CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1. Tổng quan về động cơ một chiều: Ngày nay, động cơ điện một chiều được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các nhà máy, xí nghiệp, kể cả trong các hộ gia đình. Động cơ điện một chiều là thiết bị hoạt động với dòng điện một chiều.1: Một số loại DC Motor thường gặp Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần chính: phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor).
Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rotor, làm cho rotor quay. Tùy theo cách mắc cuộn dây rotor và stator mà người ta có các loại động cơ sau: - Động cơ kích từ độc lập: Cuộn dây kích từ (cuộn dây stator) và cuộn dây phần ứng (rotor) mắc riêng rẽ nhau, có thể cấp nguồn riêng biệt. - Động cơ kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây -3- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Nguyễn Văn Tiềm phần ứng.
Đối với loại động cơ kích từ độc lập, nếu thay thế cuộn dây kích từ bởi nam châm vĩnh cửu khi đó ta có loại động cơ điện 1 chiều dùng nam châm vĩnh cửu. Cấu tạo Động cơ điện một chiều gồm có 2 thành phần chính: phần tĩnh (stator) và phần quay (rotor). Ngoài ra còn có: vỏ, trục, ổ bi, cổ góp, chổi điện, quạt tản nhiệt… Hình 1.2: Các thành phần chính của động cơ điện một chiều 1. Stator Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quán phần cảm (dây quấn kích thích).
Số lượng cực từ chính phụ thuộc tốc độ quay. Đối với động cơ công suất nhỏ người ta có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Trong các động cơ công suất lớn, stator là một nam châm điện. Cuộn dây kích từ và lõi thép được gắn vào vỏ động cơ.
-4- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Nguyễn Văn Tiềm Hình 1.3 : Hình dạng thực của Stator Hình 1.4 : Cực từ chính Hình 1.5: Vị trí cực từ chính và phụ trong máy điện một chiều -5- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Nguyễn Văn Tiềm Cực từ chính: có nhiệm vụ tạo ra từ trường chính trong máy. Cực từ chính bao gồm lõi sắt và cuộn dây kích từ.
Lõi cực từ chính được làm từ các lá thép kỹ thuật điện hoặc thép Carbon, chúng được ép chặt với nhau và được gắn vào vỏ máy bằng bulông. Dây quấn kích từ được làm bằng dây đồng có dạng tiết diện tròn hoặc chữ nhật. Dây quấn kích từ được quấn thành cuộn và được phủ cách điện. Các cuộn dây kích từ được mắc nối tiếp nhau sao cho khi có dòng điện chạy qua, chúng tạo thành các cực từ trái dấu xen kẽ nhau.
Cực từ phụ: được làm bằng thép khối và được đặt vào giữa các cực từ chính để nhằm cải thiện quá trình đổi chiều. Dây quấn cực từ phụ tương tự dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ cũng được gắn vào vỏ máy qua bulông. Gông từ: với những động cơ công suất lớn thì gông từ thường được làm bằng thép đúc, riêng các động cơ có công suất vừa và nhỏ thì gông từ thường được làm bằng thép tấm.
Gông từ vừa làm chức năng nối liền các cực từ vừa làm vỏ máy, từ thông móc vòng qua các cuộn dây và khép kín trong mạch từ. Nắp máy: ngoài chức năng bảo vệ và cách ly, nắp máy còn được sử dụng làm giá đỡ ổ bi cho trục động cơ. Cơ cấu chổi than: gồm 2 chổi than làm bằng carbon hay graphit, thỉnh thoảng trộn thêm bột đồng để tăng tính dẫn điện và được đặt trong hộp chổi than. Các chổi than luôn luôn tỳ lên vành góp nhờ lực đẩy của hai lò xo.
Chổi than có nhiệm vụ đưa điện từ bên ngoài vào động cơ. Chú thích: 1. hộp chổi than 3. dây dẫn điện 6.6: Cơ cấu chổi than -6- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.
Rotor Còn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép và dây quấn phần ứng. Lõi thép hình trụ, làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng. Ở các máy điện lớn, lõi thép được chia thành các đoạn nhỏ để tạo khe hở thông gió ngang trục.7: Hình dạng thực của rotor Dây quấn phần ứng sinh ra suất điện động và luôn có dòng điện chạy qua.
Trong các máy điện nhỏ dây quấn có tiết diện tròn, với các máy công suất vừa và lớn thì dây quấn này có tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn phần ứng luôn luôn ở dạng cuộn và được đặt vào trong các rãnh của lõi thép. Mỗi phần tử của dây quấn phần ứng có nhiều vòng dây, hai đầu nối với hai phiến góp. Hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong hai rãnh dưới hai cực khác tên.
Mỗi phần tử chỉ có một vòng, các phần tử được nối thành mạch vòng khép kín. Rotor được lồng vào giữa các cuộn dây kích từ, được đỡ bởi các ổ bi và nắp vỏ và quay giữa các cực của các cuộn dây kích từ. -7- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Nguyễn Văn Tiềm Hình 1.8: Dây quấn phần ứng Hình 1.9: Lá thép phần ứng Cổ góp : còn được gọi là vành góp hay vành đổi chiều.
Gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đầu trục rôto. Các đầu dây của phần tử nối với phiến góp.10: Cổ góp -8- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Nguyễn Văn Tiềm Cánh quạt: dùng để làm mát động cơ. Cánh quạt được lắp trên trục động cơ để hút gió từ bên ngoài qua các khe hở trên nắp máy.
Khi máy làm việc, gió được hút vào để làm mát dây quấn và mạch từ. Trục máy: làm bằng thép cứng, trên trục máy đặt lõi thép phần ứng và cổ góp, hai đầu trục gối lên hai ổ bi ở nắp máy.2 Nguyên lý làm việc: 1. Từ trường cực từ Động cơ điện một chiều có hai phần tử điện là dây quấn kích từ và dây quấn phần ứng. + Dây quấn phần ứng: làm từ dây dẫn điện có các đầu được nối với cổ góp.
Điện áp một chiều được đặt vào các cuộn dây phần ứng thông qua các chổi than tỳ lên cổ góp. Trong các động cơ công suất nhỏ, stator có thể là một nam châm vĩnh cửu. Tuy nhiên, những động cơ công suất lớn sử dụng trong công nghiệp thì stator phải là một nam châm điện. Khi đặt điện áp một chiều Vf vào cuộn dây kích từ, một nam châm điện với các cực bắc-nam được hình thành và sinh ra một từ trường gọi là từ trường cực từ.
Từ trường này là tĩnh (không quay). Để đơn giản hoá trong việc giải thích, stator sẽ được biểu diễn bằng nam châm vĩnh cửu trong hình 1. Khi cho điện áp một chiều Va vào hai chổi điện, trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện một chiều Ia đi qua và sinh ra một từ trường gọi là từ trường phần ứng. Từ trường cực từ và từ trường phần ứng sẽ tương tác với nhau.
Chiều của lực tương tác được xác định bằng qui tắc bàn tay phải. -9- Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Nguyễn Văn Tiềm Hình 1.11: Các phần tử điện 1. Qui tắc bàn tay phải Xoè ngón cái, ngón trỏ và ngón giữa của bàn tay phải vuông góc với nhau, ngón trỏ chỉ theo chiều đường sức của từ trường cực từ, ngón giữa chỉ theo chiều chuyển động của dòng electron trong dây quấn phần ứng, ngón tay cái sẽ chỉ chiều lực tương tác của từ trường cực từ lên các thanh dẫn (cạnh) của dây quấn phần ứng.
Như vậy, có thể thấy trên hình 1.12, thanh dẫn trái của dây quấn phần ứng bị kéo lên trong khi đó thanh dẫn phải lại bị kéo xuống. Rotor sẽ quay theo chiều kim đồng hồ. Cường độ của lực tương tác này phụ thuộc vào trường sức cực từ và cường độ dòng điện chạy trong dây quấn phần ứng.12: Cách xác định chiều quay của Rotor - 10 - Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Sức điện động cảm ứng Khi rotor quay, dây quấn phần ứng cắt qua các đường sức từ của từ trường cực từ và sẽ sinh ra một điện áp cảm ứng (sức điện động cảm ứng) Ea trên dây quấn này, có chiều ngược với Va nên còn được gọi là sức phản điện, và sẽ làm giảm điện áp đặt vào phần ứng.13: Sức điện động cảm ứng Độ lớn của sức phản điện phụ thuộc vào nhiều nhân tố như số vòng quấn trong các cuộn dây, mật độ từ thông và tốc độ quay của rotor.14: Từ trường cảm ứng Theo định luật cảm ứng điện từ trong các thanh dẫn ab và cd cắt các đường sức từ trường sẽ cảm ứng được một suất điện động: e = Blv (v) (1.1) - 11 - Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.
Nguyễn Văn Tiềm Trong đó: B: là từ cảm của nam châm N-S (T) l: là chiều dài của thanh dẫn (m) v: là vận tốc dài của thanh dẫn (m/s) Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp 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 .Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành mômen điện từ. Giá trị của mômen điện từ được tính như sau: Mđt = Error! Iư = KIư (1.2) Trong đó : : số đôi cực của động N: số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ a: số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng. : hệ số kết cấu của máy. Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ điện một chiều ra các loại như sau: 1.
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: phần ứng và phần kích từ được cung cấp bởi hai nguồn riêng rẽ. - 12 - Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Nguyễn Văn Tiềm Hình 1.15: Mạch điện thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: cuộn dây kích thích được mắc nối tiếp với phần ứng.16: Mạch điện thay thế động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.
- 13 - Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. Động cơ điện một chiều kích từ song song: cuộn dây kích thích được mắc song song với phần ứng.17: Mạch điện thay thế động cơ điện một chiều kích từ song song. Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: gồm có hai cuộn dây kích thích, một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, cuộn còn lại mắc song song với phần ứng.18: Mạch điện thay thế động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp.