CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 1. Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập Giới thiệu về động cơ điện một chiều Là loại máy điện quay sử dụng điện một chiều. Động cơ điện một chiều là thiết bị biến đổi điện năng thành cơ năng. Máy điện một chiều làm việc ở chế độ động cơ khi E < U, lúc đó dòng điện Iư ngược chiều với E.
Động cơ một chiều được dùng phổ biến trong công nghiệp, trong ngành giao thông vận tải và những nơi có yêu cầu điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng. Trong phân tích các hệ thống truyền động, thường biết trước các đặc tính cơ Mc(ω) của máy sản xuất. Đạt được trạng thái làm việc với những thông số yêu cầu tốc độ, mômen, dòng điện động cơ,. cần phải tạo ra những đặc tính cơ nhân tạo của động cơ tương ứng.
Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi các số liệu định mức và được sử dụng như loạt số liệu cho trước. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng thuận M = f(ω) hay dạng ngược ω = f(M). Cấu tạo của động cơ điện một chiều 1. Phần tĩnh (Stator) Hình 1.1: Cấu tạo stator máy điện một chiều 9 Báo cáo đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Th.Phan Thị Thanh Vân Gồm các bộ phận chính sau: -Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường, gồm lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ.2: Cực từ chính +Lõi sắt cực từ làm bằng thép kĩ thuật điện dày (0,5-1) mm ép lại và tán chặt.
+Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện. Trong các máy công suất nhỏ, cực từ chính là một nam châm vĩnh cửu. +Trong các máy công suất trung bình và lớn, cực từ chính là nam châm điện. -Cực từ phụ: đặt giữa cực từ chính và dùng để cải thiện điều kiện làm việc của máy điện và đổi chiều.
+Lõi thép cực từ phụ có thể là một khối hoặc có thể được ghép bởi các lá thép tùy theo chế độ làm việc. +Gông từ (vỏ máy): dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy. Phần quay (rotor) Hình 1.3: Cấu tạo rotor máy điện một chiều 10 Báo cáo đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Th.Phan Thị Thanh Vân Gồm các bộ phận chính sau: -Lõi thép phần ứng: dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kĩ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây lên. Rãnh để đặt dây quấn.4: Lõi thép phần ứng +Trong máy điện nhỏ, lõi thép phần ứng được ép trực tiếp vào trục.
Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá roto. -Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. -Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều.
Thường được làm bởi nhiều phiến đồng mỏng được cách điện với nhau bằng những tấm mica dày 0,4mm đến 1,2 mm. +) Các bộ phận khác: -Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy. -Trục máy: Trên đó đặt lõi thép phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy thường được làm bằng thép cacbon tốt.
Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều Hình 1.5: Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 11 Báo cáo đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Th.Phan Thị Thanh Vân Nếu ta cho dòng điện một chiều đi vào chổi than thì do dòng điện chỉ đi vào thanh dẫn dưới cực N và đi ra ở các thanh dẫn nằm dưới cực S nên dưới tác dụng của từ trường sẽ sinh ra momen có chiều không đổi làm cho quay máy. Chiều của lực điện từ được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Các thông số định mức Chế độ làm việc định mức của máy điện một chiều là chế độ làm việc trong những điều kiện mà xưởng chế tạo đã quy định. Chế độ đó đươc đặc trưng bằng những đại lượng ghi trên nhãn máy và gọi là những đại lượng định mức.
Trên nhãn máy thường ghi những đại lượng sau: Công suất định mức: Pđm (kW) Điện áp định mức: Uđm (V) Dòng điện định mức: Iđm (A) Tốc độ định mức: nđm (vòng/phút) Hiệu suất định mức: 𝜂 đm 1. Phân loại động cơ điện một chiều Có thể phân loại động cơ điện một chiều thành các loại sau: +Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: có cuộn kích từ được cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho mạch phần ứng. +Động cơ điện một chiều kích từ song song: có cuộn kích từ mắc nối song song với cuộn dây phần ứng. +Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng.
+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 là chủ yếu. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập - Nguồn cấp cho phần ứng và kích từ độc lập nhau. - Khi nguồn có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì có thể mắc kích từ song song với phần ứng, lúc đó động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ song song. Ở đây động cơ kích từ song song được coi như kích từ độc lập nên ta coi hai động cơ này như nhau.
12 Báo cáo đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Th.Phan Thị Thanh Vân - Ở động cơ điện một chiều kích từ độc lập, cuộn kích từ khởi động từ được cấp điện từ một nguồn điện tách biệt với nguồn điện cấp cho cuộn ứng. Ở động cơ điện một chiều kích từ song song thì cuộn kích từ và cuộn ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn. Trường hợp này mà nguồn điện có công suất lớn hơn nhiều so với công suất động cơ thì tính chất động cơ sẽ tương tự động cơ kích từ độc lập.6: Sơ đồ nối dây động cơ Hình 1.6a: Sơ đồ nối dây động cơ kích từ độc lập Hình 1.6b: Sơ đồ nối dây động cơ kích từ song song - Phương trình cân bằng điện áp: Uư = Eư + (Rư + Rf).22)) Trong đó: Uư: Điện áp phần ứng Eư: Sức điện động phần ứng động cơ Được xác định theo công thức: Eư = Kω (V) (TLTK [1] (ct1-2, tr.22)) Trong đó: K = hệ cấu tạo của động cơ Với: p: Số đôi cực từ chính N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: Số mạch nhánh đấu song song của cuộn dây phần ứng : Từ thông kích từ dưới một cực từ (Wb) : Tốc độ góc (rad/s) 13 Báo cáo đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Th.Phan Thị Thanh Vân Rư= rư + rcf + rcb + rct: Điện trở phần ứng động cơ (Ω) Trong đó: rư: Điện trở cuộn dây phần ứng rcf: Điện trở cực từ phụ rcb: Điện trở cuộn bù (nếu có) rct: Điện trở tiếp xúc của chổi than trên cổ góp rcf Rf: Điện trở phụ trong mạch phần ứng Iư: Dòng điện mạch phần ứng - Phương trình đặc tính cơ: ư ư ω= −( ⋅ M (rad/s) (TLTK [1] (ct2-7, tr.23)) đ đ ) Momen điện từ của động cơ tỷ lệ với từ thông và dòng điện phần ứng Iư: Mđt = KIư (N.m) - Phương trình đặc tính cơ điện: Từ phương trình chính, công thức tính sức điện động, công thức thể hiện mối quan hệ giữa momen điện từ và dòng điện phần ứng Iư. Ta được phương trình đặc tính cơ điện: ư ư ω= − ⋅ Iư (rad/s) (TLTK [1] (ct2-4, tr.23)) đ đ Phương trình biểu thị quan hệ tốc độ ω là một hàm của momen M được gọi là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Nếu dùng đơn vị tốc độ là vòng/phút thì phương trình đặc tính cơ sẽ trở thành: n = .M ( ) - Tốc độ góc định mức: đm = 2π.M = − ⋅ Iư (rad/s) đ đ ) đ đ 14 Báo cáo đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Th.Phan Thị Thanh Vân - Tốc độ không tải lý tưởng (M=Iư =0): ư ω = (rad/s) - Dòng điện ngắn mạch (ω = 0) : ư Iư =( ) (A) ư - Momen ngắn mạch: M = KϕIư (N.m) - Đường đặc tính cơ và đặc tính cơ điện: Từ các phương trình đặc tính cơ và phương trình đặc tính cơ điện, với giả thiết phần ứng được bù đủ và f = const có thể vẽ được các đặc tính cơ và đặc tính cơ điện là đường thẳng.7: Đường đặc tính Hình 1.7a: Đường đặc tính cơ điện Hình 1.7b: Đường đặc tính cơ 1. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập Ta thấy việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có thể thực hiện bằng cách thay đổi các đại lượng Rư ,Uư, . Điều khiển tốc độ là một trong những nội dung chính của truyền động điện tự động nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ của các máy sản xuất. Để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền động điện thường căn cứ vào một số chỉ tiêu sau: Sai số tốc độ: Sai số tĩnh tốc độ là đại lượng đặc trưng cho độ chính xác duy trì tốc độ đặt và được đánh giá thông qua: 15 Báo cáo đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Th.Phan Thị Thanh Vân S% = × 100 (TLTK [1] (ct3-1, tr.89)) Trong đó: ω là tốc độ đặt ω là tốc độ làm việc thực Mong muốn: sai số ω = ω (S% càng nhỏ càng tốt) Tính liên tục (độ trơn dải điều chỉnh) γ= (TLTK [1] (ct3-2, tr.90)) Trong đó: ω là giá trị tốc độ ổn định đạt được ở cấp độ i ω là giá trị tốc độ ổn định đạt được ở cấp kế tiếp (i+1) Hệ thống điều khiển liên tục: ω ≈ω Hệ thống điều khiển nhảy cấp: ω ≠ω - Mong muốn γ → 1: hệ truyền động có thể làm việc ổn định ở mọi giá trong suốt dải điều chỉnh.
- Dải điều khiển tốc độ (D) là tỉ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mômen tải đã cho: D= (TLTK [1] (ct3-3, tr.90)) Mong muốn D càng lớn càng tốt Ngoài ra còn các chỉ tiêu khác như: chỉ tiêu kinh tế, kích thước.