa hiện đại hóa đấtnước” cùng với việc mở cửa đất nước nhiều xí nghiệp đã đưa vào dây chuyền sản xuất vớimáy móc hiện đại nhằm đáp ứng yêu cầu đổi mới công nghệ Trong đó sử dụng nhiều điện

tử công suất, muốn tiếp cận và sử dụng thành thạo các phương tiện kỹ thuật hiện đại, mỗicán bộ kỹ thuật cần có hiểu biết cơ bản về kỹ thuật điện tử nói chung, điện tử công suất

và điều khiển lập trình PLC nói riêng

Đề tài nhằm cung cấp những kiến thức cơ bản về một số linh kiện điện tử và một sốứng dụng thực tế của điện tử công suất và ứng dụng điều khiển lập trình trong điều khiểnđộng cơ điện một chiều

IV/ THỂ THỨC NGHIÊN CỨU :

Để việc nghiên cứu có hiệu quả cao, có tính khoa học

Đồ án được chia làm 3 giai đoạn trong thời gian 8 tuần như sau :

1) Giai đoạn 1 : 1 tuần

- Tìm hiểu đề tài và soạn đề cương

2) Giai đoạn 2 : 3 tuần

- Thu thập tài liệu dữ kiện

3) Giai đoạn 3 : 4 tuần

- Viết đồ án

Chương 2 :

CƠ SỞ LÝ LUẬN

GIỚI THIỆU MỘT SỐ LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT.

A- DIODE CÔNG SUẤT

B- TRANSISTOR CÔNG SUẤT

C- THYRISTOR

D- TRIAC

E- OP AMP

A/ DIOD CÔNG SUẤT:

1) Cấu tạo Diode

Diode công suất hình thành từ hai chất bán dẫn P và N ghép lại với nhau tạo lớpchuyển tiết P-N

- Các điện tự do trong bán dẫn N sẽ liên kết với các lỗ trống tự do của chất bándẫn P Do đó lớp N sẽ mang điện tích dương được nối với điện cực catot (K) còn lớp Pmang điện tích âm được nối với điện cực anot (A) lớp chuyển tiếp P – N có hàng rào điệnthế vào khoảng 0,6 0,7v khi có dòng điện định mức

Khi ta đặt một điện áp ngược lại các điện tử tự do và lỗ trống sẽ bị đẩy ra xa lớpchuyển tiếp, kết quả chỉ có dòng rò vài mA chạy qua chuyển tiếp P-N coi như không đáng kểnhư vậy Diode có tính dẫn dòng điện theo một chiều

Diode công suất được cấu tạo như hình 1-1

Hình 1-1

a- Cấu trúc bên trong của Diode

b- Ký hiệu của Diode

c- Hình dạng bên ngoài của Diode

2) Đặc tính của diode

a Khi Diode được đặt một điện áp V Ak = const

Trường hợp này UAK ngược chiều với UTX (điện áp tiếp xúc) Do đó hàng rào điện thếgiảm xuống hoặc mất đi điều đó làm dòng điện khuyếch tán (IKT) tăng lên mà dòng điệnngược (Ing) vẫn bằng dòng điện bão hòa (Is) dòng điện đi qua mối nối P- N sẽ phụ thuộc vàođiện áp UAK

Theo công thức :

IS : Dòng điện bão hòa

T: Nhiệt độ tuyệt đối T=2730K + nhiệt độ Diode 0C

UAK : điện áp ngoài đặt vào Diode trong trường hợp này I và UAK là dòng điện và điện

áp thuận Diode trong trường hợp này gọi là Diode phân cực thuận

a)

Hình 1-2 : Đặc tính của Diode

b Khi Diode được đặt một điện áp UAK<0

Trường hợp này điện áp VAK cùng chiều với điện áp Utx hàng rào điện thế tăng lên,hàng rào này đẩy các hạt mang điện đa số ra xa mặt tiếp xúc điều này tạo ra một lớp cách điệnđối với hạt mang điện đa số và cản trở hoàn toàn dòng điện khuyếch tán

q D

e I

I

Hình 1-3

Điện áp rơiĐiện áp đánh thủng

Dòng rò

VD

T= nhiệt độ tuyệt đối (0K)

K= hằng số boltz man k=1,38 , k= 1,38 10-23 J/ 0K

+ Khi phân cực ngược

ID  Is (Is : dòng điện bão hòa nghịch)

Nếu đặt điện áp ngược các điện trở tự do và các lỗ trống bị đẩy xa lớp chuyển tiếp kếtquả chỉ có dòng rò vào khoảng vài mA có thể chạy qua khi tăng tiếp tục điện áp ngược cácđiện tích gây nên va chạm dây chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng Kết quả Diodemất tính dẫn điện theo một chiều khi điện áp ngược vượt quá

3 Các thông số cơ bản của diode

- Dòng điện định mức : dòng điện cực đại cho phép đi qua diode trong một thờigian dài khi diode mở (ID)

- Điện áp ngược cực đại : Ungmax là điện áp ngược cực đại cho phép đặt vàoDiode trong một thời gian dài khi Diode khóa

- Điện áp rơi định mức u là điện áp rơi trên Diode khi Diode mở và dòng quaDiode bằng dòng thuận định mức

- Thời gian phục hồi tính khóa tk là thời gian cần thiết để Diode chuyển từ trạngthái mở sang trạng thái khóa

4 Các ứng dụng của diode công suất

4.1 Dùng cho bộ chuyển mạch cho thiết bị chỉnh lưu

Hình 1-7

d Mạch chỉnh lưu cầu

V2 V1

Transistor là từ ghép của hai từ tranfer và resistor

Transistor là linh kiện bán dẫn có cấu tạo gồm ba lớp bán dẫn PNP hoặc NPN ghépvới nhau như hình

V3

EC

a: Cấu trúc loại NPN b Ký hiệu loại NPN

2 Nguyên lý hoạt động :

Trong điện tử công suất người ta dùng phổ biến nhất loại NPN Transistor công suấtđược dùng để đóng ngắt dòng điện một chiều cường độ tương đối lớn vì vậy chúng chỉ làmviệc ở hai trạng thái đóng và trạng thái mở

Để Transistor làm việc người ta phải đưa điện áp một chiều tới các cực B củaTransistor gọi là phân cực cho Transistor

IB=IBbh

ICmaxN

IB=IBbh

ICmaxN

IB=IBbh

ICmaxN

Transistor có hai miền tiếp giáp

- Miền tiếp giáp giữa emitter và miền Bazo gọi là tiếp giáp emitor ký hiệu JE –collector và bazơ  Jc

Khi điện áp uBE>0 và uEC>0 lớp ghép JE được phân cực thuận tiếp giáp Jc được phâncực ngược Do đó các điện tử tự do dễ dàng chuyển dịch qua JE từ E sang B đến mặt tiếp giáp

Jc đến dãy điện tử gia tốc bởi điện trường ngược ECB và dễ dàng đi qua Jc đến C Dòng điện

tử này tạo nên dòng điện cực góp Ic Một số ít điện tử tự do từ E sang B tái hợp với các lỗtrong vùng B để cân bằng điện tích, lớp B phải lấy các lỗ mới từ nguồn EB bằng số điện tử táihợp

Như vậy ta gọi dòng điện tạo ra bởi các điện tử tự do đi từ E sang B là dòng điện phát

Khi dòng điện IB càng tăng thì điểm làm việc càng gần đến điểm uốn

Khi IB tăng đến giá trị nào đó thì điểm làm việc trùng với điểm uốn và Ic không tănglên nữa ta nói Ic đạt đến giá trị bão hòa Icbh

Điểm cắt M của đường cong 1) và đường c tương ứng với IC = 0 được gọi là điểmkhóa còn điểm N tương ứng với IB = IBbh được gọi là điểm mở bão hòa

Khi transistor làm việc ở điểm M

Thì IB = 0 Ic  0 Transistor khóa

Khi Transistor làm việc ở điểm N

IB = IBbh transistor bão hòa

Trong thời gian chuyển mạch Transistor ở chế độ xung ở hai trạng thái ngắt và dẫndòng điện và điện áp tức thời phải nằm trong diện tích an toàn theo thang đo logarit như hìnhvẽ:



cbh Bbh

I

I 

RC

E I

Bbh

IB=IBbh3

IB=IBbh

ICmaxN

IB=IBbh

ICmaxN

100S

10S

- Tổn hao công suất của transistor bằng tích của điện áp cực góp và cực phát vớidòng điện cực góp

Pts= VCE IC

3 Cách thức điều khiển transistor

Gọi IC là dòng collector chịu được điện áp bão hòa VCESat khi transistor dẫn dòng bãohòa IB = IBbh và khi khóa IB = 0 VCEsat = VCE

a Mạch trở giúp transistor mở

Khi transistor từ trạng thái đóng sang trạng thái mở mạch trợ giúp gồm các

phần tử tụ điện (C), điện trở (R2), Diod (D2)

Hình 2 -5

tf : là thời gian cần thiết để IC từ giá trị max giảm xuống 0

Dòng điện tải là I mà thời gian chuyển mạch của Transistor rất ngắn vậy cho nên dòngtải = const

VCE = VCESat = 0

IC = I ID = 0 Khi cho xung áp âm tác động vào cực gốc (base) của transistor dòng IC giảm xuốngđến 0 trong khoảng thời gian tf Vậy cho nên

tf

b

Sau thời gian tf tụ C được nạp bằng dòng I

Cho đến khi Vc = VCE lúc này D1 nó cho dòng chạy qua thời gian tổng cộng của quátrình chuyển sang trạng thái mở là tc (tc)

Điện dung được tính gần đúng bằng công thức

Trong thực tế người ta chọn C trong khoảng

2tf  tc  5tf

b Mạch trợ giúp đóng transistor

Khi transistor từ trạng thái mở sang trạng thái đóng mạch trợ giúp đóng cửa transistorgồm các phần tử cuộn cảm (L), diode (D3), điện trở (R3) có chức năng hạn chế sự tăng vọt củadòng IC trong khoảng thời gian đóng (Ton) của transistor

Ton : là thời gian cần thiết để VCE từ điện áp nguồn VCC giảm xuống

VCE 0

Sơ đồ như hình 2 – 6

+ - G

VCC

-+ VCC

T

D2 C

D4 D5

D6

D3 L

D1

R2 R4

R3 R1

Hình 2 -6

Thời gian tổng cộng cho quá trình đóng là tr

Điện cảm (L) được tính theo biểu thức

Để chọn L ta chọn thời gian đóng tr trong khoảng

2ton < tr < 5ton

Điện trở R3 có tác dụng hạn chế dòng do sức điện động tự cảm trong cuộn cảm (L) tạo

ra trong mạch L1; D3; R3 trong khoảng thời gian tc chuyển sang trạng thái mở của transistor.Như vậy tc phải thỏa mãn điều kiện

C

CE

t

u C dt

dv C I

u

t I

I L t

i L u dt

Điện trở R2 có tác dụng hạn chế dòng điện phóng của tụ điện C trong mạch trongkhoảng thời gian đóng tr

Ta có :

D5 : tạo mạch đối với xung áp dương đặt vào cực gốc base

D6 : hạn chế dòng điều khiển cho cực gốc (base)

NPN RC

Hình 2-7

- Trong thực tế transistor công suất thường được làm việc ở chế độ khóa

- Khi dòng ở cực gốc bằng không dòng điện cực góp bằng không transistor lúcnày hở mạch hoàn toàn

- Khi dòng điện ở cực gốc có giá trị bão hòa thì transistor trở về trạng thái dẫnhoàn toàn hai trạng thái ngắt và dẫn của transistor được minh họa qua hình 2- 8

NPN

a b

Hình 2 - 8

5 Các thông số kỹ thuật cơ bản của transistor

a- Độ khuyếch đại dòng điện  transistor có  có trị số thay đổi theo dòng I c

Hình 2-9 cho thấy khi dòng Ic nhỏ thì  thấp dòng Ic tăng thì  tăng đến giá trị cực đạinếu tiếp tục tăng Ic đến mức bão hòa thì  bị giảm

ICmax : là dòng điện tối đa ở cực collector ()

IBmax : là dòng điện đối đa ở cực base (gốc)

d- Công suất giới hạn

Khi có dòng điện qua transistor sẽ sinh ra một công suất nhiệt làm nóng transistor Công suất sinh ra được tính theo công thức

Để nghiên cứu sự làm việc của thyristor ta xét trường hợp

a- Thyristor phân cực ngược

Hình 3 -2

Trong trường hợp này cực dương của nguồn E nối với catốt, cực âm của nguồn E nốivới anot thyristor phân cực ngược Do đó nối tiếp giáp J2 chịu toàn bộ điện áp nguồn E đặtvào J2 điện trường ngược Ec Điện trường ngược này ngăn cản sự chuyển dịch J2 của các hạtmang điện đa số (lỗ trống) nên dòng điện đi qua anốt rất bé chỉ vài mA

Mặc dù điện trường ngược EC này gia tốc cho các hạt mang điện thiểu số (điện tử) điqua J2 Do đó nguồn E tăng đến trị số ucđ nào đó khoảng từ 100-3000v, tùy loại thyristor Khinào nguồn E tăng quá trị số ucđ trên đường đặc tính của thyristor thì các nguyên tử trong lớpghép J2 bị phá vỡ lớp ghép J1 và J3 cũng bị phá vỡ lúc này dòng điện ngược tăng lên một cáchnhảy vọt điều đó làm hỏng thyristor ta có dạng đặc tính vôn ampe của thyristor Asene

độ điện tử tự do rất lớn ở lớp catot N3 cho nên số lượng lớn điện tử chuyển dịch từ N2 sang P2

Khi UGK và IG càng lớn thì số điện tự do đi qua J2 càng nhiều hàng rào điện thế trên J2

càng giảm và điện áp E cần thiết để gây ra hiện tượng dẫn điện ào ạt ở mặt ghép J2 càng bé

E

A

B

CD

Dòng áp ngược

Khi Ia lớn hơn trị số IL nào đó (tương ứng với số điện tử tự do đủ để hiện tượng dẫnđiện ào ạt lan rộng ra khắp mặt J2) Thì nếu tắt dòng điện điều khiển IG hoặc điện áp uGK

thyristor vẫn tiếp tục mở trị số IL được gọi là dòng điện anot khởi động

Thông thường IL = 10-3Iđm

Trong đó Iđm : là dòng điện định mức của thyristor

Thyristor chỉ khóa lại khi Ia nhỏ hơn trị số IH

IH : là dòng điện duy trị hoặc UGK < 0

Vì khi Ia giảm xuống thì số điện tử tự do qua mặt ghép J2 giảm điều đó làm phần dẫnđiện của mặt ghép J2 bị co lại phần không còn dẫn điện sẽ phục hồi tính khóa khi Ia< IH toàn

bộ mặt ghép J2 được phục hồi tính khóa và thyristor khóa lại

Trong thực tế IH rất bé do đó có thể xem thyristor bị khóa lại khi I =0

Từ những lý luận trên đây ta có đặc tính Volt-Ampe Ia = f E, IG  0

Hình 3 - 5 mở thyristor bằng điện áp thuận

- Mở bằng dòng điện điều khiển IG

Dòng điện duy trì

IH

E=u

ia

Hình 3 - 6

Hình 3 - 6 Mở thyristor bằng dòng điện

điều khiển

3 Công suất chuyển mạch của thyristor

- Công suất chuyển mạch (Pc)và năng lượng

chuyển mạch (Wc) là công suất và năng lượng tiêu

tan trong thyristor trong quá trình chuyển từ trạng

thái khóa sang trạng thái mở Khi xem gần đúng E và

Ia biến thiên một cách đường thẳng theo thời gian

(xem hình 3-7) với độ dốc a=1/tr

Tr : thời gian tăng dòng cực anốt và chọn t1

làm thời điểm gốc thì trong khoảng thời gian t1  t2

Ta có :

E = u0(1-at)

Ia_= Ia max a.tCông suất chuyển mạch tức thời là

Pc = E.Ia = u0Iamax(at – a2t2)Công suất này sẽ đạt tại số cực đại khi

Và t = 1/ 2a năng lượng chuyển mạch

Khi thay trong biến thức này a=1/tr ta được :

Nếu thyristor có tần số đóng mở là f thì trong môt giây thyristor có f lần chuyển mạch

tiêu phí một năng lượng chuyển mạch

a

tr

a c

c

t a at I

u dt t a at I

u dt P W

0

3 2 2 0

2 2 0

0

32max)

(max

6

max 0

tr I u

w C  a

) / ( 6

1

max

u f W

Hình 3 - 8

M: là động cơ chạy điện một chiều

Dòng điện qua động cơ chỉ là dòng điện ở bán kỳ dương và được thay đổi trị số bằngcách thay đổi góc kích của dòng điện IG khi SCR chưa dẫn thì không có dòng điện qua động

cơ diode dẫn dẫn điện nạp vào tụ qua điện điện trở R1 vàbiến trở VR điện thế cấp cho cực Glấy trên tụ C và qua cầu phân thế R2, R3

Giả sử điện thế đủ để kích cho cực G là VG = 1v và dòng điện kích IGm=1mA thì điệnthế trên tụ phải 10v tụ nạp điện

Qua R và VR với hằng số thời gian là

 = C(R1 + VR)

Khi thay đổi trị số VR sẽ làm thay đổi thời gian nạp cho tụ tức là thay đổi thời điểm códòng xung kích IG sẽ làm thay đổi thời điểm dẫn điện của SCR tức là thay đổi dòng điện quađộng cơ và làm cho tốc độ động cơ bị thay đổi

Khi nguồn AC có bán kỳ âm thì diode D và thyristor đều bị phân cực ngược diodengưng dẫn, thyristor cũng ngưng dẫn

b- Mạch chỉnh lưu cầu một pha

M ,

th2 th2

, th1 th1

5 Các thông số chủ yếu của thyristor

a- Trị số hiện dụng định mức của dòng điện anot Iahd đó là trị số hiện dụng củadòng điện cực đại cho phép đi qua thyristor trong một thời gian dài khi thyristor mở khikhi thyristor dẫn điện thì VAK = 0,7v nên dùng điện thuận qua SCR có thể tính theo côngthức

RL : tải thuần trở

VCC : điện áp qua thyristor

b- Dòng điện điều khiển kích mở IGT là dòng điện điều khiển IG gây mở thyristorc- Điện áp ngược cực đại ungmax là điện áp giữa 2 cực A và K cho phép đặt củathyristor

d- Điện áp rơi định mức ua là điện áp giữa cực A và K khi thyristor mở và dòng

R

v V

I   0,7

N

N

NNpp

T2

c)b)

a)

Khi khảo sát đặc tính của triac người ta khảo sát như hai thyristor

a- Khi cực T2 có điện thế dương và cực G được kích xung dương thì triac dẫnđiện theo chiều từ T2 qua T1 như hình 4-2

M G T2

T1

+ VDC

TAI R

Hình 4 - 2

b- Khi cực T2 có điện thế âm cực G được kích xung âm thì triac dẫn điện theochiều từ T1  T2 như hình 4 – 3

M G T2

T1

+ VDC

+ -

Hình 4- 4

3 Đặc tính volt – ampe của triac

Triac có đặc tính volt-ampe gồm hai phần đối xứng nhau qua điểm O hai phần nàygiống như đặc tuyến của hai SCR mặc ngược chiều nhau

Hình 4 - 5

Triac có thể mở theo 4 kiểu

- Mở bằng xung điều khiển uGTr >0 khi

- Mở bằng xung điều khiển uGTr < 0 khi

- Mở bằng xung điều khiển

- Mở bằng xung điều khiển

Như vậy triac có thể mở theo 2 chiều

- Chiều thuận từ T2 đến T1 Khi và tác dụng vào cực G một xung điện ápdương ( )

- Chiều thuận từ T1 – T2 Khi và tác dụng vào cực G một xung điện áp

Hình 4 - 7

Giả thuyết tại thời điểm ban đầu (t=0) tụ điện C đã phóng hết điện, và điện áp trên

nó uc = 0thì khi ua tăng theo chiều dương (ua> 0) tụ điện C được nạp đện theo chiều dươngqua điện trở R và uc tăng theo chiều từ a đến b điện áp uc tăng theo hàm số mũ và có tốc độtăng phụ thuộc vào R điện trở R càng nhỏ thì dòng điện nạp càng lớn và tốc độ tăng của uc

càng nhanh đường cong 2 hình 4-7 biểu diễn sự biến thiên của uc theo t tương ứng với giá trịnhất định của R tại góc pha 0 Uc bằng đện áp chuyển đổi Ucđ của diac D Diac D mở tụ điện

C phóng điện qua Rp Diac D và phần giữa G và T1 của triac theo chiều từ a qua G đến T1 điều

đó tạo ra một xung dòng điện dương IG (đường cong 3 hình 4-7) và mở Triac Triac tiếp tục

mở cho đến hết nửa chu kỳ dương của điện áp ua tại góc pha t =  điện áp ua giảm đến 0dòng điện qua triac Ia cũng giảm đến 0 vì tải thuần trở và ua, Ia cùng pha Do đó triac khóa lạisang nửa chu kỳ âm của ua Tụ điện C được nạp điện theo chiều âm và uc tăng theo chiều từ bđến a

Tại góc pha 1 = 0 + , điện áp Uc = ucđ diac D mở tụ điện C phóng điện qua điện trở

Rp chiều dòng điện đi từ G Diac D, Rp về a điều đó tạo ra một xung dòng điện âm IG (đườngcong 4 hình 3 -2) và mở triac theo chiều từ T1 đến T2 triac tiếp tục mở cho đến hết chu kỳ âm,trong suốt thời gian mở của triac điện áp trên điện trở RT bằng điện áp ua (vì khi triac mở điện

áp rơi trên nó rất nhỏ) Do đó điện áp uR trên Rt biến thiên theo t (như đường 5 hình 4-7) từ

đó ta rút ra giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải Rt

2

2

1

t d u

u R R

Trong đó góc mở chậm 0 phụ thuộc vào điện trở R của mạch điều khiển do đó bằngcách thay đổi R ta có thể thay đổi 0 và thay đổi trị số uR của điện áp trên tải Rt

5 Ứng dụng của Triac

Triac để ứng dụng một số mạch, điều chỉnh ánh sáng đèn điện, nhiệt độ lò, điều chỉnhchiều quay và tốc độ động cơ một chiều

6 Các thông số của triac

a- Điện áp điện mức u ađm

Đó là điện áp cực đại cho phép đặt vào triac theo chiều thuận hoặc chiều ngược trongmột thời gian dài

b- Dòng điện hiện dụng định mức I ađm

Đó là trị số hiệu dụng cực đại cho phép của dòng điện đi qua Triac trong một thời giandài

c- Dòng điện điều khiển triac

Đó là dòng điện điều khiển IG đảm bảo mở triac

d- Dòng điện duy trì I H

Đó là trị số tối thiểu của dòng điện anốt đi qua Triac để duy trì Triac ở trạng thái mở

e- Điện áp rơi định mức trên Triac u a

Đó là điện áp rơi trên triac khi Triac dẫn và dòng điện qua triac bằng dòng điện địnhmức

E- OP – AMP

Op –amp là chữ viết tắt (operational amplifier) là bộ khuyếch đại một chiều DC có hệ

số khuyếch đại rất cao thường được chế mtạo dưới dạng tích hợp IC (Imtergrated, circuit)

1 Cấu tạo và ký hiệu của op – amp như hình 5 -1

2 2

2 2

2sinsin

2 u td t u t t

d

u R am am

0

0 sin24

122

- VEE

+ Vo + VCC

- Vi

Q2

Q3 Q4

R8

R10 R9

Q1 Q2 tạo thành mạch khuyếch đại vi sai ở ngõ vào tín hiệu ra từ cực C của Q1 và Q2

đưa đến cực B của Q3 và Q4 cặp này tạo thành mạch khuyếch đại vi sai thứ hai tín hiệu ra lấytrên cực C của Q4 đưa vào cực B của Q5 Q5 và Q6 tạo thành mạch ghép Darlington để dịchmức DC (direction current) tăng hệ số khuyếch đại dòng với kiểu mắc C chung để có trởkháng ra thấp tín hiệu lấy ra trên R4 điện trở phân cực E của Q6, Q7 lànguồn dòng cho cặp visai Q1 và Q2 R7, R6, D1 và R5 tạo thành mạch phân cực và ổn định nhiệt cho Q8 gồm R10, R9,

Hình 5 –3 : đặc tính truyền đạt điện áp vòng hở

Có 3 vùng làm việc

+ Vùng khuyếch đại

+ Vùng bão hòa dương V0 = +Vcc Vi > Vs

+ Vùng bão hòa âm V0 = -Vcc Vi < -Vs

Hình 5-4 Đặc tính OP – amp khi có hồi tiếp vòng kín

Av0 : Hệ số khuyếch đại vòng hở

Av1 : Hệ số khuyếch đại có hồi tiếp

2- Các mạch ứng dụng cơ bản của op – amp

a- Khuyếch đại đảo

Tín hiệu ra đảo pha với tín hiệu vào hình 5-5

Vo +

-+ R1

+Vcc-Vsf

+Vsf

Ta có hệ số khuyếch đại

2 0

R

R V

V A

i

1

R I

V

Z i

b- Khuyếch đại không đảo hình 5 - 6

Vo +

0

1 R R

V R

2 1 1

R

R R

R R V

V

A V     

V

A R R

R 12 1

i

Av

Av R I

0110





i v

V V A

Vi Vo

+

Hình 5 - 8

Hệ số khuyếch đại với mạch điện áp 100% V0 = Vi do đó:

Lấy trở vào Zi = Ri(1+Av0)

3- Các thông số kỹ thuật của opamp

a- Độ lợi điện áp vòng hở A 0 : là số đo độ lợi điện áp giữa đầu vào và đầu ra của bộkhuyếch đại thuật toán (opamp) và có thể biểu diễn bằng đơn vị (dB)

Chương 3

GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG ĐIỀU CHỈNH

A- CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT

CHIỀU

I/ KHÁI QUÁT CHUNGTrong các nhà máy xí nghiệp các máy sản xuất công nghiệp đòi hỏi phải có nhiều cấptốc độ tùy theo công tác sản xuất mà để điều chỉnh tốc độ cho phù hợp với quy trình côngnghệ

Để có nhiều cấp tốc độ khác nhau ta có thể thay đổi cơ cấu truyền động bằng cơ khícủa máy như tỷ số truyền hoặc thay đổi tốc độ động cơ truyền động

Điều chỉnh tốc độ truyền động điện là thay đổi tốc độ động cơ để phù hợp với yêu cầusản xuất muốn điều chỉnh được tốc độ động cơ ta phải dựa vào nhiều yếu tố nguồn điện, tải,trong mỗi một yếu tố này thay đổi thì tốc độ động cơ đều thay đổi ứng với mỗi yếu tố ta cómột phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ tương ứng

Trong chương này chỉ nghiên cứu các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điệnmột chiều về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh

ưu việt hơn so với loại động cơ khác, không những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng màcấu trúc mạch động lực mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnhcao trong dải điều chỉnh tốc độ

Trong thực tế điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều hiện nay có hai phương pháp

cơ bản để điều chỉnh tốc độ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Cấu trúc phần động lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiềubao giờ cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặcmạch kích từ động cơ trong các nhà máy sản xuất hiện nay có 4 bộ biến đổi

- Bộ biến đổi máy điện gồm : động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuyếch đại (KĐM)

- Bộ biến đổi điện từ : khuyếch đại từ (KĐT)

- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn : chỉnh lưu thysistor

- Bộ biến đổi xung áp một chiều: thysistor hoặc transistor

II/ CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG CỦA TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN:

Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều một hệ truyền động điện điều chỉnh có thể

là tự động nếu có dùng các khâu hồi tiếp để lập vòng kín hoặc là bán tự động khi chỉ điềukhiển vòng hở bằng tay, chất lượng của nó được đánh giá như sau

1 Sai số tốc độ

Sai số tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ mong muốn nó làgiá trị tương đối của độ sụt tốc ứng với tải định mức so với tốc độ đặt khi không tải lý tưởngđược xác định theo công thức:

Trong đó :  : tốc độ tương ứng với tải định mức (rad/s)

0d : Tốc độ không tải lý tưởng ứng với giá trị mong muốn

Nếu tốc độ không tải lý tưởng của hệ k xác định thì sai số tĩnh được tính

1 : tốc độ khi tải nhỏ nhất M min

2 : tốc độ khi tải M = Mmin + Mđm

Nếu như đặc tính cơ là đường thẳng thì từ quan hệ :

Các máy sản xuất hiện đại đều có yêu cầu giải điều chỉnh rộng

Ví dụ : Máy cán thép có D = 5  25 máy cắt kim loại có D=200 - 2000

Như vậy hệ truyền động điện có D càng lớn càng tốt, giá trị của D phụ thuộc vào max

và min tốc độ lớn nhất max thường bị giới hạn bởi độ bền cơ học của phần quay của máy điệnmột chiều, khi tốc độ cao các bộ phận này chịu lực tác động khá lớn nên dễ bị hư hỏng động

cơ điện một chiều tốc độ lớn còn bị giới hạn bởi điều kiện đổi chiều trên cổ góp khi tốc độ lớntia lửa phát sinh trên cổ góp vượt mức cho phép vì vậy máy điện chỉ cho phép max  (2  3)

d

0 0

%100

%

1

2 1

a) b)

Hình 6 -3

a: Điều chỉnh bằng cách giảm độ cứng

b: Điều chỉnh bằng cách giảm 0 (02 < 01)

Để có tốc độ thấp ta phải gảm độ cứng  của đặc tính cơ hoặc giảm tốc không tải lý tưởng 0,

cả hai cách đều làm giảm môment ngắn mạch (Mnm) và tăng sai số tốc độ S, đồ thị hình 6-3minh hoạ điều đó

Hình 6-3a

0 = const, 2 < 1

 Mnm2 = 0 2 < Mnm1 =0 1

1 0

1 2 0 2