ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
I. Mở máy động cơ điện một chiều
Để mở máy động cơ điện một chiều được tốt, phải thực hiện được những yêu cầu sau:
+ Mômen mở máy (hay khởi động) Mk phải có trị số cao nhất có thể có để hồn thành q trình mở máy, nghĩa là đạt được tốc độ quy định trong thời gian ngắn nhất.
+ Dòng mở máy (hay khởi động ) Ik phải được hạn chế đến mức nhỏ nhất để tránh cho dây quấn khỏi bị cháy hoặc ảnh hưởng đến đổi chiều.
Trong khuôn khổ những yêu cầu trên, người ta áp dụng 3 phương pháp mở máy sau đây : a. Mở máy trực tiếp (U= Uđm)
b. Mở máy nhờ biến trở
c. Mở máy bằng điện áp thấp (U < Uđm)
Trong tất cả mọi trường hợp, khi mở máy bao giờ cũng phải đảm bảo có max nghĩa là trước khi đóng động cơ vào nguồn điện, biến trở điều chỉnh dịng điện kích thích phải ở vị trí ứng với trị số nhỏ nhất để sau khi đóng cầu dao động cơ được kích thích tới mức tối đa và theo biểu thức (1-6) mơmen ứng với mỗi trị số của dịng điện Iư luôn luôn lớn nhất. Hơn nữa phải đảm bảo không để xảy ra đứt mạch kích thích và trong trường hợp đó 0, M = 0, động cơ khơng quay được, do đó Eư = 0 và theo biểu thức (1-21) dòng điện Iư sẽ rất lớn làm cháy vành góp và dây quấn .
Khi mở máy, chiều quay của động cơ điện một chiều phụ thuộc vào chiều của mômen. Để thay đổi chiều của mơmen có thể dùng 2 phương pháp là : đổi chiều dòng điện trong phần ứng hoặc đổi chiều từ thơng, cụ thể là dịng điện kích thích. Việc đó có thể thực hiện được bằng cách trao đổi cách nối các đầu dây quấn phần ứng hoặc các đầu dây quấn kích thích trước lúc mở máy. Vấn đề đổi chiều quay của động cơ điện lúc đang quay về nguyên tắc cũng có thể thực hiện được bằng cả 2 phương pháp trên.
Tuy nhiên, trên thực tế chỉ được dùng phương pháp đổi chiều dòng điện phần ứng Iư vì dây quấn kích thích có nhiều vịng dây do đó hệ số tự cảm Lt rất lớn và việc thay đổi chiều dịng điện kích thích dẫn đến sự xuất hiện s.đ.đ tự cảm rất cao, gây ra quá điện áp đánh thủng cách điện của dây quấn kích thích .
Sau đây ta xét các phương pháp mở máy động cơ điện một chiều : 1. Mở máy trực tiếp:
Phương pháp này được thực hiện bằng cách đóng thẳng động cơ điện vào nguồn. Như vậy lúc rôto chưa quay s.đ.đ Eư = 0 và dịng điện qua phần ứng bằng :
Iư = ư ư ư R U R E U
Vì trong thực tế Rư* = 0,02 0,1 nên với điện áp định mức U* = 1 dòng điện Iư sẽ rất lớn và bằng (5 10) Iđm cho nên phương pháp mở máy trực tiếp chỉ áp dụng được cho các động cơ điện có cơng suất vài trăm ốt. Ở cỡ máy này Rư tương đối lớn do đó khi mở máy Iư (4 6) Iđm . Trong những trường hợp đặc biệt mới cho phép mở máy trực tiếp đối với những động cơ có cơng suất vài kW .
2. Mở máy nhờ biến trở:
Để tránh nguy hiểm cho động cơ vì dịng điện mở máy quá lớn, người ta dùng biến trở mở máy Rk, gồm có 1 số điện trở nối tiếp khác nhau và đặt trên mạch phần ứng (hình 1-32).
Hình 1-32. Sơ đồ mở máy động cơ điện một chiều kích thích song song bằng biến trở.
Như vậy trong q trình mở máy ta có :
ki ö i ö R R E U I
với “i” là chỉ số ứng với thứ tự các bậc của điện trở .
Biến trở mở máy được tính sao cho dịng điện mở máy Ik = (1,4 1,7)Iđm đối với các động cơ lớn và Ik = (2 2,5)Iđm đối với các động cơ nhỏ. Trước lúc mở máy tiếp điểm T nằm tại vị trí O và con chạy của biến trở ở mạch kích thích ở vị trí b ( rđc = 0). Khi bắt đầu mở máy, gạt T về vị trí 1. Nhờ cung đồng M, dây quấn kích thích được đặt dưới tồn bộ điện áp và từ thơng có trị số cực đại
max
. Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản (M > Mc ) rôto bắt đầu quay và s.đ.đ sẽ tăng tỉ lệ với tốc độ quay n . Do sự xuất hiện và tăng lên của E, dòng điện phần ứng Iư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn (hình 1-33).
Hình 1-33. Các quan hệ I, M và n đối với thời gian khi mở máy động cơ
Khi Iư giảm đến trị số (1,1 1,3)Iđm ta gạt T đến vị trí 2. Vì một bậc điện trở bị loại trừ, Iư lập tức tăng đến giới hạn trên của nó kéo theo M, n, E tăng. Sau đó I, M lại giảm theo quy luật trên. Lần lượt chuyển T đến các vị trí 3, 4, 5. Q trình trên cứ lặp lại cho đến khi máy đạt đến tốc độ n = nđm thì Rk cũng được loại trừ hoàn toàn và động cơ làm việc với toàn bộ điện áp.
Sự biến thiên của M, I, n trong quá trình mở máy trình bày trên hình (1-33) cho thấy mỗi khi loại một bậc điện trở, I và M tăng với hằng số thời gian Tư 0 vì hệ số tự cảm của phần ứng rất bé. Trái lại sự giảm dần của I và M xảy ra chậm chạp vì phụ thuộc vào sự tăng s.đ.đ E hay tốc độ n, nghĩa là phụ thuộc vào hằng số thời gian Tcơ rất lớn của cả khối quay .
34
Số bậc của điện trở mở máy và điện trở của mỗi bậc được thiết kế sao cho dòng điện mở máy cực đại và cực tiểu ở mỗi bậc đều như nhau để đảm bảo cho quá trình mở máy được tốt nhất .
3. Mở máy bằng điện áp thấp (Uk < Uđm)
Phương pháp này đòi hỏi phải dùng 1 nguồn điện độc lập có thể điều chỉnh điện áp được để cung cấp cho phần ứng của động cơ, trong khi đó mạch kích thích phải được đặt dưới điện áp U = Uđm của 1 nguồn khác .
Đây là phương pháp thường dùng hơn cả trong việc mở máy các động cơ điện công suất lớn để ngồi ra cịn kết hợp với việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.
II. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Từ biểu thức E = Cen => n = e ö ö e C R I U C E (1-27) mà M = CM Iư nên ta có : n = 2 M e ö e C C M R C U (1-28)
Từ biểu thức (1-28) ta thấy rằng việc điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều có thể thực hiện được bằng cách thay đổi , Rư và U .
- Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi được áp dụng tương đối phổ biến, có thể thay đổi được tốc độ liên tục và kinh tế. Trong quá trình điều chỉnh hiệu suất = Cte vì sự điều chỉnh dựa trên việc tác dụng lên mạch kích thích có cơng suất rất nhỏ so với công suất động cơ. Chú ý rằng bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mức với kích thích tối đa ( = max ) nên chỉ
có thể điểu chỉnh theo chiều hướng giảm , tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức và giới hạn điều chỉnh tốc độ bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí và đổi chiều của máy .
- Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng Rư chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay trong vùng dưới tốc độ quay định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện. Vì vậy phương pháp này chỉ áp dụng ở động cơ điện có cơng suất nhỏ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện trong cần trục .
- Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp cũng chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ quay dưới tốc độ định mức vì khơng thể nâng cao điện áp hơn điện áp định mức của động cơ điện. Phương pháp này không gây thêm tổn hao trong động cơ điện nhưng địi hỏi phải có nguồn riêng có điện áp điều chỉnh được .
Sau đây ta sẽ xét đặc tính cơ và cách điều chỉnh tốc độ của từng loại động cơ điện: 1. Động cơ điện kích thích song song hoặc kích thích độc lập:
Với những điều kiện U = Cte , It = Cte khi M (hoặc Iư) thay đổi, từ thông của động cơ điện hầu như khơng đổi, vì thực ra ảnh hưởng làm giảm bớt từ thông của phản ứng ngang trục của phần ứng rất nhỏ cho nên biểu thức (1-28) có thể viết dưới dạng :
k M R n n ö o . (1-29)
Và đặc tính cơ của động cơ điện kích thích song song là 1 đường thẳng như hình (1- 34). Đường đặc tính cơ đó ứng với trường hợp trên mạch của phần ứng khơng có điện trở phụ và được gọi là đặc tính cơ tự nhiên .
Hình 1- 34. Đặc tính cơ (và đặc tính tốc độ) tự nhiên của động cơ điện một chiều kích thích song song
Do Rư rất nhỏ nên khi tải thay đổi từ thông đến định mức, tốc độ giảm rất ít (khoảng 2 3% tốc
độ định mức ) cho nên đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện kích thích song song rất cứng. Với đặc tính cơ như vậy, động cơ điện kích thích song song được dùng trong trường hợp tốc độ hầu như không đổi khi tải thay đổi (máy cắt kim loại ...).
a. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông :
Nếu tăng điện trở rđc trên mạch kích thích từ (hình 1-32) ứng với các trị số khác nhau của điện 3 kích thích ta có các đặc tính cơ tương ứng như trên hình (1-35) .
Hình 1-35. Đặc tính cơ (và đặc tính tốc độ) của động cơ điện một chiều kích thích song song với những dịng điện kích thích khác nhau
Các đường đó có no lớn hơn nođm và có độ nghiêng khác nhau , giao nhau trên trục hoành tại điển ứng với dòng điện rất lớn I ư =
ö
R U
theo điều kiện n = 0 của các biểu thức (1-29) hoặc (1-27).
Đường thấp nhất trên hình ứng với từ thơng đm . Giao điểm của đường mômen cản của tải Mc = f(n) với các đường trên cho biết tốc độ xác lập ứng với các trị số khác nhau của từ thông .
36
Do điều kiện đổi chiều, các động cơ thông dụng hiện nay có thể điều chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này trong giới hạn 1 : 2 . Cũng có thể sản xuất những động cơ giới hạn điều chỉnh 1 : 5 thậm chí đến 1 : 8 nhưng phải dùng những phương pháp khống chế đặc biệt. Do đó cấu tạo và công nghệ chế tạo phức tạp khiến cho giá thành của máy tăng lên .
b. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ Rf trên mạch phần ứng: Nếu nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng thì biểu thức (1-29) trở thành :
k M R R n n o ö f . (1-30)
Hình (1- 36) trình bày các đặc tính cơ ứng với các trị số khác nhau của Rf, trong đó ứng với Rf = 0 là đặc tính cơ tự nhiên.
Hình 1-36. Đặc tính cơ (và đặc tính tốc độ) của động cơ điện một chiều kích thích song song ở những điện trở phụ khác nhau
Nếu 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. Cũng như trên, giao điểm của những đường đó với đường Mo = f(n) cho biết trị số tốc độ xác lập khi điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện trở phụ Rf .
c. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp:
Phương pháp này chỉ áp dụng được đối với động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc động cơ điện kích thích song song làm việc ở chế độ kích thích độc lập. Việc cung cấp điện áp có thể điều chỉnh được cho động cơ từ 1 nguồn độc lập được thực hiện trong kĩ thuật bằng cách ghép thành tổ máy phát - động cơ có sơ đồ ngun lý trình bày trên hình 1-37 .
Hình 1-37. Sơ đồ tổ máy phát - động cơ dùng điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp ở động cơ điện một chiều kích thích độc lập.
Khi thay đổi U ta có một họ đặc tính cơ có cùng 1 độ dốc (hình 1-38) : đường 1 ứng với U đm, đường 2, 3 ứng với U đm > U2 > U3 và đường 4 ứng với U4 > U đm .
Hình 1-38. Đặc tính cơ (và đặc tính tốc độ) động cơ điện một chiều kích thích độc lập ở những điện áp trên phần ứng khác nhau.
Nói chung vì khơng cho phép vượt q điện áp định mức nên việc điều chỉnh tốc độ trên tốc độ định mức không được áp dụng hoặc chỉ được thực hiện trong 1 phạm vi hẹp. Đặc điểm của phương pháp này là lúc điều chỉnh tốc độ, mơmen khơng đổi vì và I ư đều không đổi . Sở dĩ I ư không đổi là vì khi giảm U, tốc độ n giảm làm E cũng giảm, nên :
te ö ö C R E U I
Ngày nay, tổ máy phát- động cơ thường dùng trong các máy cắt kim loại và máy cán thép lớn để đưa tốc độ động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng 1:10 hoặc hơn nữa .
2. Động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp:
Ở động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp, dịng điện kích thích chính là dịng điện phần ứng It = I ư = I. Vì vậy trong một phạm vi khá rộng có thể biểu thị :
= kI (1-31)
Trong đó k là hệ số tỉ lệ, là hằng số trong vùng I < 0,8 I đm , khi I > (0,8 0,9)I đm thì hơi giảm xuống do ảnh hưởng bão hồ của mạch từ .
Biểu thức mơmen có dạng : k C I C M M ö M 2 (1-32) Kết hợp với biểu thức (1-28) ta có : k C R M k C U C n e ư e M . . (1-33) Nếu bỏ qua R ư thì : M U n hay 2 2 n C M (1-34)
Như vậy khi mạch từ chưa bão hồ đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp có dạng của đường hypecbơn bậc hai như hình 1-39 (đường 1 ).
38
Hình 1-39. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp ở các trường hợp điều chỉnh tốc độ khác nhau
Ta thấy rằmg ở động cơ điện một chiều kích thích 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. Do đó khơng được cho loại động cơ điện này làm việc ở những điều kiện có thể xảy ra mất tải như dùng đai truyền, vì khi xảy ra đứt hoặc trượt đai truyền tốc độ quay tăng lên rất cao. Thông thường chỉ cho phép động cơ làm việc với tải tối thiểu P2 = (0,2 0,25)P đm .
Trên thực tế do ảnh hưởng của bão hoà khi tải tăng, tốc độ của động cơ giảm ít hơn theo đường nét đứt (hình 1-39) .
Với đặc tính cơ rất mềm như vậy, động cơ đệin kích thích nối tiếp rất ưu việt trong những nơi cần điều kiện mở máy nặng nề và cần tốc độ thay đổi trong 1 vùng rộng như các đầu máy kéo tải (xe điện, đầu máy điện ...) .
a. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Từ thông của động cơ kích thích nối tiếp có thể thay đổi bằng những biện pháp sau đây : mắc sun dây quấn kích thích bằng một điện trở, thay đổi số vòng dây của dây quấn kích thích, mắc sun dây quấn phần ứng, theo các sơ đồ hình (1-40) .
Hình 1- 40. Các sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích thích nội tiếp