Đồ án Ứng dụng điện tử công suất và bộ điều khiển lập trình plc trong điều khiển động cơ điện một chiều

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 Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc @&? ˜µ™ 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 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 Nội dung các phần thuyết minh toán Giới thiệu về linh kiện điện tử công suất Ứng dụng điện tử công suất điều khiển tốc độ động cơ điện Giới thiệu PLC và ứng dụng trong điều khiển động cơ điện một chiều. Khảo sát nguyên lý hoạt động của một số mạch cụ thể về điều khiển động cơ điện một chiều Các bản vẽ Ngày giao nhiệm vụ : 8 –1 – 2001 Ngày hoàn thành : 3 – 03 – 2001 Giáo viên hướng dẫn Thông qua bộ môn Ngày……tháng……năm 2001 Chủ nhiệm bộ môn 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 Đặt vấn đề 1 Giới hạn đề tài 1 Mục đích nghiên cứu 2 Thể thức nghiên cứu 3 CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ LUẬN GIỚI THIỆU MỘT SỐ LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT DIODE công suất 5 TRANSISTOR công suất 8 THYRISTOR 16 TRIAC 22 OP – AMP 26 CHƯƠNG III : GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 31 Khái quát chung 31 Chỉ tiêu chất lượng của truyền động điện 32 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách điều chỉnh điện trở mạch phần ứng 35 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách điều chỉnh xung điện trở mạch động lực 36 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách điều chỉnh kích từ của động cơ 37 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐIỆN MỘT CHIỀU ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 39 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng hệ thống chỉnh lưu bán dẫn 39 Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng bộ băm xung áp dùng thyristor 46 Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng bộ biến đổi van từ- động cơ 52 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 GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC 57 Cấu trúc phần cứng của CPU 57 Cấu trúc bộ nhớ 59 Cấu trúc chương trình 61 Phương pháp lập trình 62 Cú pháp lệnh cơ bản trong S7-200 63 So sánh với các hệ thống điều khiển khác 73 ỨNG DỤNG PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 74 Ứng dụng PLC khởi động động cơ điện một chiều qua 3 cấp điện trở phụ và quay thuận, quay nghịch 74 Ứng dụng PLC trong điều khiển động cơ bằng bộ băm xung áp một chiều 78 Ứng dụng PLC để điều khiển hệ thống 82 CHƯƠNG V : TÌM HIỂU MỘT SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Mạch điều khiển động cơ quay thuận quay nghịch 87 Điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng cách điều khiển góc kích SCR 88 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. Tìm hiểu và giới thiệu các linh kiện điện tử công suất. Một số ứng dụng điện tử công suất trong điều khiển động cơ điện một chiều Giới thiệu bộ điều khiển lập trình PLC , ứng dụng bộ điều khiển lập trình trong điều khiển động cơ 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 ĐẶT VẤN ĐỀ GIỚI HẠN VẤN ĐỀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU THỂ THỨC NGHIÊN CỨU 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 : Giới thiệu linh kiện bán dẫn (điện tử công suất) Ứng dụng điện tử công suất trong điều khiển động cơ một chiều Giới thiệu PLC và ứng dụng của bộ điều khiển lập trình PLC 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 : Giai đoạn 1 : 1 tuần - Tìm hiểu đề tài và soạn đề cương Giai đoạn 2 : 3 tuần - Thu thập tài liệu dữ kiện Giai đoạn 3 : 4 tuần - Viết đồ án Chương 2 : CƠ SỞ LÝ LUẬN GIỚI THIỆU MỘT SỐ LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT. DIODE CÔNG SUẤT TRANSISTOR CÔNG SUẤT THYRISTOR TRIAC OP AMP A/ DIOD CÔNG SUẤT: 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 a) Hình 1-1 Cấu trúc bên trong của Diode Ký hiệu của Diode Hình dạng bên ngoài của Diode Đặc tính của diode 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 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 Hình 1-3 Từ hai đặc tính trên ta tổng hợp lại ta có đặc tính Volt – Ampe của Diode như hình 2-3 Điện áp đánh thủng Dòng rò VD Điện áp rơi 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 Du 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 Chỉnh lưu hai nữa chu kỳ cho 1 pha V1 = Vm Sinwt V2 = -Vm Sinwt Mạch chỉnh lưu 3 pha V1 = Vm Sinwt V2 = Vm (Sinwt - 2p/3) V3 = Vm (Sinwt - 4p/3) Hình 1 –6 Mạch nhân đôi điện áp Hình 1-7 Mạch chỉnh lưu cầu Hình 1-8 4.2: Dùng bảo vệ transistor Hình 1 - 9 B. TRAN SISTOR CÔNG SUẤT : 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 P N B P Hình 2-1 C E a: Cấu trúc loại PNP b. Ký hiệu loại PNP E C N P B N 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). 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 IB=IBbh 3 IB=IBbh ICmax N Icbh 2 IB=IB0 Dc M 1 Ib=0 Ecc UCE UCEbh UCEO 3 3 IB=IBbh ICmax N Icbh 2 IB=IB0 Dc M 1 Ib=0 Ecc UCE UCEbh UCEO IC 3 IB=IBbh ICmax N Icbh 2 IB=IB0 Dc M 1 Ib=0 Ecc UCE UCEbh UCEO ICmax N Icbh 2 IB=IB0 Dc M 1 Ib=0 Ecc UCE UCEbh UCEO ICmax Icbh N IB=IB0 Dc 2 M 1 Ib=0 Ecc UCEbh UCEO UCE Ta xét sơ đồ mạch như hình 2-3 N P N b a 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<<Ic và tỷ số b=IC/ IB được gọi là hệ số khuyếch đại dòng điện tĩnh của transistor thường B có giá trị vài trục đến vài trăm sự chuyển dịch của các hạt mang điện đa số trên đây còn tồn tại dòng chuyển dịch của các hạt thiểu số từ lớp C qua B đến E. dòng chuyển dịch này tạo nên dòng điện ngược ICE0 từ đó ta có IC = bIB + ICEO Đặc tính Volt – Ampe của Transistor là ta xét đến quan hệ của điện áp UCE và dòng điện khi IB không đổi. 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 Dc trên đồ thị (hình 2-3b). Các điểm cắt của Dc 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 Dc 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: 100 200 50 50 10 VCE IC(A) 100ms 10ms 1ms 100mS 10mS Hình 2 - 4 Vì thời gian chuyển mạch của Transistor từ 1¸ 2 mS 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 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 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) VCC VC t i1 t iD I tf b VCE a I t 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 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 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 Trạng thái dẫn bão hòa Is lớn, Ic phụ thuộc tải Trạng thái ngắt Is=0 Ic Vce a b Hình 2 - 8 Các thông số kỹ thuật cơ bản của transistor Độ khuyếch đại dòng điện b transistor có b có trị số thay đổi theo dòng Ic Hình 2-9 cho thấy khi dòng Ic nhỏ thì b thấp dòng Ic tăng thì b tăng đến giá trị cực đại nếu tiếp tục tăng Ic đến mức bão hòa thì b bị giảm b bmax Ic Hình 2 -9 Điện thế giới hạn Điện thế đáng thủng BV (breakdown Voltage) là điện thế ngược tối đa vào giữa các cặp cực 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) 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 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 Cấu tạo Thyristor còn được gọi là SCR (Silicon controlled Rectifier) bộ nắn điện được điều khiển bằng chất silicium G J3 J2 J1 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 A p N p N K a Hình 3 - 1 Sơ đồ cấu trúc bên trong Ký hiệu Các loại thyristor Nguyên lý làm việc Để nghiên cứu sự làm việc của thyristor ta xét trường hợp Thyristor phân cực ngược J2 J3 E A p N p N K J1 Ec Điện áp ngược Ucd ia IG=0 E E A B C D Dòng áp 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) Thyristor phân cực thuận p J2 J3 E A P2 N2 P1 N1 K J1 Ec UGK Ia 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 ¹ 0 E Uct Ia IG1 Uct I2 Ia E Hình 3 - 4 Hình 2- 2. Đặc tính volt ampe của thyristor ở trạng tháng mở Þ từ hai trạng thái phân cực thuận phân cực ngược của thyristor ta có Mở bằng điện áp thuận Trạng thái dẫn Trạng thái khởi động Trạng thái khóa Dòng điện duy trì IH E=u ia 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 Trạng thái dẫn Ig3>Ig2>Ig1 Trạng thái bị khóa Ig=0 IH U Hình 3-7 Hình 3 - 6 Hình 3 - 6 Mở thyristor bằng dòng điện điều khiển 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 Ứng dụng của thyristor 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 t = 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 Mạch chỉnh lưu cầu một pha Hình 3 - 9 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. Các thông số chủ yếu của thyristor 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 Dòng điện điều khiển kích mở IGT là dòng điện điều khiển IG gây mở thyristor Điện áp ngược cực đại ungmax là điện áp giữa 2 cực A và K cho phép đặt của thyristor Điện áp rơi định mức Dua là điện áp giữa cực A và K khi thyristor mở và dòng điện bằng dòng điện định mức Thời gian phục hồi tính khóa là thời gian tối thiểu cần thiết để thyristor phục hồi tính khóa f- Triac (triode alternative current) 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 N N N N p p G T1 T2 c) b) a) Sơ đồ hình 4 –1 Hình 4 -1 Cấu trúc bên trong Hình vẽ cấu tạo Ký hiệu 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 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 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 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. T2 â m Trạng thái dẫn Trạng thái khóa I 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 ( ) 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 = uamsinwt Đồ thị biến thiên của ua theo wt như đường cong hình 4 -7 Hình 4 - 7 Giả thuyết tại thời điểm ban đầu (wt=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 wt tương ứng với giá trị nhất định của R tại góc pha w0 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 wt = p 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 f1 = f0 + p, 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 wt (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 q0 phụ thuộc vào điện trở R của mạch điều khiển do đó bằng cách thay đổi R ta có thể thay đổi q0 và thay đổi trị số uR của điện áp trên tải Rt 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 Các thông số của triac 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 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 Dòng điện điều khiển triac Đó là dòng điện điều khiển IG đảm bảo mở triac 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 Điện áp rơi định mức trên Triac Dua Đó là điện áp rơi trên triac khi Triac dẫn và dòng điện qua triac bằng dòng điện định mức 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 Bão hoàdương Hệ sốkhuyếch đạivòng hở Bão hòa âm (Vi=Vi+-Vi - Vo -Vs -Vcc +Vs +Vcc 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 DVi > Vs + Vùng bão hòa âm V0 = -Vcc DVi < -Vs Avf DVi=Vi+-Vi - Vo -Vs -Vcc +Vs +Vcc -Vsf +Vsf 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 Các mạch ứng dụng cơ bản của op – amp 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 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 Þ Tổng trở vào : ZI Hình 5 - 7 Vi = DVi + bV0 V0 = AV0 DVi RI : Tổng trở opamp Thay vào VI ta có 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) 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 Trở kháng ra Z0 : là số đo trở kháng của opamp và đơn vị là (W)ohm Dòng phân cực ngõ vào Ib Tần đện áp cung cấp Vcc Chương 3 GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU A- CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU I/ KHÁI QUÁT CHUNG Trong các nhà máy xí nghiệp các máy sản xuất công nghiệp đòi hỏi phải có nhiều cấp tốc độ tùy theo công tác sản xuất mà để điều chỉnh tốc độ cho phù hợp với quy trình công nghệ . Để có nhiều cấp tốc độ khác nhau ta có thể thay đổi cơ cấu truyền động bằng cơ khí của 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 cầu sản 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 có một 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 điện một 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 mà cấu trúc mạch động lực mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều chỉnh cao 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 chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động cơ hoặc mạch 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 điều khiển vòng hở bằng tay, chất lượng của nó được đánh giá như sau. Sai số tốc độ Sai số tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ mong muốn nó là giá trị tương đối của độ sụt tốc ứng với tải định mức so với tốc độ đặt khi không tải lý tưởng được xác định theo công thức: Trong đó : w : tốc độ tương ứng với tải định mức (rad/s) w0d : 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 w1 : tốc độ khi tải nhỏ nhất M min w2 : tốc độ khi tải M = Mmin + Mđm Nếu như đặc tính cơ là đường thẳng thì từ quan hệ : Ta có : Như vậy sai số tốc độ phụ thuộc vào độ cứng của đặc tính cơ b, tốc độ không tải lý tưởng w0đ và phụ tải trên trục động cơ Mc sai số càng nhỏ nghĩa là độ chính xác càng cao thì hệ càng tốt Trong thực tế có máy yêu cầu về sai số tốc độ chặt chẽ ví dụ như máy quấn của máy làm giấy, máy dệt, máy nâng hàng… Phạm vi điều chỉnh Giải điều chỉnh D là tỷ số giữa tốc độ làm việc lớn nhất và nhỏ nhất ứng với phụ tải đã cho 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 wmax và wmin tốc độ lớn nhất wmax thường bị giới hạn bởi độ bền cơ học của phần quay của máy điện một 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 lớn tia lửa phát sinh trên cổ góp vượt mức cho phép vì vậy máy điện chỉ cho phép wmax £ (2 ¸ 3) wđm Tốc độ nhỏ nhất wmin trong giải điều chỉnh bị chặn bởi yêu cầu khắc phục môment quá tải cho phép, bảo đảm độ chính xác điều chỉnh hoặc do những tính chất đặc thù của từng hệ. Mc b wmax wmin Mnm1 Mnm2 b O Dw Dw w01 M w Mc b1 wmax wmin Mnm1 Mnm2 b2 O Dw1 Dw2 w0 M w w02 b) Hình 6 -3 a: Điều chỉnh bằng cách giảm độ cứng b: Điều chỉnh bằng cách giảm w0 (w02 < w01) Để có tốc độ thấp ta phải gảm độ cứng b của đặc tính cơ hoặc giảm tốc không tải lý tưởng w0, cả hai cách đều làm giảm môment ngắn mạch (Mnm) và tăng sai số tốc độ S, đồ thị hình 6-3 minh hoạ điều đó. Hình 6-3a w0 = const, b2 < b1 Þ Mnm2 = w0 b2 < Mnm1 = w0 b1 Hình 6-3b b = const w02 < w01 Mnm2 = w02 b2 < Mnm1 = w01 b1 Điều đố chứng tỏ khi tốc độ wmim càng nhỏ thì Mnm2 càng nhỏ và S2 càng lớn. 3. Độ tinh Độ tinh điều chỉnh thể hiện mức khác nhau giữa hai cấp độ thứ i và thứ i + 1 nó được đánh giá như sau: wi+1: tốc độ ở cấp thứ i + 1 wi : tốc độ ở cấp thứ i Hệ số tinh càng nhỏ càng tốt, muốn tăng độ tinh ta phải đặt phần tử điều chỉnh tốc độ trong mạch công suất nhỏ như mạch kích từ, mạch vào của các hệ khuyếch đại. 4. Mức độ phù hợp giữa đặc tính tải cho phép của động cơ và đặc tính cơ của máy sản xuất. Đặc tính cơ cho phép Mccp =f(w) là quan hệ giữa môment với tốc độ làm việc xác lập khi dòng điện bằng định mức. Trong toàn dải điều chỉnh : đặc tính này luôn luôn trùng với đặc tính cơ như w2 w1 Mccp(w) O M w M2 (w) w2 w1 Mccp(w) O M w M2 (w) w3 Hình 6 – 2 hình 6 -2 Đặc tính tải cho phép khác đặc tính cơ của máy sản xuất khi động cơ chỉ làm việc với Mccp tối ưu. 5. Hướng điều chỉnh : Hướng điều chỉnh là chiều hướng biến đổi tốc độ so với giá trị tốc độ trên đặc tính cơ bản có thể điều chỉnh (w < wcơ bản ) hoặc là (w < wcb) phương pháp tối ưu là chọn tốc độ điều chỉnh dưới tốc độ cơ bản ví dụ hệ máy phát động cơ, hệ điều chỉnh hai hướng ... 6. Tính kinh tế : Tính kinh tế có ý nghĩa quan trọng nhiều trường hợp nó là chỉ tiêu quyết định. Để đánh giá tính kinh tế ta phải tính đến năng suất của máy sản xuất, vốn đầu tư cơ bản, chi phí vận hành độ tin cậy và ta phải quan tâm đến chỉ tiêu năng lượng đó là hệ số công suất và hiệu suất khi hệ làm việc với nhiều tốc độ xác lập từ wmax đến wmin Tóm lại chất lượng của một hệ truyền động điện điều chỉnh thể hiện ở nhiều chỉ tiêu đánh giá tổng hợp vì vậy đối với tường phương pháp từng hệ điều khiển tốc độ chọn ra những chỉ tiêu phù hợp. III/ ĐIỀU CHỈNH TỐ ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG CÁCH ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN TRỞ MẠCH PHẦN ỨNG: Nguyên lý điều chỉnh điện trở : Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng là phương pháp biến trở có thể sử dụng cho các động cơ một chiều kích từ độc lập, kích từ nối tiếp, kích từ hỗn hợp. b Mc a c w2 w1 M w Hình 6 - 1 Đặc tính cơ điều khiển Đặc tính cơ tự nhiên b) a) Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh như sau hình 6 –1-1 Hình 6 -1 a : Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng của động cơ một chiều. b : Đặc tính cơ khi điều chỉnh điện trở phụ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp này như sau, giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tải là Mc và tốc độ w1 trên đường đặc tính cơ tự nhiên như hình 6-1b để điều chỉnh tốc độ ta đóng một điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng khi đó dòng điện phần ứng Rư giảm đột ngột, tốc độ do quán tính nên chưa kịp biến đổi trên hình 6-1b là điểm làm việc biến đổi từ điểm a đến b dòng Iư giảm làm cho môment động cơ cũng giảm theo nên M < Mc và tốc độ giảm nên sức điện động của phần ứng E= KFw cũng giảm làm cho dòng Iư lại tăng lên kết quả là môment tăng dần cho đến khi M = Mc thì hệ trở nên xác lập nhưng tốc độ lúc máy w2 < w1 vì vậy tốc độ w2 phụ thuộc vàao Rf và Mc. M = b(w0 - w) với Þ Vì vậy điện trở phụ được xác định như trên Trong đó Rư : là điện trở phần ứng w0 : là tốc độ không tải w1, w2 :1à tốc độ của động cơ khi điều chỉnh từng cấp IV/ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG ĐIỀU CHỈNH XUNG ĐIỆN TRỞ MẠCH ĐỘNG LỰC: 1. Nguyên lý điều chỉnh Điều chỉnh tốc độ bằng biến trở là một phương pháp đơn giản nhưng có nhiều nhược điểm liên quan đến dạng đặc tính cơ mềm và việc dùng điện trở nhiều cấp trong mạch động lực còn phương pháp điều chỉnh xung điện trở sẽ khắc phục được một số nhược điểm trên đây là dạng phát triển của biện pháp điều chỉnh biến trở. b) c) a) Hình 7 -1 Hình 7-1 : sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung điện trở (a) (b, c) là các loại khoá K thực tế Sơ đồ trên hình 7-1a ta có sơ đồ điều chỉnh xung điện trở có điện trở R có giá trị không đổi và khoá K ta có các loại khoá K bằng thyristior hoặc bằng transistor như hình7-1b,c khoá bằng thyristor dùng khi dòng lớn có trên 10 ¸15 với tần số cắt 200-150Hz. Thyristor T đóng vai trò chính trong việc đóng cắt điện trở R còn Tf và tụ C và các thiết bị phụ khác đế ngắt T. Khoá bằng trasistor dùng khi dòng điện nhỏ cỡ dưới 10A với tần số cắt cho phép cao hơn. Nếu các khoá là lý tưởng thì khi khoá K đóng ta có điện trở R = 0 và khi K ngắt Rx = R như vậy điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ thay đổi chu kỳ từ 0 ¸ R và điện trở toàn mạch từ Rư đến Rư + R. Điện trở điều chỉnh trong trường hợp này có giá trị tương đương Rtd nằm giữa 0 và R nó phụ thuộc tương quan giữa thời gian cắt của khoá K ta sẽ thay đổi được Rtd do đó điều chỉnh được tốc độ. ĐTCTN M Đặc tính điều chỉnh có dạng như hình 7-2 : độ rỗng của xung điện trở tđ:Thời gian dẫn(đóng) ;tc:Thời gian cắt ta có thể tính được điện trở Rtđ = R(1-g) V/ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG CÁCH ĐIỀU CHỈNH KÍCH TỪ CỦA ĐỘNG CƠ Nguyên lý điều chỉnh Phương pháp điều chỉnh kích từ có thể dùng được cho các loại động cơ điện một chiều nhưng người ta không đặt vấn đề điều chỉnh tăng từ thông bởi vì một mặt là không cho phép nâng dòng kích từ lên lớn hơn giá trị định mức mặt khác do mạch kích từ khi từ thông định mức đã bão hoà rồi nên nếu có cho phép tăng dòng kích từ đi nữa thì từ thông cũng tăng không đáng kể f2< f1<fđm fđm>f1>f2 Hình 8 -1 a) b) Khi điều chỉnh từ thông ta được hai họ đặc tính tốc độ và đặc tính cơ khác nhau như hình 8-1a và b Hình 8-1 : Đặc tính tốc độ (a), đặc tính cơ (b) của động cơ một chiều kích từ độc lập khi điều chỉnh kích từ. Giả sử ban đầu động cơ đang làm việc với dòng kích từ định mức và tải là Mc khi đó điểm là việc sẽ là điểm a trên đặc tính tự nhiên hình 8-1b tương ứng với tốc độ w1 . nếu ta nối thêm điện trở điều chỉnh Rfk vào mạch kích từ thì dòng ikt sẽ giảm và từ thông sẽ là f < fđm vì quán tính cơ học nên tốc độ biến đổi chậm hơn từ thông do đó sức điện động phần ứng giảm xuống và dòng điện phần ứng tăng lên. Nếu từ thông chỉ giảm trong một phạm vi đủ nhỏ nào đó thì hiện tượng nêu trên làm tăng môment của động cơ Mb lúc đó moment động cơ lớn hơn moment tải Mb > Mc động cơ sẽ tăng tốc và do tốc độ tăng lên. Để thấy rõ quan hệ giữa tốc độ với từ thông và moment tải ta xét trương hợp đơn giản nhất khi Mc = const từ phương trình đặc tính cơ với Rư = const , Mc = const ta có (*) Như vậy w = f(Kf), nó đạt giá trị lớn nhất khi tương ứng có Kfcực trị tốc độ sẽ bằng khômg khi Kf = Kf0 Từ phương trình (*) ta tìm được Hình 8 -2 Hình 8-2 là quan hệ w = f(Kf) khi Mc = const Mc2 < Mc1 Để xác định moment tải cho phép Mcp ta phải xác định quan hệ giữa từ thông và tốc độ ta có phương trình u = Kfw + IưRư » Kfw Þ Mccp = Kf Hình 8-3 Đặc tính moment tải cho phép khi điều chỉnh từ thông B- CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT I/ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG HỆ THỐNG CHỈNH LƯU BÁN DẪN Mạch chỉnh lưu có điều khiển có sức điện động Ed phụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển góc điều khiển chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng kích từ động cơ, tuỳ theo yêu cầu cụ thể mà ta dùng các sơ đồ chỉnh lưu hình tia, chỉnh lưu hình cầu đối xứng và không đối xứng. Chế độ làm việc của mạch chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và tính chất của tải, tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích từ (L - R - E). Để tìm hiểu hoạt động của sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha ta xét ở chế độ dòng tải liên tục hay gián đoạn. Chế độ dòng điện liên tục (b) Hình 9-1 Hình 9-1 a : sơ đồ nối dây, b : sơ đồ thay thế của chỉnh lưu hình tia ba pha Trong đó E : sức điện động quay của động cơ u2a, u2b, u2c : sức điện độngthứ cấp máy biến áp nguồn L, Lx : điện cảm mạch một chiều, và điện cảm tải của dây quấnthứ cấp máy biến áp R : Điện trở mạch một chiều ua = u2m sinwt = u2m sinq Khi dòng điện chỉnh lưu id là liên tục thì có thể dựng được đồ thị các quá trình dòng điện và điện áp như hình 9-2 Hình 9 - 2 Sức điện động chỉnh lưu là những đoạn hình sin nối tiếp nhau, giá trị trung bình như sau , q =wet a = a0 – (p/ 2 - p/ r), Trong đó : w2 : Tần số góc của điện áp xoay chiều a : Góc mở van (hay góc điều khiển tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên) a0 : Góc điều khiển tính từ thời điểm SĐĐ xoay chiều bắt đầu dương r : Số xung áp đập mạch trong một chu kỳ điện áp xoay chiều Đây là phương trình vi phân mô tả thay thế hình 9 –2 b với q = a0 thì id=I0 Trong đó : Nếu gọi góc dẫn của van là l thì ta có thể tính được thành phần một chiều của dòng điện chỉnh lưu là thành phần sinh ra môment quay của động cơ Từ đó ta tính được dòng điện chỉnh lưu 2. Chế độ dòng điện gián đoạn Hiện tượng gián đoạn dòng điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện từ tích lũy trong mạch khi dòng điện tăng không đủ duy trì tính chất liên tục của dòng điện khi nó giảm lúc này góc dẫn của van trở nên nhỏ hơn 2p/p dòng điện qua van trở về không trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn trong khoảng dẫn của van thì Sđđ chỉnh lưu bằng Sđđ nguồn ed = u2 ; 0£ q £a0 + l Khi dòng điện bằng không sđđ chỉnh lưu bằng sđđ của động cơ điện ed = E ; a0 + l <q £ 2p/p Dòng điện chỉnh lưu được tính như sau nếu I0 = 0 trong ** id = Im{[(cosjsinq - j)-e]} - [cosjsin(a0 + l - j)-j - e]e -(q - l-a0)cotgj} Trong đó : Hình 9 - 3 Hình 9-3: a- Chế độ dòng điện gián đoạn và đện áp b- Luôn liên tục Ta có dòng điện chỉnh lưu Khi q = a0 thì id = 0 nên ta có nghiệm riêng cho trường dòng điện gián đoạn Dòng điện id bắt đầu xuất hiện q = a0 và tăng đến giá trị cực đại tại điểm mà ở đó và giảm đến bằng 0 tại q = a0 + a trong trường giữ nguyên góc điều khiển a0 = const nhưng tăng dần sđđ E của động cơ thì góc dẫn l sẽ bị giảm dần và khi E = u2msina0 thì a = 0 tức là không dòng chảy trong mạch lúc này môment động cơ cũng sẽ bằng không động cơ bị giảm tốc độ. Do đó E giảm dòng điện lại xuất hiện trong mạch nhưng với tốc độ thấp hơn 3. Đặc tính cơ của chỉnh lưu hình tia ba pha Chế độ dòng điện liên tục Dòng điện chỉnh lưu Id chính là dòng điện phần ứng động cơ điện dựa vào hình 3-1 ta có phương trình đặc tính Hình 9 - 4 Hình 9 - 4 : Sơ đồ thay thế chỉnh lưu thysistor X : là điện trở phản kháng gây sụt áp do hiện tượng chuyển mạch E : sức đđ của động cơ E = Cfđmw Ed : điện áp chỉnh lưu Có độ cứng Còn tốc độ không tải lý tưởng phụ thuộc vào góc điều khiển a Khi góc điều khiển biến thiên trong vùng 0£a<p/2 bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu Khi tăng góc điều khiển p/2£ a <amax và tải tính chất thế năng Khi môment tải dòng qua các van lớn làm góc chuyển mạch tăng theo nên để an toàn cần phải tăng góc thông sớm bmin điều này làm giảm sức điện động bộ biến đổi và do đó giảm tốc độ cực đại cho phép Hình 9-5. Đặc tính cơ bản chỉnh lưu hình tia 3 pha b. Hiện tượng chuyển mạch : Trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha khi phát xung nhằm để mở một van thyristor thì điện áp anôt của pha đó phải dương hơn điện áp của pha có van đang dẫn dòng do đó mà dòng điện của van đang dẫn sẽ giảm dần về không còn dòng điện của van kế tiếp sẽ tăng dần lên do có điện cảm trong mạch mà quá trình này xảy ra từ từ tại thời điểm cả hai van đều dẫn dòng và chuyển mạch cho nhau quá trình này gọi là chuyển mạch giữa các van (b) (a) Hình 9 - 6 : Hiện tượng chuyển mạch giữa các van thyristor Trong quá trình chuyển mạch vì cả hai van đều dẫn nên sức điện động chỉnh lưu bằng trung bình cộng của điện áp pha từ đó ta có phương trình cân bằng ta có i1 + i2 =Id và coi thì Khi bắt đầu chuyển mạch tại q = a giải phương trình trên ta có i2 = Imk(cosa - cosq) Quá trình chuyển mạch kết thúc khi i1 = 0, ie = id và tại q = a + p thì góc chuyển mạch m trong thực tế vận hành ít khi dòng điện chỉnh lưu vượt quá giá trị do đó có thể nói rằng trong chỉnh lưu hình tia ba pha góc chuyển mạch cực đại là do đó có chuyển mạch nên suất điện động chỉnh lưu bị sụt đi do đó có sự sụt áp chuyển mạch Hình 9 - 7 : Quan hệ giữa góc chuyển mạch m và góc điều khiển II/ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU BẰNG BỘ BĂM XUNG DÙNG THYRISTOR Sơ đồ nguyên lý : Trong đó điện áp và dòng điện của động cơ uĐ và I chỉ có giá trị dương Khi khoá T dẫn ta có uĐ = un i = in Khi khoá T ngắt in = 0 uD = 0 i = iD Hình 10-1 : Sơ đồ nguyên lý điều khiển chỉnh xung áp Do tác dụng duy trì dòng của điện cảm L. các giá trị trung bình của điện áp và dòng điện phần ứng uĐ, I và do đó sức điện động của động cơ. Khi đóng và ngắt liên tục của khoá T sẽ được xác định nếu biết luật đóng và ngắt của khoá và các thông số trong mạch Mô tả quá trình dòng điện và điện áp liên tục Ap dụng định luật Kirchoff ta có phương trình uđ + DuR + E = 0 Tại thời điểm t = 0 khoá T bắt đầu dẫn và uD = un; -i = imim Nếu coi suất điện động E không đổi trong một chu kỳ đóng ngắt của T ta có dòng i 0 < t <Tđ (*) : hằng số thời gian ảua phần ứng Hình 10-2 : Dòng điện và điện của nguyên lý điều chỉnh xung áp liên tục tại thời điểm t = tđ khoá T bắt đầu ngắt lúc này uD = 0 và D dẫn điện t, = t –tđ (**) Tại t, = 0 I = imax và ta có dòng I tđ < t < T Tại t, = T –tđ tức tại t = T i = Imax ta có dòng i Kết hợp (*) và (**) ta được giá trị cực trị Nếu T dẫn liên tục tđ = T thì dòng điện trong mạch phần ứng sẽ không đổi và bằng Quá trình dòng điện và điện áp gián đoạn Tại thời điểm tđ = tđgh khoá T dẫn giảm thì dòng điện Imim = 0 và hệ thống sẽ chuyển từ chế độ dòng điện và điện áp liên tục sang chế độ dòng điện và điện áp gián đoạn như hình 10 - 3 với điều kiện biên ta có phương trình Hình 10 - 3 Đặt m = r = Ta có : m = Từ phương trình m= ta dựng được họ đường cong phụ thuộc giữa m và r như hình 10 - 4 Hình 10 - 4 Trong đó d là 1 tham số vùng giới hạn từ đường cong d = 0 trở lên là không thể thực hiện được vì ngay tại d = 0 mạch đã có Tư = ¥ tức là phải thuần cảm giá trị g = g’ chính là giá trị thực Do yêu cầu đóng ngắt với tần số cao khoảng vài trăm chu kỳ trong 1 giây (200 ¸ 300Hz) nên khóa T thường là thysistor nên ta có sơ đồ Hình 10 – 5 mô tả quá trình đóng ngắt này Thyristor Tc làm khóa T (hình 10 - 5) thyristor Tf làm nhiệm vụ ngắt TC cuộn cảm L và van V dùng để nạp cho tụ C có cực tính như hình 10 -5 trong thời gian TC dẫn D có nhiệm vụ duy trì dòng qua tải Hình 10 - 5 Nguyên lý làm việc Ơ trạng thái ban đầu cả hai thyristor Tc và Tf đều đóng không dẫn điện nên tụ điện chuyển mạch C chưa được nạp điện Muốn khởi động bộ khóa trước hết cho xung điều khiển mở thyristor Tf tụ điện C được nạp điện với trị số uc = E với cực tính ghi trong dấu lúc này điện áp trên tải u=0. Bộ băm để ở trạng thái sẵn sàng làm việc Để mở khóa T tại thời điểm ban đầu t = 0 ta cho xung điều khiển mở Tc điện áp trên tải lúc này u = E vì thyristor Tc mở nên tụ điện C được tích điện sẵn cũng phóng điện qua thyristor Tc, cuộn cảm L và diode V kết quả tụ điện được nạp theo cực tính ngược lại Tại thời điểm t=tđ muốn khóa thyristor chỉ cần cho xung điều khiển mở thyristor Tf, qua thyristor Tf lại điện áp trên tải bằng không u =0 vì Tf mở dẫn điện nên tụ C lại được nạp đến uc = E khi tụ nạp đầy thyristor Tf khóa lại quá trình lại được lặp lại cứ như vậy trên phụ tải hình thành các xung áp một chiều như hình 10-6 Tđ T u E t Hình 10 – 6: xung áp 1C Độ dài mở xung là Tđ là thời gian mở thyristor Tc ứng với khoảng thời gian gữa xung mở thyristor Tc và xung mở thyristor Tf có thể điều chỉnh độ dài xung Tđ theo ý muốn song Td không thể nhỏ hơn ½ chu kỳ của dao động L- C tức là phải bảo đảm Td >p chu kỳ băm Tc tương ứng với khoảng thời gian giữa 2 xung liên tiếp mở thyristor Tc. cũng có thể điều chỉnh chu kỳ băm theo ý muốn Đặc tính cơ: Để xây dựng đặc tính cơ cần tìm giá trị trung bình của điện áp Hình 10 -7 Ta có đường đặc tính cơ như hình 10 –7 III/ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG BỘ BIẾN ĐỔI VAN TỪ – ĐỘNG CƠ Sơ đồ nguyên lý của mạch D D Hình III -1 Trong sơ đồ hình những máy biến áp BA có chức năng biến đổi giá trị điện áp phù hợp với động cơ, nâng cao hệ số công suất các van không điều khiển D dùng để chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành một chiều và tạo thành sức từ hóa phản hồi trong kháng bão hòa (KBH) dùng để điều chỉnh giá trị sức điện động của bộ biến đổi tổ hợp kháng bão hòa và các van D tạo thành một van điều khiển ta xem xét hình: b) a) Hình III - 2 Ta có phương trình mạch điện hìnhIII –2 a xk biến đổi theo trạng thái từ của lõi thang ban đầu lõi được từ hóa cố định nhờ cuộn điều khiển Wđk đến một giá trị B0 nào đó hình – b -Bs£ B0 £ Bs. khi nguồn e dương dòng thuận qua van Db từ hóa lõi của kháng làm cho độ từ cảm biến thiên, lõi không bão hòa Xk rất lớn coi iRt = 0 ta có phương trình khi t = 0, B = B0 ta có B = B0 + Bm (1 - cosWt) WLV : số vòng của cuộn làm việc S: tiết diện lõi của kháng bão hòa Bm = E2m/ WWLVS : biên độ của từ cảm w : Tần số góc của dòng điện lưới Trong nửa chu kỳ dương từ cảm trong lõi kháng bão hòa sẽ biến thiên theo hình sin hìnhIII-2 b nó đạt giá trị bão hòa khi wt = a và B = BS Ta có góc bão hòa Tại wt = a B = Bs = const (lõi kháng bão hòa) thì Xk = 0 nên điện áp e đặt hết lên tải Rt E2m sinwt= iRt = ub Ub : điện áp ra của bộ biến đổi ta có đồ thị ub (wt) như hìnhIII-2c Đó chính là sức điệng động Rb của hệ biến đổi van từ trong nữa chu kỳ âm của sức điện động e van ngắt dòng từ hóa không có nên lõi bị khử từ bởi cuộn điều khiển và độ cảm B sẽ giảm dần về B0 còn áp trên tải ub» eb = 0 Giá trị trung bình của e được xác định : Nếu chỉnh lưu có số lần đập mạch là m (*) Từ phương trình (*) ta thấy khi thay đổi B0 từ -Bs ¸ + Bs ta sẽ điều chỉnh được sức điện động Eb từ 0 ¸ Ebm. Vì B0 do dòng điều khiển tạo ra B0 tỷ lệ với dòng điều khiển Iđk Nên ta có : Trong đó : Rb : điện trở trong Iư : dòng điện phản ứng a: hằng số tỷ lệ gữa Iđk và B0 IV/ ỨNG DỤNG LINH KIỆN BÁN DẪN TRONG MẠCH CHỈNH LƯU CẦU BA PHA HỖN HỢP KHÔNG ĐỐI XỨNG ĐỘNG CƠ Sơ đồ mạch. HìnhIV-1 Trong mạch này dùng Ba thyristor Th1, Th2 và Th3 và Ba diode D’1, D’2, D’3 Nguyên lý hoạt động của mạch: Các thyristor th1, th2 và th3 được điều khiển bằng các xung dòng điện điều khiển iG1, iG2, iG3 giống như ở mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng thyristor mỗi thyristor được gây mở chỉ khi nó có tín hiệu IG và điện áp trên cuộn dây thứ cấp nối với nó là lớn nhất trong số ba điện áp u1, u2, u3 ngoài ra ta cũng giả thuyết động cơ có điện cảm L lớn nên mạch làm việc trong chế độ liên tục cung cấp cho phụ tải với dòng điện phụ tải có trị số không đổi và bằng giá trị trung bình của nó I’d trong chế độ này thyristor sau khi được kích mở sẽ tiếp tục mở cho đến lúc một thyristor khác được kích mở còn mỗi diode trong ba diode D’1, D’2, D’3 sẽ mở trong khoảng thời gian mà điện áp trên cuộn dây thứ cấp nối với nó có giá trị bé nhất trong số điện áp u1, u2, u3 Khi góc mở chậm của thyristor a< p/3 ta có đồ thị biến thiên của điện áp và dòng điện chỉnh lưu như hình IV-2a Khi góc mở a> p/3 ta có đồ thị biến thiên của điện áp và dòng điện chỉnh lưu như hình IV-2b Trên đồ thị hìnhIV-2b biểu diễn các khoảng mở của mỗi thyristor và diode + Ta có thể thấy a< p/3 hìnhIV-2b trên đồ thị tồn tại những khoảng mở đồng thời thyristor và diode được nối với cùng một dây quấn thứ cấp Trong khoảng q3 £ q £ q4 thyristor và diode D’1 (cùng nối với pha 1) được mở đồng thời trong khoảng đó phụ tải lại nối tắt bởi th1 và D’1 và điện áp ở hai đầu phụ tải ud=0 + Khi a< p/3 hìnhIV–2a trong đồ thị không tồn tại những khoảng mở đồng thời hai thyristor và diode được nối với cùng một pha của nguồn điện. Do đó điện áp ud luôn luôn lớn hơn không Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu ud = um - un + Trong khoảng q1 £ q £ q3 thyristor th1 mở uM = u1 + Trong khoảng q3 £ q £ q5 thyristor th2 mở uM = u2 + Trong khoảng q5 £ q £ 2p và 0 £ q £ q1 và thyristor th3 mở uM = u3 Do đó giá trị trung bình của uM là Ta có: và Þ + Trong khoảng q2 £ q £ q4 diode D’3 mở uN = u3 + Trong khoảng q4 £ q £ q6 diode D’1 mở uN = u2 + Trong khoảng q6 £ q £ 2p và 0 £ q £ q2 diode D’2 mở uN = u2 Þ Ta có giá trị trung bình của un là : Khi và Như vậy Þ Khi thay đổi a từ 0 đến p ta có thể thay đổi điện áp chỉnh lưu từ Điện áp ngược cực đại : ungmax = um Dòng điện phụ tải Khi động cơ điện một chiều có sức phản điện động E điện cảm L điện trở R Ta có : E <  Chương IV: GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH (PLC) VÀ ỨNG DỤNG CỦA PLC GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH (PLC – PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER) Trong những năm gần đây bộ điều khiển lập trình PLC được sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp ở nước ta như là một giải pháp điều khiển lý tưởng cho việc tự động hóa các quá trình sản xuất. Hiện nay trong nước chưa có một giáo trình tiếng Việt nào giới thiệu đầy đủ về bộ điều khiển lập trình nhằm đáp ứng nhu cầu học tập và nghiên cứu. Trên cơ sở khảo sát những tài liệu kỹ thuật về bộ điều khiển lập trình của hãng Siemens em xin giới thiệu bộ điều khiển lập trình simatic S7- 2000 I/ CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA CPU – (CENTRAL PROCCESS UNIT) Khái quát chung : PLC viết tắc của programmable logic controller là thiết bị điều khiển logic cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic qua một ngôn ngữ lập trình bộ điều khiển thỏa mãn các yêu cầu: Lập trình dễ dàng vì ngôn ngữ lập trình dễ học Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, tu sửa Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp Giao tiếp với các thiết bị thông tín máy tính, nối mạng các module mở rộng Giá cả phù hợp Bộ điều khiển lập trình PLC được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng Rơ le và thiết bị cồng kềnh nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên việc lập trình trên các lệnh logic cơ bản. PLC còn thực hiện các tác vụ định thì và đếm làm tăng khả năng điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình và kích ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên ngoài tương ứng, S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng Siemens cấu trúc theo kiển module có các module mở rộng các module này được sử dụng cho nhiều ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi xử lý CPU 212 và CPU 214 về hình thức bên ngoài sự khác nhau của hai loại CPU này nhận biết được nhờ số đầu vào ra và nguồn cung cấp CPU 212 có 8 cổng vào và 6 cổng ra có khả năng mở rộng thêm bằng 2 module mở rộng CPU 214 có 14 cổng vào và 10 cổng ra và có khả năng mở rộng thêm bằng 7 module mở rộng Cấu trúc CPU 212 512 từ đơn (word) tức là 1 kbyte, để lưu chương trình thuộc miền bộ nhớ đọc/ ghi được và không bị mất dữ liệu nhờ có giao diện với Eprom. Vùng nhớ với tính chất như vậy được gọi là vùng nhớ non – volatile 512 từ đơn được lưu dữ liệu trong đó có 100 từ nhớ đọc/ ghi thuộc miền non – volatile 8 cổng vào logic và 6 cổng ra logic Có thể ghép nối 2 module để mở rộng số cổng vào/ra, bao gồm cả 2 module tương tự (analog) Tổng số cổng logic vào/ ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra 64 bộ tạo thời gian trễ (timer) trong đó có 2 timer có độ phân giải 1ms 8 timer có độ phân giải 10ms và 54 timer có độ phân giải 100ms 64 bộ đếm (counter) chia làm 2 loại loại bộ đếm chỉ đếm tiến và loại vừa đếm tiến vừa đếm lùi 368 bit nhớ đặc biệt sử dụng làm các bit trạng thái hoặc các bit đặt chế độ làm việc Có các chế độ ngắt và xử lý tín hiệu khác nhau bao gồm ngắt truyền thông ngắt theo sườn lên hoặc sườn xuống. Ngắt theo thời gian và ngắt báo hiệu của bộ đếm tốc độ cao (2kHz) Bộ nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 50 giờ khi PLC bị mất nguồn nuôi Cấu trúc CPU 214 CPU 214 bao gồm 14 ngõ vào và 10 ngõ ra có khả năng mở rộng thêm bằng 7 module mở rộng 2048 từ đơn (4 kbyte) thuộc miền nhớ đọc/ghi non – volatile để lưu chương trình (dùng nhớ có giao diện với EEPROM) 2048 từ đơn (4kbyte) thuộc kiểu đọc ghi để lưu dữ liệu (trong đó có 512 từ đầu thuộc miền EEPROM) IO.O, QO.O, VO.O, SMO.1 Tổng số cổng vào/ ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra Có 14 ngõ vào từ IO.O ¸ IO.1 và I1.O ¸ I1.5 Có 10 ngõ ra từ QO.O ¸ IO.1 và Q1.O ¸ Q1.1 Có thể gắn thêm 1 module mở rộng bao gồm cả module analog 128 timer chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau 4 timer 1ms, 16 timer 10ms và 108 timer 100ms Có 128 bộ đếm chia làm hai loại + Chỉ đếm lên CTU + Vừa đếm lên vừa đếm xuống CTUD Có 688 bít nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc + SMO.O : luôn ở trạng thái 1 + SMO.1 : bằng 1 trong vòng quét đầu tiên Các chế độ ngắt và xử lý ngắt gồm ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lên hoặc xuống, ngắt thời gian ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung Có 3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2kHz và 7kHz 2 bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu PTO (Pulse traisn output) : điều tần PWM (Pulse width modulation) : điều rộng xung 2 bộ chỉnh tương tự Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ khi PLC bị mất nguồn nuôi Các đèn báo trên S7-200 CPU 214 + SF (đèn đỏ) : đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống bị hỏng. Đèn SF sáng lên khi PLC bị hỏng hóc + Run (đèn xanh) : đèn xanh chỉ định PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương trình được nạp vào trong máy + Stop (đèn vàng): đèn vàng chỉ định PLC đang ở chế độ dừng + Ix.x (đèn xanh) : đèn xanh ở cổng vào chỉ định ở trạng thái tức thời của cổng Ix.x (X.X = 0.0 ¸ 1.5) + Qy.y (đèn xanh): đèn xanh ở cổng ra báo hiệu trạng thái tức thời của cổng Qy.y (y.y = 0.0 ¸ 1.1) + TERM : cho phép máy lập trình tự quyết định chế độ hoạt động cho PLC hoặc Run hoặcStop II/ CẤU TRÚC BỘ NHỚ : Bộ điều khiển lập trình S7-200 được chia thành 4 vùng nhớ. Với 1 tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong thời gian nhất định khi mất nguồn bộ nhớ S7-200 có tính năng động cao đọc và ghi trong phạm vi toàn vùng loại trừ các bít nhớ đặc biệt SM (Special Memory)chỉ có thể truy nhập để đọc. Vùng chương trình Vùng tham số Vùng dữ liệu Vùng đối tượng Chương trình Tham số Dữ liệu Chương trình Tham số Dữ liệu C EEPROM Bộ nhớ ngoài Hình II-1: Bộ nhớ trong và ngoài của S7-200 Vùng chương trình : là vùng bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ các lệnh chương trình vùng này thuộc bộ nhớ trong đọc và ghi được Vùng tham số : là vùng lưu giữ các tham số như : từ khóa, địa chỉ trạm… cũng giống như vùng chương trình thuộc bộ nhớ trong đọc và ghi được Vùng dữ liệu : là vùng nhớ động được sử dụng cất các dữ liệu của chương trình bao gồm các kết quả các phép tính nó được truy cập theo từng bit từng byte vùng này được chia thành những vùng nhớ với các công dụng khác nhau. Vùng I (Input image register): là vùng nhớ gồm 8 byte I (đọc /ghi) : I.O ¸ I.7 Vùng Q (Output image register): là vùng nhớ gồm 8 byte Q (đọc /ghi) : Q.O ¸ Q.7 Vùng M (Internal memory bits): là vùng nhớ gồm có 32 byte M (đọc /ghi) : M.O ¸ M.31 Vùng V (Variable memory ): là vùng nhớ gồm có 4096 byte V (đọc /ghi) : V.O ¸ V.4095 Vùng SM : (special memory): là vùng nhớ gồm 86 byte chia làm 2 phần SMO ¸ SM29 chỉ đọc SMO ¸ SM85 chỉ ghi Vùng đối tượng : là timer (định thì), counter (bộ đếm) tốc độ cao vàv các cổng vào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng vùng này không thuộc kiểu non – volatile nhưng đọc ghi được. Timer (bộ định thì) : đọc/ ghi Tf ¸ T127 Counter (bộ đếm): đọc/ ghi Cf ¸ C127 Bộ đệm vào analog (đọc) : AIWO ¸ AIW3O Bộ đệm ra analog (ghi) : AQWO ¸ AQW3O Accumulator (thanh ghi) :ACO ¸ AC3 Bộ đếm tốc độ cao : HSCO ¸ HSC2 Tất cả các miền này đều có thể truy nhập được theo từng bit, từng byte, từng từ đơn (word – 2byte), từ kép (Double word) III/ CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH : Chương trình cho S7-200 phải có cấu trúc bao gồm chương trình chính (main program) sau đó đến các chương trình con và các chương trình xử lý ngắt Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình (End) Chương trình con là một bộ phận của chương trình. Các chương trình con phải được viết sau lệnh kết thúc chương trình chính đó là lệnh (End) Các chương trình xử lý ngắt là một bộ phận của chương trình, nếu cần sử dụng chương trình xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc End Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trình chính sau đó đến ngay các chương trình xử lý ngắt bằng cách viết như vậy cấu trúc chương trình được rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc chương trình có thể trộn lẫn các chương trình con và chương trình xử lý ngắt đằng sau chương trình chính Main program . . . End { stop} Thực hiện trong 1 vòng quét SBR (n) {no ¸ 255}chương trình con . . . Ret Thực hiện khi được chương trình chính gọi INT (n) {no ¸ 255}chương trình xử lý ngắt . . . Ret Thực hiện khi có tín hiệu báo ngắt IV/ PHƯƠNG PHÁP LẬP TRÌNH : S7-200 biểu diễn một mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh chương trình bao gồm một dãy các lệnh S7-200 thực hiện chương trình bắt đầu từ lệnh lập trình đầu tiên và kết thúc ở lệnh lập trình cuối trong một vòng. Một vòng như vậy gọi là dòng quét (scan) Một vòng quét (Scan cycle) được bắt đầu bằng việc đọc trạng thái của đầu vào và sau đó thực hiện chương trình, vòng quét kết thúc bằng việc thay đổi trạng thái đầu ra. Trước khi bắt đầu một vòng quét tiếp theo S7-200 thực thi các nhiệm vụ bên trong và nhiệm vụ truyền thông. Chu trình thực hiện chương trình là chu trình lập. Giai đoạn nhập dữ liệu từ ngoại vi Giai đoạn chuyển dữ liệu ra ngoại vi Giai đoạn truyền thông nội bộ và tự kiểm tra lỗi Giai đoạn thực hiện chương trình Hình IV –1 : Thực hiện chương trình theo vòng quét trong S7-200 Cách lập trình cho S7-200 dựa trên hai phương pháp cơ bản : phương pháp hình thang (ladder logic – viết tắt là LAD) và phương pháp liệt kê lệnh (statement list viết tắc là STL) - Chương trình được viết theo kiểu LAD thiết bị lập trình sẽ tạo ra một chương trình theo, kiểu STL tương ứng và ngược lại Phương pháp LAD : LAD là ngôn ngữ lập trình đồ họa những thành phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với các thành phần cơ bản dùng để biểu diễn lệnh lôgic như sau: - Tiếp điểm : là biểu tượng (symbol) mô tả các tiếp điểm rơle các tiếp điểm có thể thường đóng , thường mở - Cuộn dây (coil) : là biểu tượng mô tả rơle mắc theo chiều dòng điện cung cấp cho rơle Hộp (box) : là biểu tượng mô tả các hàm khác nhau nó làm việc khi có dòng điện chạy đến hộp thường là các bộ thời gian (timer), bộ đếm (counter) và các hàm toán học Mạng LAD : là đuờng nối các phần tử thành một mạch hoàn thiện, đi từ đường nguồn bên trái sang nguồn bên phải dòng điện chạy từ trái qua tiếp điểm đến các cuộn dây hoặc các hộp trở về bên phải nguồn. Phương pháp liệt kê lệnh STL : Phương pháp liệt kê (STL) là phương pháp thực hiện chương trình dưới dạng tập hợp các câu lệnh. Mỗi câu lệnh trong chương trình kể cả những lệnh hình thức biểu diễn một chức năng của PLC Để tạo một chương trình dạng STL người lập trình cần phải hiểu rõ phương thức sử dụng của ngăn xếp logic của S7-200 (S0 ¸ S8). Ngăn xếp lôgic là một khối gồm 9 bit chồng lên nhau. Tất cả các thuật toán liên quan đến ngăn xếp, đều chỉ làm việc với bít đầu tiên hoặc với bít đầu và bit thứ hai của ngăn xếp (S0 ¸ S1) giá trị logic mới đều có thể được gửi vào ngăn xếp V/ CÚ PHÁP LỆNH CƠ BẢN TRONG S7-200 Lệnh vào ra : (Input/ Output) Load (LD) : lệnh LD nạp giá trị của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của ngăn xép có giá trị cũ còn lại ngăn xếp bị đẩy lùi xuống một bít (như hình V-1) C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 m C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 Trước Sau LDN Hình V-2 : Trạng thái của ngăn xếp trước và sau khi thực hiện hiệu lệnh LDN Bị đẩy ra khỏi ngăn xếp C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 m C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 Trước Sau LD Hình V-1 : Trạng thái của ngăn xếp trước và sau khi thực hiện hiệu lệnh LD Bị đẩy ra khỏi ngăn xếp Load not (LDN) : lệnh LDN nạp giá trị logic nghịch đảo của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của ngăn xếp, các giá trị cũ còn lại trong ngăn xếp bị đẩy lùi xuống một bít (hình V-2) Các dạng khác nhau của lệnh LD, LDN cho LAD như sau : LAD MÔ TẢ TOÁN HẠNG n Tiếp điểm thường mở sẽ được đóng Nếu n =1 n : I, Q, M, SM, T, C, V (bit) n Tiếp điểm thườngđóng sẽ mở Khi n =1 I n Tiếp điểm thường mở sẽ đóng tức thời khi n = 1 n: I n Tiếp điểm thường đóng sẽ mở tức thời khi n =1 Các dạng khác nhau của lệnh LD, LDN cho STL như sau LỆNH MÔ TẢ TOÁN HẠNG LD n Lện nạp giá trị logic của điểm n vào bit đầu tiên trong ngăn xếp n : I, Q, M, SM, T, C, V (bit) LDN n Lệnh nạp giá trị logic nghịch đảo của điểm n vào bit đầu tiên trong ngăn xếp LDI n Lệnh nạp tức thời giá trị logic của điểm n và bit đầu tiên trong ngăn xếp n: I (bit) LDNI n Lệnh nạp tức thời giá trị logic nghịch đảo vào điểm n vào bit đầu tiên n LAD MÔ TẢ TOÁN HẠNG n I Cuộn dây đầu ra ở trạng thái kích thích khi có dòng điện điều khiển đi qua n : I, Q, M, SM, T, C, V (bit) Cuộn dây đầu ra được kích tức thời khi có dòng điều khiển đi qua n : Q (bit) + Mô tả lệnh output bằng STL STL MÔ TẢ TOÁN HẠNG = n Lệnh = sao chép giá trị của đỉnh ngăn xếp tới tiếp điểm n được chỉ dẫn trong lệnh n : I, Q, M, SM, T, C, V (bit) =I n Lệnh = I (immediate) sao chép tức thời giá trị của đỉnh stack tới tiếp điểm n được chỉ dẫn trong lệnh n :Q bit Lệnh ghi/ xóa giá trị cho tiếp điểm: Set (S) và Reset (R) lệnh dùng để đóng và ngắt các điểm gián đoạn đã được thiết kế. Trong LAD logic điều khiển đến các cuộn dây thì các cuộn dây đóng hoặc mở các tiếp điểm Trong STL lệnh truyền trạng thái bit đầu của ngăn xếp đến các điểm thiết kế nếu bit này có giá trị bằng 1 các lệnh S và R sẽ đóng ngắt tiếp điểm một dãy các tiếp điểm (giới hạn từ 1 ¸ 255). Nội dung của ngăn xếp không bị thay đổi bởi các lệnh này – mô tả lệnh S và R bằng LAD LAD MÔ TẢ TOÁN HẠNG Bit n S S Đóng một mảng gồm n các tiếp điểm kể từ S – bit S-bit : P, Q, M, SM, T, C, V (bit) n : PB, QB, MB, SMB, VB, AC, hằng số, *VD*AC Bit n R S Ngắt một mảng gồm n các tiếp điểm kể từ S bit lại chỉ vào timer và counter thì lệnh sẽ xóa bit đầu ra của timer/ counter Bit n S I S Đóng tức thời một mảng gồm n các tiếp điểm kể từ S bit S bit : Q bit n: PB, QB, MB, SMB, VB, AC, hằng số, *VD*AC Bit n R I S Ngắt tức thời một mảng gồm n các tiếp điểm kể từ địa chỉ S bit Mô tả các lệnh set (S) và reset (R) bằng STL STL MÔ TẢ TOÁN HẠNG S – S.bit – n Ghi giá trị logic và một mảng gồm n bit kể từ địa chỉ S.bit S-bit : P, Q, M, SM, T, C, V (bit) n : PB, QB, MB, SMB, VB, AC, hằng số, *VD R – S.bit – n Xóa một mảng gồm n bit kể từ địa chỉ S. bit. Nếu S.bit lại chỉ vào timer counter thì lệnh sẽ xóa bit đầu ra của timer counter SI – S.bit – n Ghi tức thời giá trị lôgic 1 vào một mãng gồm n bit kể từ địa chỉ S.bit S bit : Q bit n: IB, QB, MB, SMB, VB, AC, hằng số, *VD RI – S.bit - n Xóa tức thời một mảng gồm n bit kể từ địa chỉ S.bit Ví dụ : mô tả S và R trong LAD và STL Q2 .0 Q2.1 .K1 S Q2.2 .K1 R Q1.0 .K3 R Lad STL IO.O LD I0 . 0 = Q2. 0 S Q2 . 1 K1 R Q2 . 2 K1 R Q1 . 0 K3 Các lệnh logic đại số boolean Các lệnh đại số boolean cho phép tạo lập được các mạch logic không có nhớ. Trong LAD các lệnh này được biểu diễn thông qua cấu trúc mạch mắc nối tiếp hay song song các tiếp điểm thường đóng và các tiếp điểm thường mở. STL có thể sử dụng các lệnh A (And) và O (OR) cho các hàm số hoặc các lệnh AN (And not); ON (Or not) cho các hàn kín giá trị của ngăn xếp thay đổi phụ thuộc vào từng lệnh LỆNH MÔ TẢ TOÁN HẠNG O n A n Lệnh thực hiện toán tử Ù(A) và Ú(O) giữa giá trị logic của tiếp điểm n và giá trị bit đầu tiên trong ngăn xếp kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp n: I, Q, U, SM, T, C, V AN n ON n Lệnh thực hiện toán tử Ù(A) và Ú(O) giữa giá trị logic nghịch đảo của tiếp điểm n và giá trị bit đầu tiên của ngăn xếp kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp AI n OI n Lệnh thực hiện toán tử Ù(A) và Ú(O) giữa giá trị logic của tiếp điểm n và giá trị bit đầu tiên trong ngăn xếp kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp n : I bit ANI n ONI n Lệnh thực hiện toán tử Ù(A) và Ú(O) giữa giá trị logic nghịch đảo của tiếp điểm n và giá trị bit đầu tiên trong ngăn xếp kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp Ngoài những lệnh làm việc trực tiếp với tiếp điểm S7-200 còn có 5 lệnh đặc biệt biểu diễn các phép tính của đại số boolean cho các bit trong ngăn xếp được gọi là các lệnh Strack logic. Đó là lệnh ALD (And load), OLD (Orload), LPS (logic push), LRD (logic read) và LPP (logic pop). Lệnh stack logic được dùng để tổng hợp sao chụp hoặc xóa các mệnh đề logic LAD không có bộ đếm dành cho lệnh strack logic. STL sử dụng các lệnh stack logic để thực hiện phương trình tổng thể có nhiều biểu thức con, bảng sau tóm tắt cú pháp gọi các lệnh Stack logic trong STL LỆNH MÔ TẢ TOÁN HẠNG ALD Lệnh tổ hợp giá trị của bit đầu tiên và thứ hai của ngăn xếp bằng phép tính logic và kết quả ghi lại vào bit đầu tiên giá trị còn lại của ngăn xếp được kéo lên 1 bit Không có OLD Lệnh tổ hợp giá trị của bit đầu tiên và thứ hai của ngăn xếp bằng phép tính logic và kết quả ghi lại vào bit đầu tiên giá trị còn lại của ngăn xếp được kéo lên 1 bit Không có LPS Lệnh logic sao chụp giá trị của các bit đầu vào bit thứ hai trong ngăn xếp giá trị còn lại của ngăn xếp bị đẩy xuống 1 bit. Bit cuối cùng bị đẩy ra khỏi ngăn xếp Không có LRD Lệnh sao chép giá trịv của bit thứ hai vào bit đầu tiên trong ngăn xếp các giá trị còn lại của ngăn xếp giữ nguyên vị trí Không có LPP Lệnh kéo ngăn xếp lên 1 bit giá trị của bit sau được chuyển cho bít trước Không có a- Lệnh AND (A) và OR (O) Lệnh A và O phối hợp giá trị của một tiếp điểm n với giá trị bit đầu tiên trong ngăn xếp kết quả phép tính được đặt lại vào bit đầu tiên trong ngăn xếp giá trị của các bit còn lại trong ngăn xếp không bị thay đổi b- Lệnh AND AD và OR O XORW XORD lệnh thực hiện các thuật tón logic And, Or, Exclusive Or của đại số boolean trên 2 byte hoặc 4 byte Lệnh có tiếp điểm đặc biệt : có thể dùng các lệnh có tiếp điểm đặc biệt để phát hiện trạng thái của xung (sườn xung) và đảo lại trạng thái của dòng cung cấp (giá trị của đỉnh ngăn xếp) LAD sử dụng các tiếp điểm đặc biệt để tác động vào dòng cung cấp các tiếp điểm đặc biệt, không có toán hạng riêng của chính chúng và vì thế phải đặt chúng vào vị trí phía trước của cuộn dây hộp đầu ra. Tiếp điểm chuyển tiếp dương/ âm( các lệnh sườn trước sau) có nhu cầu về bộ nhớ bởi vậy đối với CPU 214 là 256 lệnh - Mô tả lệnh tiếp điểm đặc biệt trong LAD và STL LAD STL Not Q0.1 I0.0 1 Net work1 LD I0.0 Not = Q0.1 3 2 N Q0.3 I0.0 P Q0.2 I0.0 Net work2 LD I0.0 Eu = Q0.2 Net work3 LD I0.0 Eu = Q0.3 5. Các lệnh điều khiển timer Timer là hệ tạo thời gian trễ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra nên trong điều khiển vẫn thường gọi là khâu trễ S7-200 có 128 timer (với CPU 214) được chia làm hai loại khác nhau Timer tạo thời gian trễ không có nhớ (On Delay Timer) ký hiệu TON Timer tạo thời gian trễ có nhớ (Retentive on Delay Timer)ký hiệu TONR Hai kiểu timer các S7-200 (TON và TONR) phân biệt với nhau trong phản ứng của nó đối với trạng thái tín hiệu đầu vào Cả hai kiểu TON và TONR cùng bắt đầu tạo thời gian trễ tín hiệu từ thời điểm có sườn lên ở tín hiệu đầu vào, tức là khi tín hiệu đầu vào chuyển trạng thái từ 0 lên 1 gọi là thời điểm timer được kích và không tính thời gian khi đầu vào có giá trị logic 0 mà thời gian trễ tín hiệu được đặt trước Khi đầu vào có giá trị logic bằng 0. TON tự động reset còn TONR thì không tự động reset Timer TON được dùng để tạo thời gian trễ trong một khoảng thời gian Timer TONR thời gian trễ sẽ được tạo ra trong nhiều khoảng thời gian khác nhau Timer TON và TONR bao gồm 3 loại với ba độ. Phân giải khác nhau độ phân giải 1ms, 10ms, 100ms. Thời gian trễ t được tạo ra chính là tích của độ phân giải của bộ timer được chọn và giá trị đặt trước cho timer Ví dụ một bộ timer có độ phân giải bằng 10ms và gá trị đặt trước là 50 thì thời gian trễ sẽ là t = 500ms. Các loại timer của S7-200 (đối với CPU 214) theo TON, TONR LỆNH ĐỘ PHÂN GIẢI GIÁ TRỊ CỰC ĐẠI CPU 214 TON 1ms 32,767s T32, T96 10ms 327,67s T33¸T36, T97¸T100 100ms 3276,7s T37¸T63, T101¸T127 TONR 1ms 32,767s T0, T64 10ms 327,67s T1¸T4, T65 ¸T68 100ms 3276,7s T5¸T31, T64 ¸T95 Cú pháp khai báo sử dụng timer trong LAD, STL LAD STL TOÁN HẠNG IN PT TON Txx TON – TXX – PT TXX CPU 32¸ 63 (WORD) 96¸ 127 PT : VW, T, IW, QW,MV (WORD) SMW, AC, AIW, VD *AC, hằng số IN PT TONR Txx TONR – TXX – PT TXX CPU 0 ¸ 31 (WORD) 64 ¸ 95 PT : VW, T, C, IW,QW, (WORD) MW, SMW Chú ý : Khi sử dụng timer TONR giá trị tức thời được lưu lại và không bị thay đổi trong khoảng thời gian khi tín hiệu đầu vào có logic 0 giá trị của bit không được nhớ mà hoàn toàn phụ thuộc vào kết quả so sánh giữa giá trị đếm tức thời và giá trị đặt trước 6. Các lệnh điều khiển counter Counter là bộ đếm hiện chức năng sườn xung trong S7-200 các bộ đếm của S7-200 được chia làm hai loại bộ đếm tiến (CTU) và bộ đếm tiến và lùi (CTUD) Bộ đếm tiến CTU đếm số sườn lên của tín hiệu logic đầu vào tức là đếm số lần thay đổi trạng thái logic từ 0 lên 1 của tín hiệu số sườn xung đếm được ghi vào thanh ghi 2 byte của bộ đếm gọi là thanh ghi C-WORD Nội dung của C-Word gọi là giá trị đến tức thời của bộ đếm luôn được so sánh với giá trị đếm tức thời bằng hoặc lớn hơn giá trị đặt này thì bộ đếm báo ra ngoài bằng cách đặt giá trị logic 1 vào một bit đặc biệt của nó được gọi là C bit trường hợp giá trị đặc trước C bit có giá trị logic là 0 Các bộ counter đều có chân nối với tín hiệu điều khiển xóa để thực hiện việc đặt lại chế độ khởi phát ban đầu (Reset) cho bộ đếm được ký hiệu bằng chữ R trong LAD hay được quyđịnh trạng thái logic của bit bắt đầu tiên của ngăn xếp trong STL bộ đếm được reset khi tín hiệu bị xóa này có mức logic 1 hoặc khi lệnh R (reset) thực hiện với Cbit. Khi bộ đếm được reset cả CWORD và Cbit đều nhận giá trị 0 CU Cbit PV R C word Giá trị tức thời Hình 6-1 : Bộ đếm CTU của S7-200 Bộ đếm CTUD đếm tiến khi gặp sườn lên của xung vào cổng đếm tiến ký hiệu là CU trong LAD hoặc bit thứ 3 của ngăn xếp trong STL và đếm lùi khi gặp sườn lên của xung vào cổng đếm lùi được ký hiệu là CD trong LAD hoặc bit thứ 2 của ngăn xếp trong STL Khi đầu vào logic của chân xóa ký hiệu bằng R trong LAD hoặc bit thứ nhất của ngăn xếp trong STL có giá trị logic là 1 hoặc bằng lệnh reset với C bit của bộ đếm. CTUD có giá trị đếm tức thời đúng bằng giá trị đang đếm và được lưu trong thanh ghi 2byte C-Word của bộ đếm. Giá trị đếm tức thời luôn được so sánh với giá trị đặt trước PV của bộ đếm Nếu giá trị đếm tức thời lớn hơn bằng giá trị đặt trước thì Cbit có giá trị logic bằng 1 còn các trường hợp khác giá trị logic bằng 0 CU Cbit PV CD R C word Hình 6-2 : Bộ đếm CTUD của S7-200 Bộ đếm tiến CTU có miền giá trị đến tức thời từ 0 ¸ 32.767 Bộ đếm tiến lùi CTUD có miền giá trị đến tức thời từ là –32,768 ¸ 32.768 Lệnh khai báo sử dụng Bộ đếm trong LAD như sau : LAD STL TOÁN HẠNG CU PV R CTU CXX CTU Cxx PV Cxx CPU 214 0 ¸ 47 80 ¸ 127 PV: VW, T, C, IW, QW (Word) MW, SMW, AC, AIW CU CD PV R CTUD CXX CTUD Cxx PV Cxx CPU 214 48 ¸ 79 PV: VW, T, C, IW, QW (Word) MW, SMW, AC, AIW Hằng số 7. Các lệnh dịch chuyển ô nhớ : Các lệnh dịch chuyển thực hiện việc di chuyển hoặc sao chép số liệu từ vùng này sang vùng khác trong bộ nhớ. Trong LAD và trong STL lệnh dịch chuyển thực hiện việc di chuyển hay sao chép nội dung một byte, một từ đơn, hoặc một giá trị thực từ vùng này sang vùng khác trong bộ nhớ Lệnh trao đổi nội dung của hai byte trong một từ đơn thực hiện việc chuyển nội dung của byte thấp sang byte cao và ngược lại MOV – B (LAD) lệnh sao chép nội dung của byte in sang byte out MOVB (STL) Cú pháp lệnh MOVB trong STL và MOV – B trong LAD LAD STL TOÁN HẠNG EN IN OUT MOV B MOWB In Out IN VB, IB,QB, MB, SMB (byte) AC hằng số *VD *AC OUT VB, IB,QB, MB, SMB (byte) AC *VD *AC MOV – W (LAD) MOVW (STL) Lệnh sao chép nội dung của từ đơn IN sang từ đơn OUT Cú pháp lệnh MOV – V (LAD) MOV – W trong STL LAD STL TOÁN HẠNG EN IN OUT MOV-W MOVW In Out IN VW, T,C ,IW, QW, MW, (từ đơn) SMW, AC, AIW, hằng số *VD *AC Out VW, T,C, IW,QW, MW, SMW, AC, AIW VI/ SO SÁNH VỚI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KHÁC CHỈ TIÊU SO SÁNH RƠLE KHÔNG TIẾP ĐIỂM PLC Giá thành từng chức năng Khá thấp Thấp Thấp Kích thước vật lý Cồng kềnh Rất gọn Rất gọn Tốc độ điều khiển Chậm Nhanh Nhanh Khả năng chống nhiễu Khá tốt Tốt Tốt Lắp đặt Mất thời gian thiết kế và lắp đặt Mất thời gian thiết kế Lập trình và lắp đặt đơn giản Khả năng điều khiển tác vụ phức tạp Không Có Có Dễ thay đổi điều khiển Rất khó Khó Khá đơn giản Công tác bảo trì Kém có nhiều công tắc Kém nếu IC hàn bị Tốt các module được tiêu chuẩn hóa B- ỨNG DỤNG PLC BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. I/ ỨNG DỤNG PLC KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU QUAY THUẬN QUAY, NGHỊCH QUA BA CẤP ĐIỆN TRỞ PHỤ. Mạch động lực. Hình I-1: Mạch động lực . THIẾT BỊ NGOÀI THIẾT BỊ TRONG PLC GHI CHÚ ON/OFF IO.O Ngõ vào on/off MT IO.1 Ngõ vào mở thuận MN IO.2 Ngõ vào mở nghịch 1K QO.3 Ngõ ra loại địên trở phụ 2K QO.4 Ngõ ra loại địên trở phụ 3K QO.5 Ngõ ra loại địên trở phụ 2.Nguyên lý hoạt động . Đe động cơ có thể hoạt động đóng cầu dao cấp điện cho mạch kích từ và các tiếp điểm của mạch phần ứng.Khi ta nhấn nút mở máytheo chiều thuận (MT) động cơ sẽ chạy thuận và khởi động thuận với toàn bộ điện trở phụ(Rf) trong mạch phần ứng sau thời gian 2s tiếp điểm 1k đóng lại loại một phần điện trở phụ rf1 ra khỏi mạch phần ứng ,sau thời gian 4s tiếp điểm 2K đóng lại loại tiếp điệ n trở phụ rf2 ra khỏi mạch phần ứng,sau thời gian 6s tiếp điểm 3K đóng lại loại hết điện trở phụ ra khỏi mạch phần ứng kết thúc quá trình khởi động động cơ làm việc với điện áp định mức 3.Sơ đồ kết nối plc với thiết bị ngoài 4.Chương trình điều khiển lập trình PLC trong LAD. 5.Chương trình điều khiển lập trình plc trong STL. NETWORK 1 LD I0.0 EU S Q0.0, 1 NETWORK 2 LDN I0.0 EU R Q0.0, 1 NETWORK 3 LD Q0.0 = M0.0 NETWORK 4 LD M0.0 LD I0.1 O Q0.1 ALD AN Q0.2 = Q0.1 NETWORK 5 LD M0.0 LD I0.2 O Q0.2 ALD AN Q0.1 = Q0.2 NETWORK 6 LD Q0.1 O Q0.2 TON T32, +200 NETWORK 7 LD T32 = Q0.3 TON T33, +20 NETWORK 8 LD T33 = Q0.4 TON T35, +20 NETWORK 9 LD T35 = Q0.5 NETWORK 10 MEND II.ỨNG DỤNG PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. 1.Sơ đồ mạch động lực. HìnhII-1 Mạch động lực THIẾT BỊ NGOÀI THIẾT BỊ PLC GHI CHÚ Stop IO.O Ngõ vào dừng Run IO.1 Ngõ vào chạy T2 QO.2 Ngõ ra kích xung th2 T1 QO.3 Ngõ rakích xung th1 SƠ ĐỒ KẾT NỐI THIÊT BỊ NGOÀI VỚI PLC 2.Nguyên lý làm việc của mạch. Để động cơ làm việc transistor dẫn xung điều khiển cho th2 mở,tụ điện c1 được nạp đến điện áp nguồn VDC sau đó kích xung điều khiển th1 mở dẫn điện cấp nguồn cho động cơ(M) hoạt động .Đồng thời tụ điện c1 được tích điện theo chiều ngược lạiqua cuộn dây L và diode D1. Muốn khóa th1 cho xung dònng điện điều khiển mở th2 để điện áp trên tụ C1 được đặt ngược lên thyristor th1 khóa th1 lại .Khi điều khiển đóng mở thyristor th1 và th2 một cách chu kỳ theo quy luật khác nhau có thể điều chỉnh điện áp trung bình đặt vào động cơ từ đó ta sẽ có tốc độ động cơ tương ứng. 3-Chương trình điều khiển PLC trong LAD Chương trình điều khiển PLC trong STL CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG CÁCH ĐIỀU KHIỂN GÓC KÍCH SCR NETWORK 1 LDN I0.0 EU R Q0.0, 1 NETWORK 2 LD I0.0 EU S Q0.0, 1 NETWORK 3 LD Q0.0 = Q0.1 NETWORK 4 LD Q0.1 AN T38 TON T37, +5 NETWORK 5 LD T37 = Q0.2 TON T38, +5 NETWORK 6 LD Q0.1 AN T40 TON T39, +10 NETWORK 7 LD T39 = Q0.3 TON T40, +10 NETWORK 8 MEND III/ ỨNG DỤNG PLC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG. Sơ đồ hệ thống KHAY BANG TAI 2 BĂNGTẢI 2 BĂNGTẢI 1 BĂNGTẢI O MÔ TƠ 3 MÔ TƠ 2 MÔ TƠ 1 3LS 4LS 2LS 1LS 2- Nguyên lý làm việc của hệ thốn Khi khay đi tới băng tải 1 đóng tiếp điểm hành trình 1LS lại động cơ 3 được cấp điện chạy thuận kéo cửa lên ,tới khi đụng công tắc hành trình 3LS thì động cơ 3 dừng lại .Sau đó động cơ 2 và động cơ 1 hoạt động đẩy khay từ băng tải 1 sang băng tải 2 khi khay qua băng tải 1 tới băng tải 2 mở công tắc hành trình 2LS trên băng tải 2 ra động cơ 1 và động cơ 2 ngừng hoạt động băng tải 1 và băng tải 2 dừng lại động cơ 3 bắt đầu hoạt động kéo cửa xuống tới khi đụng công tắc hành trình 4LS thì động cơ 3 dừng lại. Sơ đồ kết nối thiết bị plc với thiết bị ngoài . THIẾT BỊ NGOÀI THIẾT BỊ PLC CHÚ THÍCH Run IO.O Ngõ vào chạy Stop IO.1 Ngõ vào dừng Băng tải 1 IO.2 Ngõ vào chạy băng tải 1 Băng tải 2 IO.3 Ngõ vào chạy băng tải 2 Raise door IO.4 Ngõ vào chạy cửa lên Lower door IO.5 Ngõ vào chạy cửa xuống 1LS IO.6 Công tắc hành trình băng tải 1 2LS IO.7 Công tắc h ành trình băng tải 2 3LS I1.O Công tắc hành trình cửa lên 4LS I1.1 Công tắch ành trình cửa xuống Lamp QO.O Ngõ ra đèn báo hoạt động 1M QO.1 Ngõ ra băng tải 1 chạy 2M QO.2 Ngõ ra băng tải 2 chạy 3MT QO.3 Ngõ ra cửa kéo lên 3MN QO.4 Ngõ ra cửa kéo xuống 2-Chương trình điều khiển PLC trong LAD Chương trình điều khiển PLC trong STL. CHƯƠNG TRÌNH STL ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NETWORK 1 LD I0.0 O Q0.0 AN I0.1 = Q0.0 NETWORK 2 LD I0.6 = Q0.5 NETWORK 3 LD I0.2 AN Q0.0 LDN I0.7 O Q0.5 A I1.0 A Q0.0 OLD = Q0.1 NETWORK 4 LD I0.3 LD Q0.1 A Q0.0 OLD = Q0.2 NETWORK 5 LD I0.4 AN Q0.0 LD Q0.5 A Q0.0 OLD AN I1.0 AN Q0.4 = Q0.3 NETWORK 6 LD I0.5 AN Q0.0 LDN Q0.1 A Q0.0 OLD AN I1.1 AN Q0.3 = Q0.4 NETWORK 7 MEND 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 a 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 Dòng điện phần ứng Dòng điện phần ứng a)UJT kích trễ b)UJT kích sớm HÌNH V-2 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 R21®VR2 ® 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 TÓM TẮT CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TỰ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 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 : Giới thiệu một số linh kiện bán dẫn công suất lớn. Ứng dụng của linh kiện bán dẫn công suất trong điều khiển động cơ điện một chiều Giới thiệu bộ điều khiển lập trình PLC và ứng dụng bộ điều khiển lập trình trong điều khiển động cơ 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. TÀI LIỆU THAM KHẢO Điện tử công suất và điều khiển động cơ điện Tác giả CYRIR W LANDER Người DỊCH : LÊ VĂN DOANH NXB KHKT Hà Nội – 1997. Điện tử công suất ĐỖ XUÂN TÙNG – TRƯƠNG TRI NGỘ NXB Xây Dựng Hà Nội – 1999 Điện tử công suất NGUYỄN BÍNH NXB KH KT Hà Nội 1993 4- Truyền động điện BÙI QUỐC KHÁNH - NGUYỄN VĂN LIỄN – NGUYỄN THỊ HIỀN NXB KHKT - Hà Nội 5- Cơ sở truyền động tự động BÙI ĐÌNH TIẾU - PHẠM DUY NHI NXBKHKT Hà Nội 1983 6- Tự động hóa với simatic S7-200 Dr Ing : NGUYỄN DOÃN PHƯỚC Dr Ing : PHẠM XUÂN MINH NXB Nông Nghiệp HN - 1997 7- Bộ điều khiển lập trình vận hành và ứng dụng PTS : LÊ HOÀI QUỐC KS : CHUNG TẤN LÂM 8- Electronic in industry Tác giả:George M. c Hute NXB : M.c Graw Hill 1979 PHỤ LỤC BẢNG 1 –1 : CÁC THÔNG SỐ CỦA MỘT SỐ DIODE CÔNG SUẤT KÝ HIỆU LOẠI DIODE Ia (A) UKAmax (V) Dva (V) Iq+ (A) tk (mS) 1N4004 1 400 1,1 1N4007 1 1000 1,1 BY255 3 1300 1,1 BYW77200 30 200 0,85 500 RA20048 4800 200 49000 16 BẢNG 1-2. GIÁ TRỊ CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MỘT SỐ TRANSISTOR CÔNG SUẤT LOẠI TRANSISTOR UCE (V) ECEbh (V) ICmax (A) Ic (A) IB (A) PT (W) Ton (ms) Toff (ms) BUX46NPN 450 1,5 6 2,5 0,5 85 1 3,8 BUX85NPN 450 1 2 1 0,2 40 BDY55NPN 60 2,5 15 10 3,3 117 0,5 2 BUX47ANPN 450 1,5 9 5 1 125 1 3,8 BUX98NPN 450 1,5 30 16 3,2 250 1 3,8 ESM 4014NPN 450 1,5 150 90 18 1200 1,5 5 BẢNG 1-3. THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MỘT SỐ LOẠI THYRISTOR LOẠI THYRISTOR Iahd (A) Ibtb (A) Ungmax (V) Dua (V) IGT (mA) Tk (ms) TYN806 8 3,8 600 1,6 15 TBW48-800 50 32 800 1,8 60 TN933-14 1900 1210 1400 1,35 200 20 BT 153 6 4 500 40 15 TF 91514 (Z) 1560 955 1400 1,75 200 30 BẢNG 1-4. THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MỘT SỐ LOẠI TRI AC LOẠI TRIAC uađm (V) Iađm (A) IGT (mA) IN (mA) Dua (V) BTA06400 400 6 5 15 1,65 IGAL610 1000 60 100 60 2 IAG250-600 600 10 50 50 BẢNG 1-5 TOÁN HẠNG VÀ GIỚI HẠN CHO PHÉP CỦA CPU 212 VÀ CPU 214 PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP GIỚI HẠN CHO PHÉP CỦA TOÁN HẠNG CPU212 CPU214 Truy nhập bit (địa chỉ byte chỉ số bit) V I Q M SM T C (0.0 đến 1023.7) đến 7.7) (0.0 đến 7.7) đến 15.7) (0.0 đến 45.7) (0 đến 63) (0 đến 63) V I Q M SM T C (0.0 đến 4095.7) đến 77) đến 77) đến 31.7) đến 85.7) (0 đến 127) (0 đến 127) (0 đến 127) Truy nhập byte VB IB MB SMB AC Hằng số (0 đến 1023) (0 đến 7) (0 đến 15) (0 đến 45) (0 đến 3) VB IB MB SMB AC Hằng số (0 đến 4095) (0 đến 7) (0 đến 31) (0 đến 85) (0 đến 3) Truy nhập từ đơn (địa chỉ byte cao) VW T C IW QW MW SMW AC AIW AQW Hằng số (0 đến 1022) (0 đến 63) (0 đến 63) (0 đến 6) (0 đến 6) (0 đến 14) (0 đến 44) (0 đến 3) (0 đến 30) (0 đến 30) VW T C IW QW MW SMW AC AIW AQW Hằng số (0 đến 4094) (0 đến 127) (0 đến 127) (0 đến 6) (0 đến 6) (0 đến 30) (0 đ