Phƣơng pháp này đòi hỏi phải dùng một nguồn điện độc lập có thể điều chỉnh điện áp đƣợc để cung cấp cho phần ứng của động cơ điện một chiều (thƣờng dùng bộ chỉnh lƣu có điều khiển), trong khi đó mạch kích từ phải đƣợc đặt dƣới điện áp của một nguồn khác sao cho U = Uđm.
Đây là phƣơng pháp thƣờng dùng hơn cả trong việc mở máy các động cơ điện công suất lớn để ngoài ra còn kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.
2.7.3 Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Đặc tính cơ biểu thị quan hệ giữa tốc độ quay và momen n = f(M).
1) Phương trình đặc tính cơ
Đặc tính cơ n = f(M) của động cơ điện một chiều có thể suy ra từ các biểu thức về s.đ.đ
n = E
Ceϕ =
U−IưRư
Ceϕ (2-47)
Vì M = CMIƣnên biểu thức có thể viết dƣới dạng:
n = U
Ceϕ− RưM
CeCMΦ2 (2-48)
Trong truyền động điện, một vấn đề tƣơng đối quan trọng đƣợc đặt ra là phải phối hợp tốt các đặc tính cơ của động cơ điện và đặc tính cơ của tải hoặc của máy công tác. Tùy theo tính chất của truyền động có thể có những yêu cầu khác nhau đối với động cơ điện, thí dụ tốc độ không thay đổi hoặc thay đổi nhiều khi momen cản thay đổi.
Sự phối hợp đặc tính cơ của động cơ điện và của tải còn phải sao cho luôn đảm bảo đƣợc tính ổn định công tác trong chế độ làm việc xác lập cũng nhƣ quá trình quá độ. Để nghiên cứu điều kiện làm việc ổn định của hệ truyền động điện, ta xét đặc tính
của hình 2.60a ta thấy xảy ra sự tăng tốc ngẫu nhiên nào đó (n = nlv + n) thì Mc > M
và động cơ điện bị hãm lại để trở về tốc độ ban đầu nlv, ứng với điểm P.
Hình 2. 60 Đặc tính xét chế độ làm việc
a-Chế độ làm việc ổn định, b- Chế độ làm việc không ổn định
Cũng nhƣ vậy, khi xảy ra sự giảm tốc độ đột nhiên Mc < M, động cơ điện đƣợc gia tốc và đạt tốc độ nlv. Đây là trƣờng hợp động cơ điện làm việc ổn định và từ hình vẽ đó ta thấy điều kiện làm việc ổn định của động cơ điện nhƣ sau:
𝑑𝑀 𝑑𝑛 <
𝑑𝑀𝑐
𝑑𝑛 (2-49)
Ngƣợc lại, trƣờng hợp hình 2.60b thì việc tăng tốc độ đột nhiên sẽ khiến cho động cơ điện có momen gia tốc dƣơng làm cho tốc độ tiếp tốc độ tiếp tục tăng mãi, hoặc sự giảm tốc độ sẽ đƣa lại hậu quả làm cho tốc độ tiếp tục giảm. Nhƣ vậy là truyền động làm việc không ổn định ứng với điều kiện:
𝑑𝑀 𝑑𝑛 >
𝑑𝑀𝑐
𝑑𝑛 (2-50)
Từ biểu thức (2-48) ta thấy việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có thể thực hiện đƣợc bằng cách thay đổi các đại lƣợng , Rƣ và U.
Phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi đƣợc áp dụng tƣơng đối phổ biến, có thể thay đổi tốc độ đƣợc liên tục và kinh tế. Trong quá trình điều chỉnh hiệu suất không đổi vì sự điều chỉnh dựa trên việc tác dụng lên mạch kích từ có công suất rất nhỏ so với công suất động cơ điện. Cần chú ý rằng, bình thƣờng động cơ điện làm việc ở chế độ định mức với kích từ tối đa ( = max) nên chỉ có thể điều chỉnh theo chiều hƣớng giảm từ thông , tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức và giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi điều kiện cơ khí và đổi chiều của máy.
Phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng Rƣchỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dƣới tốc độ quay định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lƣợng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện. Vì vậy phƣơng pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện công suất nhỏ và trên thực tế thƣờng dùng ở động cơ điện trong cần trục.
Phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi điện áp cũng chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dƣới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp hơn điện áp định mức của động cơ điện. Phƣơng pháp này không gây thêm tổn hao trong động cơ điện, nhƣng đồi hỏi phải có nguồn riêng điều chỉnh đƣợc điện áp.
2) Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
a) Động cơ điện một chiều kích từ song song hoặc độc lập
Với điều kiện U = const, Ikt = const khi momen hay dòng điện phần ứng thay đổi, từ thông của động cơ điện hầu nhƣ không đổi, vì thực ra ảnh hƣởng làm giảm bớt từ thông của phản ứng ngang trục của phần ứng rất nhỏ cho nên biểu thức (2-48)
có thể viết dƣới dạng:
n = n0−RưM
k (2-51)
Và đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập/song song là một đƣờng thẳng nhƣ hình 2.61. Đƣờng đặc tính có đó ứng với trƣờng hợp trên mạch phần ứng không có điện trở phụ và đƣợc gọi là đƣờng đặc tính cơ tự nhiên.
Do Rƣ rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ không đến định mức, tốc độ giảm rất ít (khoảng 2 8% tốc độ định mức) cho nên đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện kích từ độc lập/song song rất cứng (độ dốc nhỏ). Với đặc tính cơ nhƣ vậy, động cơ điện kích từ độc lập/song song đƣợc dùng trong trƣờng hợp hầu nhƣ không đổi khi tải thay đổi (máy cắt kim loại,...).
Hình 2. 61 Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích thích song song
n Δn
n0
0 M
+ Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Nếu tăng điện trở rđc trên mạch kích từ ứng với các trị số khác nhau của điện trở kích từ ta có các đặc tính cơ tƣơng ứng nhƣ trình bày trên hình 2.62. Các
đƣờng đó có n0 > n0đm và có độ nghiêng khác nhau và sẽ giao với trục hoành tại điểm ứng với dòng điện rất lớn Iƣ = U/Rƣ theo điều kiện n = 0. Đƣờng thấp nhất trên hình ứng với từ thông đm.
Giao điểm của đƣờng momen cản của tải Mc = f(n) với các đƣờng trên cho biết tốc độ xác lập tƣơng ứng với các trị số khác nhau của từ thông. Do
điều kiện đổi chiều, các động cơ điện thông dụng hiện nay có thể điều chỉnh tốc độ quay bằng phƣơng pháp này trong giới hạn 1:2. Cũng có thể sản xuất những động cơ điện giới hạn điều chỉnh 1:5 thậm chí 1:8 nhƣng phải dùng những phƣơng pháp khống chế đặc biệt, do đó cấu tạo và công nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên.
+ Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng
Nếu nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng thì biểu thức (2-48) trở thành:
n = n0 −(Rƣ+Rf)M
k (2-52)
Họ đặc tính cơ ứng với các trị số khác nhau của Rf trình bày trên hình, trong đó ứng với Rf = 0 là đặc tính cơ tự nhiên. Ta thấy rằng Rf càng lớn đặc tính cơ sẽ có độ dốc càng cao và do đó càng mềm hơn, nghĩa là tốc độ sẽ thay đổi nhiều khi tải thay đổi
(hình 2.63).
Cũng nhƣ trên, giao điểm của những đƣờng đó với đƣờng Mc = f(n) cho biết trị số tốc độ xác lập khi điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ Rf.
Hình 2. 62 Đặc tính cơ của ĐCMC khi thay đổitừ thông
Iƣđm 0 n n0'’’ n'’0 n'0 Mđm M(Iƣ) n0đm Φđm Φ’ Φ’’Φ’’’
Hình 2. 63 Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phần ứng Rf1 < Rf2< Rf3 + Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp
Phƣơng pháp này chỉ áp dụng với động cơ điện một chiều kích từ song song làm việc ở chế độ kích từ độc lập. Việc cung cấp điện áp có thể điều chỉnh đƣợc cho
động cơ điện từ một nguồn độc lập đƣợc thực hiện trong kỹ thuật bằng cách ghép thành tổ máy phát –động cơ hoặc dùng bộ chỉnh lƣu có điều khiển.
Hình 2. 64 Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp phần ứng U4> U1 >U2 >U3
Khi thay đổi U ta có một họ đặc tính cơ có cùng một độ dốc: đƣờng 1 ứng với
Uđm, đƣờng 2, 3 ứng với Uđm > U2 > U3 và đƣờng 4 ứng với U > Uđm (hình 2.64). Nói chung vì không cho phép vƣợt quá điện áp định mức nên việc điều chỉnh tốc độ trên tốc độ định mức không đƣợc áp dụng hoặc chỉ đƣợc thực hiện trong một phạm vi rất hẹp. Đặc điểm của phƣơng pháp này là lúc điều chỉnh tốc độ, momen không đổi vì và Iƣ đều không đổi. Sở dĩ không đổi là vì khi giảm U, tốc độ n giảm làm E cũng giảm nên: Iƣ =U−E Rƣ ≈ const 0 n n0 M(Iƣdm) M(Iƣ) Rf3 Rf1 Rf =0 Rf2 0 n n04 n01 n02 M(Iƣđm) ) M(Iƣ) n03 U3 U2 U4 U1 = Uđm
Ngày nay, tổ máy phát –động cơ thƣờng đƣợc dùng trong các máy cắt kim loại và máy cán thép lớn để đƣa tốc độ động cơ với hiệu suất coa trong giới hạn rộng 1:10
hoặc hơn nữa.
Phƣơng pháp thay đổi điện áp để mở máy và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập còn có thể thực hiện đƣợc nhờ các bộ biến đổi tiristo nối theo sơ đồ nguyên lý hình 2.65. Hai bộ biến đổi A, B đƣợc nối song song ngƣợc, trong đó bộ biếnđổi B đƣợc dùng khi cần thay đổi dấu của điện áp Uc để động cơ điện đổi chiều quay.
Trƣờng hợp không cần đổi chiều quay thì chỉ cần một bộ biến đổi.
Điện áp một chiều Uc đặt vào phần ứng động cơ điện có quan hệ với điện áp xoay chiều U theo biểu thức:
Uc = Ucocos;
Trong đó: Uco = 1,35U; 0 < < 900.
Khi mở máy cần điều chỉnh góc mở lớn để có Uc nhỏ, đủ để khắc phục điện áp rơi trên điện trở phần ứng và hạn chế dòng điện mở máy sau đó giảm dần để tăng tốc độ của động cơ điện đến giá trị mong muốn. Để điều chỉnh tốc độ quay cần thay đổi các giá trị của để có các giá trị Uc và đặc tính cơ khác nhau nhƣ trên hình 2.64.
b) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, dòng điện kích từ chính là dòng điện phần ứng It = Iƣ= I. Vì vậy trong một phạm vi khá rộng có thể biểu thị: = kI,
Trong đó hệ số tỷ lệ kchỉ là hằng số trong vùng I < 0,8Iđm, còn khi I > (0,8 0,9)Iđm
thì hơi giảm xuống do ảnh hƣởng bão hòa của mạch từ. Nhƣ vậy biểu thức momen có dạng:
U
Bộ biến đổi B Bộ biến đổi A
UC
M = CMΦIƣ = CM
Φ2
kΦ (2-53)
Kết hợp với biểu thức momen ta có:
n = CMU
Ce kΦ M− Rư
Cekϕ (2-54)
Nếu bỏ qua Rƣ thì
𝑛 ≡ 𝑀𝑈 hay: 𝑀 ≡ 𝐶𝑛22 (2-55)
Nhƣ vậy khi mạch từ chƣa bão hòa đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có dạng đƣờng hypecbol bậc hai nhƣ trên hình 2.66 (đƣờng 1).
Ta thấy rằng ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, tốc độ quay n giảm rất nhanh khi M tăng và khi mất tải (I = 0; M =0) có trị số rất lớn. Vì vậy không đƣợc cho loại động cơ điện này làm việc ở những điều kiện có thể xảy ra mất tải nhƣ dùng đai truyền, vì khi xảy đứt hoặc trƣợt đai truyền tốc độ quay tăng rất cao. Thông thƣờng chỉ cho phép động cơ điện làm việc với tải tối thiểu P2 = (0,2 0,25).
Trên thực tế do ảnh hƣởng của bão hòa khi tải tăng, tốc độ của động cơ điện giảm ít hơn theo đƣờng nét đứt trên hình 2.66.
Với đặc tính cơ rất mềm nhƣ vậy, động cơ điện kích từ nối tiếp rất ƣu việt trong những nơi cần điều kiện mở máy nặng nề và cần tốc độ thay đổi trong một vùng rộng, nhƣ ở các đầu máy kéo tải (xe điện, đầu máy điện, cần trục...)
+ Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi từ thông
Từ thông của động cơ điện kích từ nối tiếp có thể thay đổi bằng những biện pháp sau: mắc sun dây quấn kích từ bằng một điện trở;
thay đổi số vòng dây của dây quấn kích từ, mắc sun vào dây quấn phần ứng theo các sơ đồ trình bày trên hình 2.67. Hai biện pháp đầu ( 2.67a và 2.67b) dẫn đến cùng một kết quả. Nếu dòng điện kích từ lúc đầu là Ikt = I thì dòng điện kích từ sau khi áp dùng các biện pháp trên sẽ giảm xuống Ikt = kI, trong đó nếu mắc sun Rst dây quấn kích từ, hệ số giảm:
𝑘= 𝑅𝑠𝑡
𝑅𝑡+𝑅𝑠𝑡 < 1 (2-56)
Hoặc
𝑘 =𝑤𝑡′
𝑤𝑡 < 1 (2-57)
nếu thay đổi số vòng dây của dây quấn kích từ.
Các phƣơng pháp trên chỉ điều chỉnh đƣợc < đm và tốc độ sẽ thay đổi đƣợc trong vùng trên định mức và đƣờng đặc tính sẽ nằm về phía trên của đặc tính cơ tự nhiên.
Hình 2. 67 Các sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐCMC kích từ nối tiếp
a- Mắc sun dây quấn kích từ; b- thay đổi sốvòng dây của dây quấn kích từ; c- mắc sun phần ứng
Nếu dùng biện pháp thứ ba, mắc sun phần ứng, thì điện trở tổng của toàn mạch sẽ bé đi, dòng điện I = Ikt và từ thông tăng lên và tốc độ quay giảm xuống. Nhƣ vậy
phƣơng pháp này chỉ điều chỉnh đƣợc tốc độ dƣới vùng định mức và đƣờng đặc tính cơ tƣơng ứng nằm phía dƣới của đƣờng đặc tính cơ tự nhiên. Vì Rkt rất bé nên Rs.ƣhầu nhƣ đƣợc đặt dƣới toàn bộ điện áp của mạng cho nên hao tổn rất lớn và hiệu suất của động cơ điện giảm đi nhiều. Mặt khác hiệu quả của điều chỉnh tốc độ bằng cách tăng từ thông còn bị hạn chế bởi sự bão hòa của mạch từ nên phƣơng pháp này rất ít đƣợc áp dụng.
+ Điều chỉnh tốc độ bằng thêm điện trở vào mạch phần ứng
Hình 2. 68 Mắc điện trở phụ phần ứng điều chỉnh tốc độ ĐCMC kích từ nối tiếp
+ - W’t U b) Wt Rkt Rst U a) Rkt + - + U - c) Rsƣ Iƣ Iƣ Iƣ + - U Rđc KT Iƣ
Sơ đồ trên hình 2.68 chỉ điều chỉnh đƣợc tốc độ dƣới tốc độ định mức và kèm theo tổn hao trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ điện, nên cũng ít ứng dụng. Đặc tính cơ ứng với trƣờng hợp này đƣợc trình bày trên hình 2.66 (đƣờng 4, 5). + Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp
Phƣơng pháp này chỉ điều chỉnh đƣợc tốc độ dƣới tốc độ định mức vì không cho phép tăng điện áp quá định mức nhƣng giữ lại đƣợc hiệu suất cao do không gây thêm tổn hao khi điều chỉnh. Ngƣời ta có thể thay đổi liên tục điện áp một chiều đặt vào động cơ điện nhờ bộ băm điện áp một chiều có sơ đồ nguyên lý hình 2.69.
Ở hình 2.69, T1 là tiristo dẫn dòng điện tải, T2 là tiristo phụ, chỉ làm nhiệm vụ tắt (nhiệm vụ chuyển mạch) cho tiristo chính. Tại thời điểm t = 0, kích T1, T1 dẫn, dòng qua nó gồm dòng điện qua động cơ im, và dòng điện phóng của tụ C qua L, D1, T1. Đây là mạch cộng hƣởng LC không có tổn hao khi ta xem các linh kiện là lý tƣởng. Dòng điện phóng của C có dạng hình sin còn điện áp trên C có dạng hình cos.
Khi điện áp trên C đảo cực tính, diode D1 không dẫn, và nhƣ vậy tụ C đã chuẩn bị đƣợc điện tích có dấu thích hợp để khóa T1 khi T2 đƣợc kích. Khi kích T2, T2 dẫn và
T1 khóa, C đƣợc nạp đến giá trị nguồn Us, dòng qua nó về 0 và T2 tự ngắt. Đồng thời năng lƣợng tích ở động cơ xả qua diode D2. Tụ C đã có năng lƣợng cho chu kỳ làm