TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN KHÍ HÓA VÀ CUNG CẤP ĐIỆN
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành : Điện Khí Hóa và Cung Cấp Điện
1) Tên đề tài : ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ BỘ ĐIỀU 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 điện một chiều
3) Các bản vẽ
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
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 74
II- Ứng dụng PLC trong điều khiển động cơ bằng bộ băm xung áp một chiều 78
III- Ứng dụng PLC để điều khiển hệ thống 82
CHƯƠNG V : TÌM HIỂU MỘT SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
I- Mạch điều khiển động cơ quay thuận quay nghịch 87
II- Điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng cách điều khiển góc kích SCR 88
III- Mạch điều khiển tốc độ và ổn định tốc độ động cơ điện một chiều 89
CHƯƠNG VI : KẾT LUẬN 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
MỤC LỤC BẢNG
BẢNG III –1 : CÁC DẠNG KHÁC NHAU CỦA LỆNH LD VÀ LDN CHO LAD, STL
BẢNG 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 KHÁC NHAU
LỜI NÓI ĐẦU
Trong công cuộc công nghiệp hóa, tự động hóa các xí nghiệp công nghiệp vấn đề ứng dụng các linh kiện điện tử công suất và ứng dụng bộ lập trình điều khiển PLC vào trong điều khiển 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 công nghiệp như máy xúc, máy nâng vận chuyển, máy dệt… Hiện nay kỹ thuật điện tủ ngày càng phát triển nên việc điều chỉnh động cơ điện và ổn định tốc độ động cơ ngày càng dễ dàng và chất lượng điều chỉnh của hệ thống ngày càng cao. Đồ án tốt nghiệp này chủ yếu tập trung vào 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 chiều
III- Giới thiệu bộ điều khiển lập trình PLC , ứng dụng bộ điều khiển lập trình trong điều khiển động cơ
IV- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của một số mạch điều khiển động cơ điện một chiều trong thực tế
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
I/ ĐẶT VẤN ĐỀ :
Trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa nền kinh tế của đất nước chúng ta cần sử dụng nhiều thiết bị bán dẫn công suất được đưa vào trong các mạch điều khiển để tạo nên sự thay đổi sâu sắc và vượt bậc trong lĩnh vực sản xuất và trong việc phục vụ đời sống sinh hoạt hàng ngày.
Theo đó là sự bùng nổ của khoa học kỹ thuật điều này kéo theo sự phát triển và hoàn thiện của các triac, diod, thyristor, các bộ biến đổi đổi điện ngày càng gọn nhẹ, độ tác động cao, 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 công nghệ 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 một chiều”.
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, các phương pháp ứng dụng đòi hỏi mất nhiều thời gian vì thời gian làm đồ án có hạn nên đề tài được 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 đất nước” cùng với việc mở cửa đất nước nhiều xí nghiệp đã đưa vào dây chuyền sản xuất với máy 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, mỗi cán 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 số ứng dụng thực tế của điện tử công suất và ứng dụng điều khiển lập trình trong điều khiển động 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 lớp chuyển tiết P-N
- Các điện tự do trong bán dẫn N sẽ liên kết với các lỗ trống tự do của chất bán dẫn P. Do đó lớp N sẽ mang điện tích dương được nối với điện cực catot (K) còn lớp P mang điện tích âm được nối với điện cực anot (A) lớp chuyển tiếp P – N có hàng rào điện thế 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 lớp chuyển tiếp, kết quả chỉ có dòng rò vài mA chạy qua chuyển tiếp P-N coi như không đáng kể như 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 VAk = const
Trường hợp này UAK ngược chiều với UTX (điện áp tiếp xúc). Do đó hàng rào điện thế giảm xuống hoặc mất đi điều đó làm dòng điện khuyếch tán (IKT) tăng lên mà dòng điện ngược (Ing) vẫn bằng dòng điện bão hòa (Is). dòng điện đi qua mối nối P- N sẽ phụ thuộc vào điện 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
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 điện đối với hạt mang điện đa số và cản trở hoàn toàn dòng điện khuyếch tán
Ta có đặc tính như hình 1-3
Từ hai đặc tính trên ta tổng hợp lại ta có đặc tính Volt – Ampe của Diode như hình 2-3
Hình 1-4
Theo hình 1-4. Nếu đặt vào P (anot) một điện áp dương so với (N) catốt sẽ có dòng điện chạy qua và tạo nên điện áp khoảng 0,6v khi dòng điện định mức
+ Khi phân cực thuận thì dòng điện qua Diode theo công thức
ta có : q = 1.6 10-19
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 kết quả chỉ có dòng rò vào khoảng vài mA có thể chạy qua khi tăng tiếp tục điện áp ngược các điện tích gây nên va chạm dây chuyền làm hàng rào điện thế bị chọc thủng. Kết quả Diode mất 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 thời gian dài khi diode mở (ID)
- Điện áp ngược cực đại : Ungmax là điện áp ngược cực đại cho phép đặt vào Diode 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 qua Diode bằng dòng thuận định mức
- Thời gian phục hồi tính khóa tk là thời gian cần thiết để Diode chuyển từ trạng thái 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 1-5
a. Chỉnh lưu hai nữa chu kỳ cho 1 pha
V1 = Vm Sint
b. Mạch chỉnh lưu 3 pha
V1 = Vm Sint
V2 = Vm (Sint - 2/3)
V3 = Vm (Sint - 4/3)
Hình 1 –6
c. Mạch nhân đôi điện áp
Hình 1-7
d. Mạch chỉnh lưu cầu
Hình 1-8
4.2: Dùng bảo vệ transistor
Hình 1 - 9
B. TRAN SISTOR CÔNG SUẤT :
1. Cấu tạo :
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 ghép với nhau như hình
a: Cấu trúc loại PNP b. Ký hiệu loại PNP
a: Cấu trúc loại NPN b. Ký hiệu loại NPN
Hình 2-2
Lớp giữa được gọi là cực gốc (base) ký hiệu là B một lớp bên gọi là cực phát (emitter) ký hiệu là E
Còn lớp khác gọi là lớp góp (collector) ký hiệu là C lớp phát (E) có cường độ tạp chất lớn nhất, lớp gốc (B) có nồng độ tạp chất bé nhất. Để phân biệt với các loại transistor PNP và NPN còn được gọi là Transistor lưỡng nối viết BJT (Bipolar Juntion Transistor).
2. Nguyên lý hoạt động :
Trong điện tử công suất người ta dùng phổ biến nhất loại NPN. Transistor công suất được dùng để đóng ngắt dòng điện một chiều cường độ tương đối lớn vì vậy chúng chỉ làm việc 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 của Transistor gọi là phân cực cho Transistor
Ta xét sơ đồ mạch như hình 2-3
Hình 2 - 3
Trong sơ đồ trên ta có thể xem dòng điện gốc IB là dòng điều khiển, dòng điện cực góp Ic là dòng động lực
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 phân cực 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 lỗ trong vùng B để cân bằng điện tích, lớp B phải lấy các lỗ mới từ nguồn EB bằng số điện tử tái hợp.
Như vậy ta gọi dòng điện tạo ra bởi các điện tử tự do đi từ E sang B là dòng điện phát IE thì ta có:
IE = IC + IB
Trong đó IB
Từ hình 2 –3 b ta thấy đặc tính Volt – Ampe của transistor qua 3 đường cong 1); 2); 3). Đường biểu diễn quan hệ UCE và IC là đường thẳng c trên đồ thị (hình 2-3b).
Các điểm cắt của c với các đường cong (1) ; (2) ; (3) chính là điểm làm việc của Transistor.
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 tăng lên 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 điểm khóa 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 dẫn dòng điện và điện áp tức thời phải nằm trong diện tích an toàn theo thang đo logarit như hình vẽ:
Hình 2 - 4
Vì thời gian chuyển mạch của Transistor từ 1 2 S thời gian chuyển mạch của Transistor nhanh hơn thời gian chuyển mạch của Thyristor. Vấn đề điều khiển transistor nặng nề hơn thyristor. Khả năng quá tải của Transistor kém hơn Thyristor : ưu điểm nổi bật của transistor là chỉ cần điều khiển dòng IB là có thể điều khiển cho transistor có thể ngắt dẫn dễ dàng
- Tổn hao công suất của transistor bằng tích của điện áp cực góp và cực phát với dòng 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 bão hòa 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 dòng tải = const
VCE = VCESat = 0
IC = I ID = 0
Khi cho xung áp âm tác động vào cực gốc (base) của transistor dòng IC giảm xuống đến 0 trong khoảng thời gian tf. Vậy cho nên
I = IC + ID = const
Khi giảm Ic thì ID tăng lên ngang D1 sẽ làm ngắn mạch tải năng lượng tiêu tán bên trong Transistor sẽ là.
Chính vì vậy ta phải mắc thêm mạch trợ giúp mở cho Transistor
I= IC ID = const
Khi IC bắt đầu giảm xuống thì I1 cũng bắt đầu tăng (IC và I1 phi tuyến tính với nhau lúc này tụ điện C được nạp điện)
Khi t = tf ; Ic = 0
Vc (tf)= V0 = VCE << VCC
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 quá trình 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 transistor gồm các phần tử cuộn cảm (L), diode (D3), điện trở (R3) có chức năng hạn chế sự tăng vọt của dòng 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
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
Điện trở R2 có tác dụng hạn chế dòng điện phóng của tụ điện C trong mạch trong khoảng 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)
D4 : là chống bão hòa
4. Ứng dụng của transistor công suất
- Mạch khuyếch đại
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 lúc này hở mạch hoàn toàn
- Khi dòng điện ở cực gốc có giá trị bão hòa thì transistor trở về trạng thái dẫn hoàn toàn hai trạng thái ngắt và dẫn của transistor được minh họa qua hình 2- 8
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 Ic
Hình 2-9 cho thấy khi dòng Ic nhỏ thì thấp dòng Ic tăng thì tăng đến giá trị cực đại nếu tiếp tục tăng Ic đến mức bão hòa thì bị giảm
Hình 2 -9
b- Điện thế giới hạn
Điện thế đáng thủng BV (breakdown Voltage) là điện thế ngược tối đa vào giữa các cặp cực
c- Dòng điện giới hạn
Dòng điện qua transistor phải được giới hạn ở mức cho phép nếu quá trị số thị transistor bị hư
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
Pt = Ic – VCE
e- Tần số cắt
Tần số thiết đoạn (f cut-off) là tần số mà transistor hết khả năng khuyếch đại lúc đó điện thế ngõ ra bằng với điện thế ngõ vào
C- THYRISTOR
1. Cấu tạo
Thyristor còn được gọi là SCR (Silicon controlled Rectifier) bộ nắn điện được điều khiển bằng chất silicium
Thyristor là linh kiện bán dẫn gồm 4 lớp P – N – P – N ghép nối tiếp tạo nên ba cực anode ký hiệu A dương cực. Catode ký hiệu K âm cực và cực gate ký hiệu G là cực khiển hay cửa J1, J2, J3 là các mặt ghép
Hình 3 - 1
a- Sơ đồ cấu trúc bên trong
b- Ký hiệu
c- Các loại thyristor
2. Nguyên lý làm việc
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 nối với anot thyristor phân cực ngược. Do đó nối tiếp giáp J2 chịu toàn bộ điện áp nguồn E đặt vào J2 điện trường ngược Ec. Điện trường ngược này ngăn cản sự chuyển dịch J2 của các hạt mang 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) đi qua J2. Do đó nguồn E tăng đến trị số ucđ nào đó khoảng từ 100-3000v, tùy loại thyristor. Khi nào nguồn E tăng quá trị số ucđ trên đường đặc tính của thyristor thì các nguyên tử trong lớp ghép J2 bị phá vỡ lớp ghép J1 và J3 cũng bị phá vỡ lúc này dòng điện ngược tăng lên một cách nhảy vọt điều đó làm hỏng thyristor ta có dạng đặc tính vôn ampe của thyristor Asene
I = f(E)
b- Thyristor phân cực thuận
Hình 3 - 3
Trong trường hợp này dưới tác dụng Ec mặt ghép J1, J3 được phân cực thuận điện trường Ec này ngăn cản sự chuyển dời của lỗ trống khi chưa có điện áp uGK thì nồng độ các điện tử tự do trong lớp P2 rất bé. Khio có UGK > 0 thì vì UGK là điện áp thuận đối với J3 vì nồng 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.
Khi Ia lớn hơn trị số IL nào đó (tương ứng với số điện tử tự do đủ để hiện tượng dẫn điện 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 dẫn điện 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 - 4
Hình 2- 2. Đặc tính volt ampe của thyristor ở trạng tháng mở từ hai trạng thái phân cực thuận phân cực ngược của thyristor ta có
- Mở bằng điện áp thuận
Hình 3 - 5
Hình 3 - 5 mở thyristor bằng điện áp thuận
- Mở bằng dòng điện điều khiển IG
- Khi 0< E Ucd
Tại số Ia có UGK cần thiết để mở thyristor phụ thuộc vào E, nhiệt độ thyristor và loại thyristor
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.t
Công 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
4. Ứng dụng của thyristor
a- Ứng dụng thyristor trong điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều
Sơ đồ mạch như hình 3-8
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 bằng cách 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 G lấy 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 điện thế 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 có dòng xung kích IG sẽ làm thay đổi thời điểm dẫn điện của SCR tức là thay đổi dòng điện qua động 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 diode ngưng dẫn, thyristor cũng ngưng dẫn
b- Mạch chỉnh lưu cầu một pha
Hình 3 - 9
c- Mạch báo động
Sơ đồ mạch điện hình 3 -10
Hình 3 -10
SCR dùng với nguồn 1 chiều thì có thể ứng dụng trong mạch báo động khi quá nhiệt, quá áp suất, thì nút nhấn M bị nhấn, SCR sẽ được kích dẫn điện và duy trì trạng thái dẫn để cấp điện cho đèn cháy và còi báo.
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 của dòng điện cực đại cho phép đi qua thyristor trong một thời gian dài khi thyristor mở khi khi thyristor dẫn điện thì VAK = 0,7v nên dùng điện thuận qua SCR có thể tính theo công thức
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 thyristor
c- Điện áp ngược cực đại ungmax là điện áp giữa 2 cực A và K cho phép đặt của thyristor
d- Điện áp rơi định mức ua là điện áp giữa cực A và K khi thyristor mở và dòng điện bằng dòng điện định mức
e- Thời gian phục hồi tính khóa là thời gian tối thiểu cần thiết để thyristor phục hồi tính khóa
f- Triac (triode alternative current)
1. Cấu tạo
Triac là linh kiện bán dẫn tương tự như hai thyristor nối song song ngược gồm 2 cực và chỉ có một cực điều khiển
Sơ đồ hình 4 –1
Hình 4 -1
a) Cấu trúc bên trong
b) Hình vẽ cấu tạo
c) Ký hiệu
2. Nguyên lý làm việc
Theo cấu tạo của một triac được xem như hai thyristor ghép song song và ngược chiều nên
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 dẫn điện theo chiều từ T2 qua T1 như hình 4-2
Hình 4 - 2
b- Khi cực T2 có điện thế âm cực G được kích xung âm thì triac dẫn điện theo chiều từ T1 T2 như hình 4 – 3
Hình 4 - 3
c- Khi triac được dùng trong mạch xoay chiều công nghiệp thì nguồn có bán kỳ dương cực G cần được kích xung dương khi nguồn có bán kỳ âm cực G cần được kích xung âm triac cho dòng điện qua được cả 2 chiều và khi đã dẫn điện thì điện thế trên hai cực T1, T2 rất nhỏ nên được coi như công tắc bán dẫn dòng trong mạch điện xoay chiều như hình vẽ
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 này giống 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 áp dương ( )
- Chiều thuận từ T1 – T2 . Khi và tác dụng vào cực G một xung điện áp âm ( )
4. Mạch điều khiển
Để điều khiển triac ta có sơ đồ như hình 4-6
Hình 4 - 6
Mạch điều khiển gồm 1 biến trở (R) tụ điện C, Điac D và 1 điện trở phụ Rp để giới hạn dòng điện điều khiển IG, điện áp cấp cho mạch là điện áp xoay chiều hình sin
Ua = uamsint
Đồ thị biến thiên của ua theo t như đường cong hình 4 -7
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 = 0 thì khi ua tăng theo chiều dương (ua> 0) tụ điện C được nạp đện theo chiều dương qua điện trở R và uc tăng theo chiều từ a đến b điện áp uc tăng theo hàm số mũ và có tốc độ tăng 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 trị nhất 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 0 dòng điện qua triac Ia cũng giảm đến 0 vì tải thuần trở và ua, Ia cùng pha. Do đó triac khóa lại sang nửa chu kỳ âm của ua. Tụ điện C được nạp điện theo chiều âm và uc tăng theo chiều từ b đến 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 (đường cong 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
Trong đó góc mở chậm 0 phụ thuộc vào điện trở R của mạch điều khiển do đó bằng cách 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 chỉnh chiều quay và tốc độ động cơ một chiều
6. Các thông số của triac
a- Điện áp điện mức uađm
Đó là điện áp cực đại cho phép đặt vào triac theo chiều thuận hoặc chiều ngược trong một thời gian dài
b- Dòng điện hiện dụng định mức Iađm
Đó là trị số hiệu dụng cực đại cho phép của dòng điện đi qua Triac trong một thời gian dài
c- Dòng điện điều khiển triac
Đó là dòng điện điều khiển IG đảm bảo mở triac
d- Dòng điện duy trì IH
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 ua
Đó là điện áp rơi trên triac khi Triac dẫn và dòng điện qua triac bằng dòng điện định mức
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
Hình 5 - 1
Ngõ vào là tầng khuyếch đại visai tiếp theo là tầng khuyếch đại trung gian (có thể là tầng đệm hoặc khuyếch đại vi sai tầng dịch mức (DC) 1 chiều, để đặt mức) phân cực 1 chiều DC ở ngõ ra cuối cùng là tầng đệm để khuyếch đại dòng và có trở kháng rất thấp tạo tín hiệu bất đối xứng ở ngõ ra các tầng khuyếch đại đều ghép trực tiếp với nhau
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 lấy trên cực C của Q4 đưa vào cực B của Q5. Q5 và Q6 tạo thành mạch ghép Darlington để dịch mức DC (direction current) tăng hệ số khuyếch đại dòng với kiểu mắc C chung để có trở kháng ra thấp tín hiệu lấy ra trên R4 điện trở phân cực E của Q6, Q7 lànguồn dòng cho cặp vi sai Q1 và Q2 R7, R6, D1 và R5 tạo thành mạch phân cực và ổn định nhiệt cho Q8 gồm R10, R9, D2 và R8
Điện áp ra V0 cùng dấu với điện áp vào trên cực B của Q1 và khác dấu với điện áp vào trên cực B của Q2 vì vậy hai ngõ vào này theo thứ tự gọi là ngõ vào không đảo và ngõ vào đảo
Hình 5 - 2 : ký hiệu của op –amp
Hình 5 –3 : đặc tính truyền đạt điện áp vòng hở
Có 3 vùng làm việc
+ Vùng khuyếch đại
nằm trong khoảng Vs
+ 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
Hình 5 - 5
Do RI : II 0 nên
Từ đó dòng qua R1 là
Ta có hệ số khuyếch đại
Tổng trở vào
b- Khuyếch đại không đảo hình 5 - 6
Hình 5 -6
Tín hiệu ra đồng pha nối tín hiệu vào
- Hàm số khuyếch đại :
Do nội trở RI II =0 nên dòng qua R1 và R2 bằng nhau
Mặt khác coi
Tổng trở vào : ZI
Hình 5 - 7
Vi = Vi + V0
V0 = AV0 Vi
RI : Tổng trở opamp
Thay vào VI ta có
c- Mạch đệm hình 5 - 8
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 A0 : là số đo độ lợi điện áp giữa đầu vào và đầu ra của bộ khuyếch đại thuật toán (opamp) và có thể biểu diễn bằng đơn vị (dB)
b-Trở kháng vào : Zin
Đó là số đo của trở kháng nhìn trực tiếp từ các đầu vào và đầu ra của opamp thường biểu diễn bằng đơn vị điện trở
c- Trở kháng ra Z0 : là số đo trở kháng của opamp và đơn vị là ()ohm
d- Dòng phân cực ngõ vào Ib
e- Tần đện áp cung cấp Vcc
.................
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Đồ An Tốt Nghiệp
Trang 90
ChươngV:
TÌM HIỂU MỘT SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
I/ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ QUAY THUẬN, QUAY NGHỊCH
Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển và mạch động lực như hình V-1.
Trong mạch này ứng dụng chủ yếu là transistor công suất và các diode công suất.
Các transistor Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q10, Q11, Q12 : là loại C828
Các transistor Q6, Q7, Q8, Q9 : là loại R468
Diode D1, D2, D3, D4, D6 là loại 4N4007
Mạch dùng mạch so sánh vi sai Q1 và Q2
Nguyên lý hoạt động của mạch như sau:
Ta có mức điện áp chuẩn (điện áp mong muốn điều chỉnh bởi biến trở VR1) được tạo bởi DZ1, R2 và R1
Khi điện áp chỉnmh lưu 2 bán kỳ của diode D1, D2 thấp hơn so với ở mức điện áp chuẩn thì dòng điện đi qua R6 đến cực B của Q2 thấp dẫn đến Q2 phân cực nghịch nên Q2 ở trạng thái ngắt. Khi Q2 ở trạng thái ngắt thì dòng điện đi từ D1 R1 R4 R30 R9. Đến cực B của transistor Q3 nên Q3 được phân cực thuận Q3 dẫn khi Q3 dẫn dòng điện đi từ D1 R1 R10 R3 R9 mass nên điện áp đặt trên R11 thấp Transistor Q4 phân cực nghịch, Q4 ngắt (khóa) dòng được đi từ D1 R1 R12 R14 R15 mass nên tại cực B của Q5 có dòng điện phân cực thuận cho Q5, Q5 dẫn điện dòng điện đi từ D5 R16 Q5 R17 : Q6 ngắt điện vì điện áp trên cực B của Q6= 0 nên dòng điện tại cực B của Q7 phân cực thuận cho Q7, Q7 dẫn điện. Động cơ DC nhận một điện áp âm dòng điện đí từ động cơ DC R18 Q7 mass. Vậy động cơ DC được nối mass
Cũng tại thời điểm điện áp chỉnh lưu của diode D1 D2 thấp hơn so với điện áp chuẩn nên Q1 dẫn nên điện áp đặt lên cực B của Q12 bằng không nên Q12 phân cực nghịch Q12 ngắt. Nên điện áp của mạch chỉnh lưu đặt lên cực B và điện trở R26. Phân cực cho Q11, Q11 phân cực thuận. Q11 dẫn điện áp đặt lên điện trở R23 thấp làm cho Q10 phân cực nghịch Q10 ngắt kéo theo Q9 ngắt, lúc này điện áp chỉnh lưu đặt lên D6 dẫn làm cho Q8 dẫn làm cho led 2 sáng động cơ được cấp nguồn dương từ D4 Q8 động cơ. Nên động cơ được quay thuận
Khi ta điều chỉnh biến trở VR1 có điện áp đặt vào cực B của transistor Q1 nhỏ hơn điện áp đặt vào cực C của transistor Q1 lúc này Q1 phân cực nghịch Q1 ngư ng
dẫn dòng điện chỉnh lưu đi từ D1 R1 R3 R29 R28 mass tại cực B của transistor Q12 có điện áp làm cho Q12 phân cực thuận dẫn dòng điện chỉnh lưu đi từ D1 R1 R27 R12 R25 mass. Khi Q12 dẫn điện đặt lên cực B của Q11 giảm làm cho Q11 phân cực nghịch Q11 ngưng dẫn, khi Q11 ngưng dẫn điện áp chỉnh lưu đặt lên cực B của transistor Q10 và điện trở R23 phân cực thuận cho Q10, Q10 dẫn điện làm cho cực B của Q8 có điện áp giảm Q8 phân cực nghịch Q8 ngắt, khi Q10 dẫn điện cực B của Q9 có .điện áp phân cực cho Q9, Q9 dẫn điện động cơ được cấp nguồn mass cho động cơ qua Q9.
Tại thời điểm này điện áp của mạch chỉnh lưu được so sánh qua mạch khuếch đại vi sai Q1 Q2 điện áp tại cực B của Q2 so sánh với điện áp cực E của Q2 điện áp tại cực B cao hơn lúc này Q2 được phân cực thuận Q2 dẫn điện nên dòng điện trên cực B Q3 giảm Q3 phân cực nghịch ngắt. Điện áp chỉnh lưu đặt lên cực B của Q4 tạo cho Q4 được phân cực thuận Q1 dẫn điện dòng điện trên điện trở R14 và 0 cực B của Q5 giảm nên Q5 phân cực ngược Q5 ngắt, khi Q5 ngắt thì Q7 cũng ngắt điện áp chỉnh lưu từ diode D5 đặt vào diode D3 và transistor Q6 phân cực thuận Q6 dẫn điện cấp nguồn dương cho động cơ từ D4 R19 Q6 động cơ. Vậy động cơ quay nghịch đến LED 1 sáng
II/ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ BẰNG CÁCH ĐIỀU KHIỂN SCR
Sơ đồ mạch như hìnhV-2
Trong sơ đồ này việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách điều khiển SCR thực chất là điều khiển góc mở kích cho SCR từ đó làm thay đổi điện áp đặt vào động cơ.
Khi ta nhấn nút start cuộn dây Rơle M có điện đóng tiếp điểm M ở dưới SCR lại và mở các tiếp điểm thường đóng ra động cơ bắt đầu khởi động khi đường 1 dương SCR đã được kích, dòng điện sẽ được đi qua câu trị fuse chỉnh lưu diode 4SR qua tiếp điểm M đặt vào phần ứng động cơ.
Cuộn dây kích từ động cơ được nắn điện áp 2 bán kỳ cấp điện cho cuộn kích từ field khi đường 1 dương diode 1SR nắn điện dương cấp nguồn cho cuộn kích từ
+ Khi đường 2 dương diode 2SR nắn điện dương cấp nguồn cho cuộn kích từ
mạch được bảo vệ bằng 2 diode zenzer (thy) bảo vệ sự tăng vọt điện áp đặt lên SCR vậy (thy) là một ổn áp xoay chiều tự nối tắt khi điện áp cao nhưng không chập mạch ,khi nối tắt dòng điện tăng lên sẽ làm cầu chì fuse chảy nhanh.
Khi ấn nút dừng cuộn dây rơle coil M mất điện mở tiếp điểm M dưới SCR ra và đóng tiếp điểm M lại. Điện trở 2R là điện trở hãm khi đóng tiếp điểm M động cơ sẽ bị hãm động năng và ngừng ngay.
Khi ta điều chỉnh biến trở VR ở mức cao dòng điện qua transistor Q1 nhỏ (Q1 đóng vai trò như một biến trở) tụ điện 4C được nạp chậm qua hai điện trở 15R và 13R, tụ điện C phóng yếu làm cho kích SCR trễ như hình V-2a phần ứng động cơ nhận một điện áp thấp tốc độ động cơ quay chậm
Khi ta điều chỉnh biến trở ở mức thấp dòng điện đi qua cực E của transistor lớn tụ điện 4C nạp nhanh hơn. Khi đó SCR được kích sớm hơn dòng điện lớn hơn chạy trong phần ứng động cơ sinh ra môment lớn tốc độ động cơ quay nhanh như hình V-2b.
Điều chỉnh điện áp ở biến trở là điều chỉnh tốc độ mong muốn còn để ổn định động cơ ta có phản hồi điện áp từ phần ứng động cơ điện áp phản hồi này qua điểm K qua điện trở 4R.
Khi động làm việc với tải tăng tốc độ động cơ giảm (khi đó biến trở VR chỉnh cố định) dòng điện tăng nên điện áp giảm phản hồi qua 4R về chân B của transistor 1Q làm cho 1Q dẫn mạch tụ 4C được nạp nhanh và SCR được kích sớm để nâng tốc độ động cơ lên bằng với tốc độ yêu cầu
Khi tại điểm K có điện áp cao điện áp phản hồi về chân 1Q tăng làm 1Q dẫn yếu 4C nạp chậm kích mở trễ cho SCR để cấp điện áp cho phần ứng tới khi cân bằng tốc độ theo yêu cầu, tụ 3C tụ san bằng điện áp.
Tụ 2C tụ cho phép thời gian mở máy. Tốc độ sẽ tăng chầm chậm
III/ MẠCH ĐIỀU CHỈNH VÀ ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU
Sơ đồ mạch như hình IV-3
Khi cấp nguồn V vào biến áp BA thứ cấp của biến áp có điện áp cung cấp cho mạch chỉnh lưu, nhưng động cơ chưa được cấp điện vì 2 thyristor chưa được kích mở.
Tại mạch điều khiển cũng được cấp nguồn bởi bộ nắn điện D3, D4 tụ điện C7 sẽ được nạp điện tại cực B của T2 điện áp nhỏ dần nhỏ đến một giá trị nào đó T2 dẫn điện điện áp tại ngõ vào (-) của Op amp OP1 giảm dẫn đến điện áp ở ngõ ra của OP1 là tăng (OP1 : khuếch đại đảo) diode D3 dẫn điện nạp điện cho tụ C8 khi tụ C8 nạp bằng giá trị Vc (+) thì UJT sẽ cho tụ C8 xả qua tại cuộn dây sơ cấp của biến áp xung BAX1 có một điện áp xung cuộn dây thứ cấp của biến áp xung BAX2 có xung để kích thyristor th1 và thyristor th2
Th1 và th2 dẫn điện cấp điện một chiều cho phần ứng động DC
Động cơ bắt đầu hoạt động
Động cơ sẽ quay với tốc độ được đặt bởi biến trở VR4 sẽ điều chỉnh điện áp phân cực cho T2
T2 dẫn yếu điện áp ngõ vào ( - ) OP1 tăng điện áp ngõ ra OP1 giảm tụ điện C8 nạp chậm th1 và th2 bị kích trở tốc độ động cơ chạy chậm T2 dẫn mạnh điện áp ngõ vào (-) OP1 giảm điện áp ngõ ra OP1 tăng tụ điện C8 nạp nhanh th1 và th2 sẽ được kích sớm động cơ sẽ chạy nhanh
Khi điều chỉnh biến trở VR3 ta có thể điều chỉnh độ phân cực của transistor T3 lúc đó điều chỉnh được thời gian nạp của tụ điện C7, điều chỉnh được thời gian nạp của tụ C7 là điều chỉnh được mức độ tăng tốc và giảm tốc của động cơ còn VR3 là biến trở thay đổi độ ổn định của hệ thống.
Khi động cơ làm việc mà tải tăng tốc độ động cơ giảm dòng điện phần ứng tín hiệu này được phản hồi qua điện trở R17 và R18 đến Op amp OP2 (nếu dòng điện lớn khi khởi động thì tụ điện C4 sẽ bảo vệ chưa cắt khi động cơ đang khởi động) tăng OP2 là khuếch đại không đảo nên dòng điện ngõ ra OP2 tăng dòng điện này sẽ qua R21VR2 R4 ngõ vào ( + ) OP1 tăng làm cho ngõ ra OP1 cũng tăng tụ điện C8 nạp nhanh kích th1 và th2 mở sớm tăng điện áp cho phần ứng động cơ để động cơ ổn định tốc độ khâu này là khâu phản hồi dương dòng
VR1 là biến trở chỉnh tinh lấy tốc độ chuẩn
VR2 là biến trở hiệu chỉnh tốc độ đáp ứng ngõ vào OP1
Khi tải nhẹ tốc độ động cơ tăng dòng điện phần ứng tăng điện áp đặt trên R11 và R12 tăng tín hiệu này được phản hồi về ngõ vào ( - ) của OP1 qua điện trở R7, R2 sẽ có điện áp tăng ngõ ra của OP1 sẽ có điện áp giảm tụ điện C8 nạp chậm
Kích mở th1 và th2 trễ – điện áp cung cấp cho phần ứng động cơ giảm xuống tốc độ động cơ giảm xuống cho tới khi ổn định.
Đây là khâu phản hồi âm áp của động cơ
Các tụ C1, C2 và C5, C6 là các tụ bảo vệ chống nhiễu cho Opamp OP1, OP2
Các diode D1 D2 và D8 D7 là các diode bảo vệ ngõ vào opamp OP1 OP2
Chương VI :
KẾT LUẬN
I- TÓM TẮT CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU
II- TỰ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
III- HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
I/ TÓM TẮT CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU
Sau 8 tuần nỗ lực nghiên cứu và vận dụng kiến thức đã học tại trường Đại học sư phạm kỹ thuật, em đã hoàn thành đề tài “Ứng dụng linh kiện điện tử công suất trong điều khiển động cơ một chiều” được sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Trọng Thắng đề tài có nội dung như sau :
1- Giới thiệu một số linh kiện bán dẫn công suất lớn.
2- Ứng dụng của linh kiện bán dẫn công suất trong điều khiển động cơ điện một chiều
3- Giới thiệu bộ điều khiển lập trình PLC và ứng dụng bộ điều khiển lập trình trong điều khiển động cơ
4- Tìm hiểu một số mạch điều khiển động cơ trong thực tế sản xuất
II/ TỰ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Do thời gian nghiên cứu và kinh nghiệm thực tế có hạn nên việc phân tích các sơ đồ mạch ứng dụng của điện tử công suất và bộ điều khiển lập trình plc và chưa được phong phú sâu sắc, việc tính toán các linh kiện đòi hỏi phải có thời gian chính vì lẽ đó nên đồ án đã có một số hạn chế trên.
III/ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI:
Với sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý và kỹ thuật điện tử đề tài này có thể được phát triển sâu hơn và kết hợp với hệ thống vi xử lý để điều khiển động cơ điện một cách hoàn hảo, tin cậy.
