BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI :
ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ BỘ ĐIỀU
KHIỂN LẬP TRÌNH PLC TRONG
ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

GVHD : Th.S NGUYỄN TRỌNG THẮNG
SVThực Hiện :NGUYỄN MẠNH LA
MSSinh viên : 97202438
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 02-2001
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
 
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN KHÍ HÓA VÀ CUNG CẤP ĐIỆN
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên : NGUYỄN MẠNH LA
Lớp : 97 N ĐKC
Chuyên ngành : Điện Khí Hóa và Cung Cấp Điện
1) Tên đề tài : ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH
PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Số liệu ban đầu
2) Nội dung các phần thuyết minh toán
I- Giới thiệu về linh kiện điện tử công suất
II- Ứng dụng điện tử công suất điều khiển tốc độ động cơ điện
III- Giới thiệu PLC và ứng dụng trong điều khiển động cơ điện một chiều.
IV- Khảo sát nguyên lý hoạt động của một số mạch cụ thể về điều khiển động cơ

E- OP – AMP..................................................................................................26
CHƯƠNG III : GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
A- CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU .......31
I- Khái quát chung..............................................................................................31
II- Chỉ tiêu chất lượng của truyền động điện......................................................32
III- Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách điều chỉnh điện trở mạch
phần ứng ..........................................................................................................35
IV- Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách điều chỉnh xung điện trở
mạch động lực..................................................................................................36
V- Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách điều chỉnh kích từ của động
cơ......................................................................................................................37
B- CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐIỆN MỘT CHIỀU
ỨNG DỤNG ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT............................................................................39
I- Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng hệ thống chỉnh lưu bán
dẫn........................................................................................................39
II- Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng bộ băm xung áp dùng
thyristor................................................................................................46
III- Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều bằng bộ biến đổi van từ- động
cơ..........................................................................................................52
IV- Điều khiển tốc độ động cơ điện bằng mạch chỉnh lưu cần 3 pha hỗn hợp
không đối xứng ...................................................................................54
CHƯƠNG IV : GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC VÀ ỨNG DỤNG
CỦA PLC TRONG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ ĐIỆN
A- GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC ........................................................57
I- Cấu trúc phần cứng của CPU..............................................................57
II- Cấu trúc bộ nhớ...................................................................................59
III- Cấu trúc chương trình..........................................................................61

BẢNG IV – 3 : CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA THYRISTOR
BẢNG IV – 4 : THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA MỘT SỐ LOẠI TRIAC
BẢNG IV – 5 : TOÁN HẠNG VÀ GIỚI HẠN CHO PHÉP CỦA CPU 214
BẢNG IV – 6 : CÁC LỆNH SO SÁNH
BẢNG IV – 7 : TẠO KHOẢNG THỜI GIAN TRỄ 300MS BẰNG BA LOẠI TIMER KHÁC
NHAU
LỜI NÓI ĐẦU
Trong công cuộc công nghiệp hóa, tự động hóa các xí nghiệp công nghiệp vấn đề ứng
dụng các linh kiện điện tử công suất và ứng dụng bộ lập trình điều khiển PLC vào trong điều
khiển công nghiệp ngày càng được ứng dụng rộng rãi.
Điều chỉnh tốc độ động cơ điện là một vấn đề rất cần thiết đối với các máy công nghiệp
như máy xúc, máy nâng vận chuyển, máy dệt… Hiện nay kỹ thuật điện tủ ngày càng phát triển
nên việc điều chỉnh động cơ điện và ổn định tốc độ động cơ ngày càng dễ dàng và chất lượng
điều chỉnh của hệ thống ngày càng cao. Đồ án tốt nghiệp này chủ yếu tập trung vào các vấn đề.
I- Tìm hiểu và giới thiệu các linh kiện điện tử công suất.
II- Một số ứng dụng điện tử công suất trong điều khiển động cơ điện một chiều
III- Giới thiệu bộ điều khiển lập trình PLC , ứng dụng bộ điều khiển lập trình trong
điều khiển động cơ
IV- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của một số mạch điều khiển động cơ điện một
chiều trong thực tế
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 02 năm 2001
Sinh viên thực hiện
NGUYỄN MẠNH LA
Chương I :
DẪN NHẬP
I- ĐẶT VẤN ĐỀ
II- GIỚI HẠN VẤN ĐỀ
III- MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
IV- THỂ THỨC NGHIÊN CỨU
V- PHÂN TÍCH CÔNG TRÌNH LIÊN HỆ

điện một chiều.
IV/ THỂ THỨC NGHIÊN CỨU :
Để việc nghiên cứu có hiệu quả cao, có tính khoa học.
Đồ án được chia làm 3 giai đoạn trong thời gian 8 tuần như sau :
1) Giai đoạn 1 : 1 tuần
- Tìm hiểu đề tài và soạn đề cương
2) Giai đoạn 2 : 3 tuần
- Thu thập tài liệu dữ kiện
3) Giai đoạn 3 : 4 tuần
- Viết đồ án
Chương 2 :
CƠ SỞ LÝ LUẬN
GIỚI THIỆU MỘT SỐ LINH KIỆN BÁN DẪN CÔNG SUẤT.
A- DIODE CÔNG SUẤT
B- TRANSISTOR CÔNG SUẤT
C- THYRISTOR
D- TRIAC
E- OP AMP
A/ DIOD CÔNG SUẤT:
1) Cấu tạo Diode
Diode công suất hình thành từ hai chất bán dẫn P và N ghép lại với nhau tạo lớp chuyển
tiết P-N
- Các điện tự do trong bán dẫn N sẽ liên kết với các lỗ trống tự do của chất bán dẫn
P. Do đó lớp N sẽ mang điện tích dương được nối với điện cực catot (K) còn lớp
P mang điện tích âm được nối với điện cực anot (A) lớp chuyển tiếp P – N có
hàng rào điện thế vào khoảng 0,6÷ 0,7v khi có dòng điện định mức.
Khi ta đặt một điện áp ngược lại các điện tử tự do và lỗ trống sẽ bị đẩy ra xa lớp chuyển
tiếp, kết quả chỉ có dòng rò vài mA chạy qua chuyển tiếp P-N coi như không đáng kể như vậy
Diode có tính dẫn dòng điện theo một chiều
Diode công suất được cấu tạo như hình 1-1

0
C
U
AK
: điện áp ngoài đặt vào Diode trong trường hợp này I và U
AK
là dòng điện và điện áp
thuận Diode trong trường hợp này gọi là Diode phân cực thuận






−






=−= 1
11522
AKsngKT
u
T
EXPIIII
a)
Hình 1-2 : Đặc tính của Diode
b. Khi Diode được đặt một điện áp U

eII
Hình 1-3
Điện áp rơi
Điện áp đánh thủng
Dòng rò
V
D
T= nhiệt độ tuyệt đối (
0
K)
K= hằng số boltz man k=1,38 , k= 1,38 10
-23
J/
0
K
+ Khi phân cực ngược
I
D
≈ I
s
(I
s
: 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 (I

V
1
= V
m
Sinωt
V
2
= V
m
(Sinωt - 2π/3)
V
3
= V
m
(Sinωt - 4π/3)
Hình 1 –6
c. Mạch nhân đôi điện áp
V2
V1
V2
C1
C2
DIODE
DIODE
Hình 1-7
d. Mạch chỉnh lưu cầu
V2
V1
Hình 1-8
4.2: Dùng bảo vệ transistor

Lớp giữa được gọi là cực gốc (base) ký hiệu là B một lớp bên gọi là cực phát (emitter)
ký hiệu là E
Còn lớp khác gọi là lớp góp (collector) ký hiệu là C lớp phát (E) có cường độ tạp chất
lớn nhất, lớp gốc (B) có nồng độ tạp chất bé nhất. Để phân biệt với các loại transistor PNP và
NPN còn được gọi là Transistor lưỡng nối viết BJT (Bipolar Juntion Transistor).
2. Nguyên lý hoạt động :
Trong điện tử công suất người ta dùng phổ biến nhất loại NPN. Transistor công suất
được dùng để đóng ngắt dòng điện một chiều cường độ tương đối lớn vì vậy chúng chỉ làm việc
ở hai trạng thái đóng và trạng thái mở.
Để Transistor làm việc người ta phải đưa điện áp một chiều tới các cực B của Transistor
gọi là phân cực cho Transistor
Ta xét sơ đồ mạch như hình 2-3
Hình 2 - 3
Trong sơ đồ trên ta có thể xem dòng điện gốc I
B
là dòng điều khiển, dòng điện cực góp I
c
là dòng động lực
N
P
N
I
B
=I
Bbh
3
I
C
I
Cmax

EC
>0 lớp ghép J
E
được phân cực thuận tiếp giáp J
c
được phân cực
ngược. Do đó các điện tử tự do dễ dàng chuyển dịch qua J
E
từ E sang B đến mặt tiếp giáp J
c
đến
dãy điện tử gia tốc bởi điện trường ngược E
CB
và dễ dàng đi qua J
c
đến C. Dòng điện tử
này tạo nên dòng điện cực góp I
c
. 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 E
B
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 I
E
thì ta có:
I
E
= I
C
+ I

và I
C
là đường thẳng ∆c trên đồ thị (hình 2-3b).
Các điểm cắt của ∆
c
với các đường cong (1) ; (2) ; (3) chính là điểm làm việc của
Transistor.
Khi dòng điện I
B
càng tăng thì điểm làm việc càng gần đến điểm uốn
Khi I
B
tăng đến giá trị nào đó thì điểm làm việc trùng với điểm uốn và I
c
không tăng lên
nữa ta nói I
c
đạt đến giá trị bão hòa I
cbh
Điểm cắt M của đường cong 1) và đường ∆c tương ứng với I
C
= 0 được gọi là điểm
khóa còn điểm N tương ứng với I
B
= I
Bbh
được gọi là điểm mở bão hòa
Khi transistor làm việc ở điểm M
Thì I
B

I
C
(A)
100ms
10ms
1ms
100µS
10µS
Hình 2 - 4
Vì thời gian chuyển mạch của Transistor từ 1÷ 2 µS 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 I
B
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
P
ts
= V
CE
. I
C
3. Cách thức điều khiển transistor
Gọi I
C
là dòng collector chịu được điện áp bão hòa V
CESat
khi transistor dẫn dòng bão hòa

I
C
= I I
D
= 0
Khi cho xung áp âm tác động vào cực gốc (base) của transistor dòng I
C
giảm xuống đến
0 trong khoảng thời gian t
f
. Vậy cho nên
I = I
C
+ I
D
= const
Khi giảm I
c
thì I
D
tăng lên ngang D
1
sẽ làm ngắn mạch tải năng lượng tiêu tán bên trong
Transistor sẽ là.
2
fI
T
t.u
W =
Chính vì vậy ta phải mắc thêm mạch trợ giúp mở cho Transistor

=
V
CE
I
t
Vcc
D1
R1
1
T
D2
R2
C
D1
R1
C
D2
R2
a
V
CC
V
C
t
i
1
t
i
D
I

2t
f
≤ t
c
≤ 5t
f
b. Mạch trợ giúp đóng transistor
Khi transistor từ trạng thái mở sang trạng thái đóng mạch trợ giúp đóng cửa transistor
gồm các phần tử cuộn cảm (L), diode (D
3
), điện trở (R
3
) có chức năng hạn chế sự tăng vọt của
dòng I
C
trong khoảng thời gian đóng (T
on
) của transistor.
T
on
: là thời gian cần thiết để V
CE
từ điện áp nguồn V
CC
giảm xuống
V
CE
≈0
Sơ đồ như hình 2 – 6
+

< 5t
on
Điện trở R
3
có tác dụng hạn chế dòng do sức điện động tự cảm trong cuộn cảm (L) tạo ra
trong mạch L
1
; D
3
; R
3
trong khoảng thời gian t
c
chuyển sang trạng thái mở của transistor. Như
vậy t
c
phải thỏa mãn điều kiện
C
I
dt
d
Vc
=
C
CE
t
u
C
dt
dv

r
Ta có :
D
5
: tạo mạch đối với xung áp dương đặt vào cực gốc base
D
6
: hạn chế dòng điều khiển cho cực gốc (base)
D
4
: là chống bão hòa
4. Ứng dụng của transistor công suất
- Mạch khuyếch đại
VCC
Va
V
NPN
RC
Hình 2-7
- Trong thực tế transistor công suất thường được làm việc ở chế độ khóa
- Khi dòng ở cực gốc bằng không dòng điện cực góp bằng không transistor 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
NPN
a b
Hình 2 - 8
5. Các thông số kỹ thuật cơ bản của transistor
a- Độ khuyếch đại dòng điện
β

I
c
V
ce
β
β
max
I
c
Hình 2 -9
b- Điện thế giới hạn
Điện thế đáng thủng BV (breakdown Voltage) là điện thế ngược tối đa vào giữa các cặp
cực
c- Dòng điện giới hạn
Dòng điện qua transistor phải được giới hạn ở mức cho phép nếu quá trị số thị transistor
bị hư
I
Cmax
: là dòng điện tối đa ở cực collector. ()
I
Bmax
: là dòng điện đối đa ở cực base (gốc)
d- Công suất giới hạn
Khi có dòng điện qua transistor sẽ sinh ra một công suất nhiệt làm nóng transistor
Công suất sinh ra được tính theo công thức
P
t
= I
c
– V

J
3
G
Hình 3 - 1
a- Sơ đồ cấu trúc bên trong
b- Ký hiệu
c- Các loại thyristor
2. Nguyên lý làm việc
Để nghiên cứu sự làm việc của thyristor ta xét trường hợp
a- Thyristor phân cực ngược
Hình 3 -2
Trong trường hợp này cực dương của nguồn E nối với catốt, cực âm của nguồn E nối với
anot thyristor phân cực ngược. Do đó nối tiếp giáp J
2
chịu toàn bộ điện áp nguồn E đặt vào J
2
điện trường ngược E
c
. Điện trường ngược này ngăn cản sự chuyển dịch J
2
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 E
C
này gia tốc cho các hạt mang điện thiểu số (điện tử) đi qua
J
2
. Do đó nguồn E tăng đến trị số u
cđ
nào đó khoảng từ 100-3000v, tùy loại thyristor. Khi nào

GK
là điện áp thuận đối với J
3
vì nồng độ điện tử tự
do rất lớn ở lớp catot N
3
cho nên số lượng lớn điện tử chuyển dịch từ N
2
sang P
2
Khi U
GK
và I
G
càng lớn thì số điện tự do đi qua J
2
càng nhiều hàng rào điện thế trên J
2
càng giảm và điện áp E cần thiết để gây ra hiện tượng dẫn điện ào ạt ở mặt ghép J
2
càng bé.
p
J
2
J
3
E
A
P
2

U
cd
i
a
I
G
=0
E
E
A
B
C
D
Dòng áp ngược
Khi I
a
lớn hơn trị số I
L
nào đó (tương ứng với số điện tử tự do đủ để hiện tượng dẫn điện
ào ạt lan rộng ra khắp mặt J
2
). Thì nếu tắt dòng điện điều khiển I
G
hoặc điện áp u
GK
thyristor vẫn
tiếp tục mở trị số I
L
được gọi là dòng điện anot khởi động
Thông thường I

2
được phục hồi tính khóa và thyristor khóa lại
Trong thực tế I
H
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 I
a
= f E, I
G
≠ 0
Hình 3 - 4
Hình 2- 2. Đặc tính volt ampe của thyristor ở trạng tháng mở ⇒ từ hai trạng thái phân
cực thuận phân cực ngược của thyristor ta có
- Mở bằng điện áp thuận
Hình 3 - 5
Hình 3 - 5 mở thyristor bằng điện áp thuận
- Mở bằng dòng điện điều khiển I
G

- Khi 0< E ≤ U
cd
Tại số I
a
có U
GK
cần thiết để mở thyristor phụ thuộc vào E, nhiệt độ thyristor và loại
thyristor
E
U
ct

trong thyristor trong quá trình chuyển từ trạng thái
khóa sang trạng thái mở. Khi xem gần đúng E và I
a
biến thiên một cách đường thẳng theo thời gian (xem
hình 3-7) với độ dốc a=1/t
r
T
r
: thời gian tăng dòng cực anốt và chọn t
1
làm thời điểm gốc thì trong khoảng thời gian t
1
÷ t
2
Ta có :
E = u
0
(1-at)
I
a_
= I
a max
.a.t
Công suất chuyển mạch tức thời là
P
c
= E.I
a
= u
0



−=−−==
tr
rr
a
tr
acc
taat
IudttaatIudtPW
0
322
0
22
0
0
32
max)(max
6
max0
tr
Iuw
aC
=
)/(.
6
1
max0
swfIufWP
aCC