Tổng quan về động cơ điện một chiều

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1. Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều (ĐCĐMC) - Trong đời sống con người, ĐCĐMC được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực như : + Các bộ phận khởi động của ôtô, xe máy, máy kéo… + Các hệ truyền động có công suất nhỏ như quạt điện, máy xay sinh tố, động cơ bơm nước… + Lĩnh vực nghiên cứu, giảng dạy…. - Trong công nghiệp, ĐCĐMC có vai trò quan trọng, được ứng dụng trong các máy cắt kim loại, các máy công cụ, trong giao thông vận tải hay các thiết bị cầu trục, trong máy ép, máy bơm, máy nghiền, máy cán…. Ưu điểm của động cơ điện một chiều - ĐCĐMC có phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng : Vì ĐCĐMC có thể điều chỉnh tốc độ thông qua việc thay đổi I ư, U ư, nên tốc độ động cơ có thể được chỉnh tốc trong miền dưới và trên tốc độ định mức. - Chất lượng điều chỉnh tốc tốt, dễ điều chỉnh tốc độ : Do ĐCĐMC có đường đặc tính cơ dạng tuyến tính ( ) nên dễ dàng điều khiển tốc độ. Đặc biệt là với ĐCĐMC kích từ độc lập có phần kích từ và phần ứng là riêng biệt nên càng dễ cho việc điều khiển. - Chất lượng điều chỉnh tốc độ tốt : vì bộ biến đổi của ĐCĐMC có khả năng tạo ra sai số tốc độ nhỏ, độ trơn điều chỉnh mịn, dải điều chỉnh rộng… - ĐCĐMC có dòng mở máy và momen mở máy nhỏ, có khả năng quá tải về momen với I ưmở = ; Imở = (1.52)Idm ; M = K..I ư - Công suất của phía kích từ động cơ kích từ độc lập nhỏ hơn công suất phần ứng động cơ. Chính vì vậy nó vẫn được sử dụng trong các dây truyền cán… Ngoài những ưu điểm đó ĐCĐMC còn có cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn so với các loại động cơ khác. Chính vì vậy ĐCĐMC được sử dụng rất phổ biến trong các nghành công nghiệp yêu cầu momen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ chính xác, bằng phẳng, phạm vi điều chỉnh rộng như nghành cán thép, hầm mỏ … Nhược điểm của động cơ điện một chiều - Cần nguồn một chiều - Bảo quản cổ góp phức tạp - Dễ sinh tia lửa điện - Giá thành cao… Mặc dù có nhiều nhược điểm như trên , nhưng ĐCĐMC vẫn có vai trò quan trọng trong việc sản xuất, phát triển công nghiệp và được sử dụng phổ biến trong cuộc sống… Kết luận ĐCĐMC còn còn có nhiều nhược điểm, song không vì thế mà ĐCĐMC kém ưu thế hơn so với các loại động cơ khác, nó vẫn được sử dụng phổ biến, ngày càng được cải tiến, khắc phục những nhược điểm vốn có và nâng cao hiệu suất của động cơ… 1.2. Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều 1.2.1. Cấu tạo của ĐCĐMC ĐCĐMC gồm có: - Phần cảm (stato) - Phần ứng (Roto) - Hệ thống chổi than, vành góp Stato: Là phần đứng yên của máy, gồm các phần chính sau : - Cực từ chính - Cực từ phụ - Gông từ - Các bộ phận khác + Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường, gồm : - Lõi sắt làm bằng lá thép kĩ thuật điện ( thép cacbon) dày từ 0.5-1 mm, được ép và tán chặt lại. - Dây quấn kích từ : quấn bằng dây đồng có bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều bọc cách điện kĩ thành một khối, đựơc tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên cực từ. + Cực từ phụ: Đặt giữa các cực từ chính với tác dụng cải thiện đổi chiều, gồm : - Lõi thép : làm bằng thép khối - Dây quấn : làm bằng đồng, có bọc cách điện, mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện tạo thành khối và được tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên cực từ phụ. + Gông từ: Gông từ được dùng làm mạch từ nối liền các cực từ chính đồng thời làm vở máy. + Các bộ phận khác bao gồm : - Nắp máy có tác dụng bảo vệ máy và đảm bảo an toàn trong vận hành - Cơ cấu chổi than: Đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài, nó gồm chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ lò xo tỳ chặt lên cổ góp. Roto: Là phần quay của động cơ, bao gồm: - Lõi sắt phần ứng - Dây quấn phần ứng - Cổ góp - Các bộ phận khác + Lõi sắt phần ứng: Có tác dụng dẫn từ, và được làm từ lá thép kĩ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0.5mm đựơc phủ cách điện mỏng ở 2 mặt rồi ép chặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy. + Dây quấn phần ứng: Có tác dụng sinh ra một sức điện động và có dòng điện chạy qua. Nó được làm bằng dây đồng có bọc cách điện, được quấn cách điện cẩn thận với rãnh lõi thép. + Cổ góp : Cổ góp còn gọi là vành góp hay vành đảo chiều, Dùng để đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. + Các bộ phận khác bao gồm : - Cánh quạt : Dùng để quạt gió làm nguội máy - Trục máy : Là bộ phận trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt, ổ bi… Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt. Hệ thống chổi than – vành góp: Dùng để đưa điện áp một chiều vào cuôn dây phần ứng và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ ( một nửa có cực tính dương, một nửa có cực tính âm). 1.2.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều dựa trên định luật lực điện từ : Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường, thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng có trị số là: Fdt = B.i.l Trong đó: B là từ cảm (T) i là dòng điện (A) l là chiều dài hiệu dụng thanh dẫn (m) Fdt là lực điện từ (N), có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái Hình 1.1. Mô phỏng định luật lực điện từ - Khi cung cấp điện cho động cơ, điện áp U của nguồn điện sẽ gây ra dòng điện I trong thanh dẫn. Dưới tác dụng của từ trường sẽ có lực điện từ Fdt = B.i.l tác dụng lên thanh dẫn làm thanh dẫn chuyển động với tốc độ v có chiều như hình vẽ 1.1. - Lúc này công suất điện đưa vào động cơ : Pd = u.i = e.i =B.i.l.v ; Nên Pd = Fdt.v Ta thấy công suất điện đưa vào động cơ đã được biến thành công suất cơ Pcơ = Fdt.v trên trục động cơ, làm cho thanh dẫn chuyển động với vận tốc v. - Ở động cơ điện một chiều, khi ta đặt một điện áp lên dây quấn kích từ Uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ ik và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Theo định luật mạch từ ( ) thì mạch từ đã tạo ra từ trường. - Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động của động cơ một chiều, ta giả sử động cơ điện một chiều được mô phỏng một cách đơn giản qua việc làm quay khung dẫn abcd theo một chiều duy nhất. Hình 1.2. Mô hình đơn giản của động cơ điện một chiều + Nếu ta đặt điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B thì trong dây quấn phần ứng sẽ có một dòng điện I ư chạy qua. Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường (từ trường tạo bởi phần kích từ của động cơ), sẽ tạo ra các lực Fdt ngựơc chiều nhau, tác dụng làm cho roto quay ( hình 1.2 a) (Chiều lực xác định theo quy tắc bàn tay trái ) + Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau, tuy nhiên do có phiến góp đổi chiều dòng điện nên chiều lực từ tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi (hình 1.2 b). Và cứ như vậy , ta thấy năng lượng điện đã biến thành năng lượng cơ làm cho động cơ quay theo một chiều duy nhất. Lưu ý: Trước khi mở máy động cơ ta phải điều chỉnh biến trở kích từ để từ thông đạt giá trị lớn nhất max. Trong quá trình hoạt động, cần duy trì từ thông kích từ lớn hơn một giá trị tối thiểu cho phép >min . Đối với động cơ dùng nam châm vĩnh cửu thì cần đảm bảo cường độ từ trường đủ lớn và đều. 1.2.3. Phân loại động cơ điện một chiều Dựa vào phương pháp kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành các loại sau: + Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng của máy ( hình 1.3a) + Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng ( hình 1.3b) + Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng ( Hình 1.3c) + Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm 2 dây quấn kích từ, dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp, trong đó dây quấn kích từ song song thường là chủ yếu (Hình 1.3d) Hình 1.3. Phân loại động cơ điện một chiều theo kích từ Chú ý: - Trên thực tế , đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập và song song là giống nhau. Nhưng khi động cơ cần có công suất lớn, người ta thường dùng động cơ điện kích từ độc lập. Vì ĐCĐ kích từ độc lập có phần kích từ riêng biệt, nên tổn hao công suất phía kích từ là nhỏ, dễ điều chỉnh dòng kích từ do vậy có thể thay đổi tốc độ động cơ một cách dễ dàng. - Khi nguồn điện áp ( U ) cung cấp cho động cơ là vô cùng lớn thì ta có thể mắc song song cuộn kích từ với động cơ. Lúc này động cơ kích song song sẽ tương đương với động cơ kích từ từ độc lập . Vì ở Động cơ điện kích từ song song thì : I = I ư + Ikt ( Như ở hình vẽ 1.3b). Khi U lớn thì I cũng lớn, I ư lớn nên Ikt sẽ nhỏ, dễ điều chỉnh và tạo ra tổn hao công suất là nhỏ. - Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu có thể coi như ĐCĐMC kích từ độc lập có từ thông không đổi. Loại động cơ này rất thích hợp cho những động cơ có công suất nhỏ và có yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng đặt lên hai đầu động cơ. 1.2.4. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều Vì trong mô hình thực ta dùng động cơ điện một chiều kích từ nam châm vĩnh cửu là động cơ có công suất không lớn, điều chỉnh tốc độ ở vùng tốc độ thấp nên em chỉ nghiên cứu đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập. Các phương trình của động cơ điện một chiều Như ta đã biết, động cơ điện một chiều kích từ độc lập có cấu tạo làm hai phần riêng biệt: + Phần cảm bố trí ở phần tĩnh có các cuộn dây kích từ sinh ra từ thông + Phần ứng : hay phần quay nối với điện áp lưới qua vành góp và chổi than Tác động giữa từ thông và dòng điện phần ứng I ư tạo nên momen quay của động cơ. Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt qua từ thông tạo ra sức điện động E ư . Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý (a) và sơ đồ thay thế (b) của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Từ sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập ( hình 1.4b), ta có: - Phương trình cân bằng áp: U ư = E ư + I ư.(R ư + Rf) (1-1) Trong đó E ư Sức điện động phần ứng, đơn vị V U ư Điện áp phần ứng, đơn vị V R ư Điện trở của mạch phần ứng, đơn vị Rf Điện trở phụ trong mạch phần ứng , - Sức điện động phần ứng : E ư = ke..n (1-2) Hoặc E ư = k.. (1-3) Trong đó: ke,k Hệ số cấu tạo của động cơ ke = ; k = P Số đôi cực từ chính N số thanh dẫn tác dụng trong mạch phần ứng, dưới một mặt cực từ 2a Số nhánh song song Từ thông kích từ dưới một cực từ, Wb Tốc độ góc của động cơ, rad/s n Tốc độ động cơ, vòng/phút Việc chứng minh công thức 1-2; 1-3 qua các công thức cơ bản phía dưới: E ư=.e Với e = Btb.l.v ; v = ; ; - Công suất điện từ của động cơ điện một chiều: Pdt=E ư.I ư Hay Pdt=.I ư - Momen điện từ: Mdt= với nên Mdt= I ư . Hoặc Mdt = k .I ư. (1- 4) - Từ 1-1; 1-3, ta có phương trình đặc tính cơ: (1-5) - Từ 1-4 và 1-5, ta có phương trình đặc tính cơ điện: (1-6) Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập - Đặc tính cơ của động cơ điện là mối quan hệ giữa tốc độ quay và momen của động cơ n = f(M) hoặc = f(M) - Để đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ () và được tính theo công thức : = + Khi lớn, ta có đặc tính cơ cứng + Khi nhỏ, ta có đặc tính cơ mềm + Khi , ta có đặc tính cơ tuyệt đối cứng - Đối với động cơ điện kích từ độc lập và song song thì phương trình đặc tính cơ có dạng: Hay - Các tham số ảnh hưởng tới đặc tính cơ: + Điện áp phần ứng + Điện trở phần ứng + Từ thông M (N.m) 2 (rad/s) M đm 0 1 3 Hình 1.5. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Đường 1: Đặc tính cơ tuyệt dối cứng ( β ) Đường 2 : đặc tính cơ cứng (β lớn) Đường 3: đặc tính cơ mềm (β nhỏ) - Khi các tham số điện áp phần ứng, điện trở phần ứng, từ thông kích từ là hằng số thì phương trình đặc tính cơ có dạng bậc nhất: = a – b.M - Khi các tham số U ư ,I ư , R ư là tham số định mức và Rf = 0 thì đường đặc tính cơ sẽ là tự nhiên. - Khi các tham số U ư ,I ư , R ư , Rf thay đổi thì ta thu được đường đặc tính cơ nhân tạo. - Ta có thể biểu diễn phương trình đặc tính cơ dưới dạng: = 0 + Trong đó: 0 Là tốc độ không tải lý tưởng 0 = Là độ sụt tốc độ = Với: , được gọi là điện trở cơ bản Kết hợp với (1-5) và (1-6) ta được đặc tính cơ, cơ điện ở đơn vị tương đối: và