Chương 1. TổngquanvềđộngcơđiệnmộtchiềuCHƯƠNG 1 TỔNGQUANVỀĐỘNGCƠĐIỆNMỘTCHIỀU 1.1. Tầm quan trọng của độngcơđiệnmộtchiều (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 độngcó công suất nhỏ như quạt điện, máy xay sinh tố, độngcơ 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 độngcơđiệnmộtchiều - 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, Φ nên tốc độ độngcơcó 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 ( M RR U fu u ).( . 2 ΦΚ + − ΦΚ = ω ) 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 códòng mở máy và momen mở máy nhỏ, có khả năng quá tảivề momen với I ưmở = R u U ; I mở = (1.5 ÷ 2)I dm ; M = K. Φ .I ư - Công suất của phía kích từ độngcơ 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 độngcơ 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 … 1 Chương 1. Tổngquanvềđộngcơđiệnmộtchiều Nhược điểm của độngcơđiệnmộtchiều - Cần nguồn mộtchiều - Bảo quảncổ 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 độngcơ 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 vềđộngcơđiệnmộtchiều 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 đồngcó 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. 2 Chương 1. Tổngquanvềđộngcơđiệnmộtchiều + 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 dòngđiện 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 dòngđiện xoáy. + Dây quấn phần ứng: Có tác dụng sinh ra một sức điệnđộng và códòngđiện chạy qua. Nó được làm bằng dây đồngcó 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 dòngđiện xoay chiều thành dòngđiệnmột 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 mộtchiều vào cuôn dây phần ứng và đổi chiềudòngđiện 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 độngcơđiệnmộtchiều Nguyên lý hoạt động của độngcơđiệnmộtchiều dựa trên định luật lực điện từ : Khi thanh dẫn mang dòngđiện đặt thẳng góc với đường sức từ trường, thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng có trị số là: F dt = B.i.l Trong đó: B là từ cảm (T) i là dòngđiện (A) l là chiều dài hiệu dụng thanh dẫn (m) F dt là lực điện từ (N), cóchiều xác định theo quy tắc bàn tay trái 3 Chương 1. Tổngquanvềđộngcơđiệnmộtchiều 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 dòngđiện I trong thanh dẫn. Dưới tác dụng của từ trường sẽ có lực điện từ F dt = B.i.l tác dụng lên thanh dẫn làm thanh dẫn chuyển động với tốc độ v cóchiều như hình vẽ 1.1. - Lúc này công suất điện đưa vào độngcơ : P d = u.i = e.i =B.i.l.v ; Nên P d = F dt .v Ta thấy công suất điện đưa vào độngcơ đã được biến thành công suất cơ P cơ = F dt .v trên trục động cơ, làm cho thanh dẫn chuyển động với vận tốc v. - Ở độngcơđiệnmột chiều, khi ta đặt mộtđiện áp lên dây quấn kích từ U k nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ i k và do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông Φ. Theo định luật mạch từ ( iWl H j j j n K K k m 11 ∑∑ == = ) thì mạch từ đã tạo ra từ trường. - Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động của độngcơmột chiều, ta giả sử độngcơđiệnmộtchiều được mô phỏng một cách đơn giản qua việc làm quay khung dẫn abcd theo mộtchiều duy nhất. 4 Chương 1. Tổngquanvề động cơđiệnmộtchiều Hình 1.2. Mô hình đơn giản của động cơđiệnmộtchiều + Nếu ta đặt điện áp mộtchiều U vào hai chổi điện A và B thì trong dây quấn phần ứng sẽ cómộtdòngđiện I ư chạy qua. Các thanh dẫn ab, cd códòngđiện nằm trong từ trường (từ trường tạo bởi phần kích từ của động cơ), sẽ tạo ra các lực F dt 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 chiềudòngđiện nên chiều lực từ tác dụng không đổi, đảm bảo độngcơcóchiều quay không đổi (hình 1.2 b). Và cứ như vậy , ta thấy năng lượng điện đã biến thành năng lượng cơ làm cho độngcơ quay theo mộtchiều duy nhất. Lưu ý: - Trước khi mở máy độngcơ ta phải điều chỉnh biến trở kích từ để từ thông Φ đạt giá trị lớn nhất Φ max. - Trong quá trình hoạt động, cần duy trì từ thông kích từ lớn hơn một giá trị tối thiểu cho phép Φ > Φ min . - Đối với độngcơ dùng nam châm vĩnh cửu thì cần đảm bảo cường độ từ trường đủ lớn và đều. 5 Chương 1. Tổngquanvềđộngcơđiệnmộtchiều 1.2.3. Phân loại động cơđiệnmộtchiều Dựa vào phương pháp kích từ, người ta chia động cơđiệnmộtchiều thành các loại sau: + Độngcơđiệnmộtchiều kích từ độc lập: Dòngđiện kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng của máy ( hình 1.3a) + Độngcơđiệnmộtchiều kích từ song song: Dây quấn kích từ nối song song với mạch phần ứng ( hình 1.3b) + Độngcơđiệnmộtchiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng ( Hình 1.3c) + Độngcơđiệnmộtchiều 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 độngcơđiệnmộtchiều theo kích từ Chú ý: - Trên thực tế , đặc tính cơ của độngcơ kích từ độc lập và song song là giống nhau. Nhưng khi độngcơ cần có công suất lớn, người ta thường dùng độngcơđiện 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 độngcơmột cách dễ dàng. - Khi nguồn điện áp ( U ) cung cấp cho độngcơ là vô cùng lớn thì ta có thể mắc song song cuộn kích từ với động cơ. Lúc này độngcơ kích song song sẽ tương đương với độngcơ kích từ từ độc lập . Vì ở Độngcơđiện kích từ song song thì : I = I ư + I kt ( Như ở hình vẽ 1.3b). Khi U lớn thì I cũng lớn, I ư lớn nên I kt sẽ nhỏ, dễ điều chỉnh và tạo ra tổn hao công suất là nhỏ. - Độngcơđiệnmộtchiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu có thể coi như ĐCĐMC kích từ độc lập có từ thông không đổi. Loại độngcơ này rất thích hợp cho những độngcơcó 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. 6 Chương 1. Tổngquanvềđộngcơđiệnmộtchiều 1.2.4. Đặc tính cơ của độngcơđiệnmộtchiều Vì trong mô hình thực ta dùng độngcơđiệnmộtchiều kích từ nam châm vĩnh cửu là độngcơcó công suất không lớn, điều chỉnh tốc độ ở vùng tốc độ thấp nên em chỉ nghiên cứu đặc tính cơ của độngcơ kích từ độc lập. • Các phương trình của độngcơđiệnmộtchiều Như ta đã biết, độngcơđiệnmộtchiều 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 Φ + Phần ứng : hay phần quay nối với điện áp lưới qua vành góp và chổi than Tác động giữa từ thông Φ và dòngđiện phần ứng I ư tạo nên momen quay của động cơ. Khi độngcơ quay các thanh dẫn cắt qua từ thông Φ tạo ra sức điệnđộng E ư . Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý (a) và sơ đồ thay thế (b) của động cơđiệnmộtchiều kích từ độc lập Từ sơ đồ thay thế độngcơđiệnmộtchiều kích từ độc lập ( hình 1.4b), ta có: - Phương trình cân bằng áp:U ư = E ư + I ư .(R ư + R f ) (1-1) Trong đó E ư Sức điệnđộng phần ứng, đơn vị V U ư Điện áp phần ứng, đơn vị V R ư Điện trở của mạch phần ứng, đơn vị Ω R f Điện trở phụ trong mạch phần ứng , Ω - Sức điệnđộng phần ứng : E ư = k e . Φ .n (1-2) Hoặc E ư = k. Φ . ω (1- 3) Trong đó: k e, k Hệ số cấu tạo của độngcơ k e = a pN 60 . ; k = a Np 2 . Π 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 7 Chương 1. Tổngquanvềđộngcơđiệnmộtchiều Φ Từ thông kích từ dưới một cực từ, Wb ω 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 = a N 2 .e Với e = B tb .l.v ; v = 60 nD Π ; p lD B tb 2 . Π = φ ; 60 2 n π ω = - Công suất điện từ của độngcơđiệnmột chiều: P dt =E ư .I ư Hay P dt = Φ n a Np 60 . .I ư - Momen điện từ: M dt = ω P dt với 60 2 n Π = ω nên M dt = a Np 2 . Π I ư . Φ Hoặc M dt = k .I ư . Φ (1- 4) - Từ 1-1; 1-3, ta có phương trình đặc tính cơ: M RR U fu u )( . 2 . ΦΚ + − ΦΚ = ω (1-5) - Từ 1-4 và 1-5, ta có phương trình đặc tính cơ điện: I RR U u fu u . ΦΚ + − ΦΚ = ω (1-6) • Đặc tính cơ của độngcơđiệnmộtchiều kích từ độc lập - Đặc tính cơ của độngcơđiện là mối quan hệ giữa tốc độ quay và momen của độngcơ n = f(M) hoặc ω = f(M) - Để đánh giá và so sánh các đặc tính cơ, người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ ( β ) và được tính theo công thức : β = ω ∆ ∆ M + Khi β lớn, ta có đặc tính cơ cứng + Khi β nhỏ, ta có đặc tính cơ mềm + Khi β ∞→ , ta có đặc tính cơ tuyệt đối cứng - Đối với độngcơđiện kích từ độc lập và song song thì phương trình đặc tính cơcó dạng: M RR U fu u ).( 2 . ΦΚ + − ΦΚ = ω Hay Ι ΦΚ + − ΦΚ = u fu u RR U . ω - Các tham số ảnh hưởng tới đặc tính cơ: + Điện áp phần ứng + Điện trở phần ứng + Từ thông 8 Chương 1. Tổngquanvềđộngcơđiệnmộtchiều Hình 1.5. Đặc tính cơ của độngcơđiệnmộtchiều 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 cơcó dạng bậc nhất: ω = a – b.M - Khi các tham số U ư ,I ư , R ư là tham số định mức và R f = 0 thì đường đặc tính cơ sẽ là tự nhiên. - Khi các tham số U ư ,I ư , R ư , R f thay đổi thì ta thu được đường đặc tính cơ nhân tạo. - Ta có thể biểu diễn phương trình đặc tính cơ dưới dạng: ω = ω 0 + ω ∆ Trong đó: ω 0 Là tốc độ không tải lý tưởng ω 0 = ΦΚ . U ω ∆ Là độ sụt tốc độ ω ∆ = M RR fu ).( 2 ΦΚ + Với: , * đm I I i = đm M M m = * , , * cb R R r = , * đm φ φ ϕ = đm U U u = * đm đm cb I U R = được gọi là điện trở cơ bản Kết hợp với (1-5) và (1-6) ta được đặc tính cơ, cơđiện ở đơn vị tương đối: ω ϕ ϕ = − * * * * * * u r i và ω ϕ ϕ = − * * * * * *2 u r m ω 0 ω dm M (N.m) 2 (rad/s) M đm 0 1 3 9 . Chương 1. 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). theo một chiều duy nhất. 4 Chương 1. Tổng quan về động cơ điện một chiều Hình 1. 2. Mô hình đơn giản của động cơ điện một chiều + Nếu ta đặt điện áp một chiều