CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 1.1 Tổng quan về động cơ điện một chiều: SVTH: Trương Công Thạch 13 Lớp : KTĐ-K43A ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN THÁI BẢO 1.1 Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều: Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ điện một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng. Mặc dù động cơ xoay chiều có tính ưu việt hơn như cấu tạo đơn giản, công suất lớn…Nhưng động cơ điện xoay chiều không thể thay thế hoàn toàn động cơ điện một chiều. Đặc biệt là trong các ngành công nghiệp, giao thông vận tải, các thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng như máy cán thép, máy công cụ lớn. Vì động cơ điện một chiều có những ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn và khả năng quá tải.
Bên cạnh đó động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất định như giá thành đắt, chế tạo và bảo quản phức tạp. Nhưng do những ưu điểm của nó nên nó vẫn có một tầm quan trọng nhất định trong sản xuất. Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ vào khoảng 75% - 85%, ở động cơ có công suất trung bình và lớn vào khoảng 85% - 94%. Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vào khoảng 10000KW.
Điện áp vào khoảng vài trăm đến 1000V. Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng vật liệu, nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn.2 Cấu tạo của động cơ điện một chiều: Hình 1.1: Mặt cắt dọc động cơ điện.1 Phần tĩnh (Phần cảm hay stator) a) Cực từ chính: Được làm bằng thép kỹ thuật dạng thép khối hoặc tấm, xung quanh có dây quấn cực từ chính gọi là kích từ. Nó thường được nối với nguồn một chiều, nhiệm vụ là tạo ra từ thông trong máy. SVTH: Trương Công Thạch 14 Lớp : KTĐ-K43A ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN THÁI BẢO b) Cực từ phụ: Được đặt xen giữa các cực từ chính, xung quanh cực từ chính, xung quanh cực từ phụ có dây quấn cực từ phụ.
Dây quấn cực từ phụ đấu nối tiếp với dây quấn roto. Nhiệm vụ của cực từ phụ là triệt tiêu từ trường phần ứng. Trên vùng trung tính hình học để hạn chế xuất hiện tia lửa điện trên chổi than và cổ góp. c) Vỏ máy (Gông từ) Ngoài nhiệm vụ thông thường là bảo vệ máy, vỏ máy động cơ điện một chiều còn tham gia dẫn từ, vì vậy nó phải được làm bằng thép dẫn từ.2 Phần quay (Phần ứng hay roto) a) Lõi thép roto Dùng để dẫn từ, thường được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0.5mm phủ một lớp cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên.
Trên lá thép có dập rãnh để quấn dây. b) Dây quấn phần ứng Là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có sơn cách điện. c) Cổ góp Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều.
Gồm nhiều phiến đồng ghép cách điện với nhau, bề mặt cổ góp được gia công với độ bóng thích hợp để đảm bảo tiếp xúc tốt giữa chổi than và cổ góp khi quay.3 Hệ thống chổi than – vành góp Dùng để đưa điện áp một chiều vào cuộn 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 nữa có cực tính âm).3 Nguyên lý làm việc Nguyên lí 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: Trong đó: B: Là từ cảm (T) i: Là dòng điện (A) l: Là chiều dài hiệu dụng thanh dẫn (m) Fđt: Là lực điện từ (N), có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái. SVTH: Trương Công Thạch 15 Lớp : KTĐ-K43A ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN THÁI BẢO Để hiểu rõ nguyên lí hoạt động của động cơ điện 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.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 Iư chạy qua. Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ tạo ra các lực Fđt ngược chiều nhau, tác dụng làm cho roto quay (hình 1.
Khi phần ứng quay được nữa 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. 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. Trong quá trình hoạt động, cần duy trì từ thông kích từ lớn hơn một giá trị tối thiểu cho phép.
Đối với động cơ dùng nam châm vĩnh cửu thì cần đảm bảo cường độ từ trường đủ lớn.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: SVTH: Trương Công Thạch 16 Lớp : KTĐ-K43A ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN THÁI BẢO Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập Để thành lập phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ phương trình cân bằng điện áp của động cơ: (1) Trong đó: : điện áp phần ứng (V) : Sức điện động phần ứng (V) : Điện trở của mạch phần ứng : Điện trở phụ trong mạch phần ứng : Dòng điện mạch phần ứng Với : Điện trở cuộn dây phần ứng : Điện trở cuộn cực từ phụ : Điện trở cuộn bù : Điện trở tiếp xúc của chổi than Sức điện động của phần ứng động cơ xác định theo biểu thức Trong đó: p: Số đôi cực từ chính N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng SVTH: Trương Công Thạch 17 Lớp : KTĐ-K43A ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN THÁI BẢO Φ: Từ thông kích từ dưới một cực từ ω: Tốc độ góc, rad/s : Hệ số cấu tạo của động cơ Từ phương trình (1) Chia hai vế cho (2) : Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều. Mặc khác momen điện từ của động cơ điện được xác định bởi: Thế vào (2) Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì momen cơ trên trục động cơ bằng momen điện từ, ta kí hiệu là M nghĩa là. Đây là phương trình đặc tính cơ. (3) Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông thì phương trình đặc tính cơ điện (2) và phương trình đặc tính cơ (3) là tuyến tính, có đồ thị như hình vẽ: a b Hình 1.4: Đặc tính cơ điện (a), đặc tính cơ (b) của động cơ.
Theo các đồ thị trên, khi Iư=0 hoặc M=0 ta có: SVTH: Trương Công Thạch 18 Lớp : KTĐ-K43A ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN THÁI BẢO : Tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. Khi ω=0: và Trong đó: : Dòng điện ngắn mạch : Momen ngắn mạch : Độ sụt tốc độ 1.5 Ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính cơ Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ, ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ của động cơ là: .1 Ảnh hưởng của điện trở phần ứng Giả thuyết. Muốn thay đổi giá trị điện trở mạch phẩn ứng ta nối thêm một điện trở phụ vào mạch phần ứng. Vậy phương trình đặc tính cơ lúc này sẽ là: Ta thấy rằng khi thay đổi giá trị điện trở thì tốc độ sẽ thay đổi theo.
Ta xét đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi mắc thêm vào mạch điện phần ứng như sau: SVTH: Trương Công Thạch 19 Lớp : KTĐ-K43A ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN THÁI BẢO Hình 1.5: Đặc tính cơ khi mắc thêm Ta có: Trong đó: : Là tốc độ không tải, =const : độ sụt tốc độ. Theo đường đặc tính ta có: Ta giả thiết là những hằng số. Do vậy nên momen M cũng là hằng số. Mặt khác vì nên ta có Độ cứng của đặc tính cơ tự nhiên: ; ; Vậy nên Vậy ứng một phụ tải nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch cũng giảm.
Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.2 Ảnh hưởng của từ thông Giả thiết và. Muốn thay đổi từ thông thì ta phải thay đổi dòng điện kích từ. Ta có phương trình đặc tính cơ như sau: SVTH: Trương Công Thạch 20 Lớp : KTĐ-K43A ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN THÁI BẢO Trong đó: : tốc độ không tải lý tưởng. Ta có đặc tính của động cơ khi thay đổi từ thông mạch kích từ như sau: Hình 1.6: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ khi giảm từ thông mạch kích từ Theo đưởng đặc tính cơ ta có: Độ cứng của đặc tính cơ: Do cấu trúc của máy điện nhất định nên cuộn dây kích từ chỉ chịu được dòng kích từ định mức, do vây trong thực tế chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh giảm từ thông ( ).
Khi ta giảm từ thông thì lúc đó tốc độ không tải sẽ tăng lên. Đặc tính điều chỉnh theo có độ cứng càng giảm xuống nếu như ta càng giảm Nghĩa là tốc độ sẽ tăng vọt còn momen thì giảm nhanh, làm cho hệ số quá tải giảm. Vì vậy làm cho động cơ làm việc kém ổn định. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm từ thông phù hợp với những tải có momen cản là hằng số ( ).
Vì Do vậy khi từ thông giảm thì làm cho tăng lên gây phát nóng động cơ. Giải điều chỉnh của phương SVTH: Trương Công Thạch 21 Lớp : KTĐ-K43A ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Th.S NGUYỄN THÁI BẢO pháp này cũng bị hạn chế bởi tốc độ cao nhất của động cơ, khi tốc độ cao quá thì có thể làm hỏng phần quay của động cơ do lực li tâm lớn.