Có 4 loại động cơ DC thơng dụng, bao gồm: Động cơ DC kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp và kích từ hỗn hợp.
+ Động cơ DC kích từ độc lập: Dịng phần ứng và dịng kích từ có thể
điều khiển độc lập với nhau.
+ Động cơ DC kích từ song song: Phần ứng và cuộn kích từ được đấu với nguồn cung cấp. Vì vậy, với loại động cơ này, dịng phần ứng hoặc dịng kích từ chỉ có thể điều khiển độc lập bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch phần ứng hoặc mạch kích từ. Tuy nhiên, đây là cách điều khiển có iệu suất thấp.
+ Động cơ kích từ nối tiếp: Dịng phần ứng cũng là dịng kích từ, và do đó, từ thơng động cơ là một hàm của dòng phần ứng.
+ Động cơ DC kích từ hỗn hợp: Bao gồm cả kích từ nối tiếp và kích từ song song. Yêu cầu cần đấu dây sao cho sức từ động của cuộn nối tiếp cùng chiều với sức từ động của cuộn song song.
Iư A1 F1 Ikt Iư A1 Ikt
+ + + + + U - - - Ukt U - -
Ketnooi.com vì sự nghiệp giáo dục
Iư A1 F1 S1 S2 Iư S1 S2 A1 + + + + U U - - - - A2 A2 F2 (c) Kích từ nối tiếp (d) Kích từ hỗn hợp Hình 2.1 Các loại động cơ điện một chiều (động cơ DM)
Mạch tương đương ở chế độ tĩnh của động cơ một chiều được trình
bày ở hình 2.2, điện trở Rư biểu thị điện trở phần ứng. Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập hoặc song song, điện trở này là điện trở phần ứng. Đối với động cơ một chiều kích từ nối tiếp hoặc động cơ kích từ hỗn hợp, Rư là tổng điện trở của cuộn phần ứng và cuộn kích từ nối tiếp.
Iư Rư
+
U Uư =KΦω -
Hình 2.2: Mạch tương đương chế độ tĩnh của động cơ DC
Hệ phương trình cơ bản của động cơ một chiều là:
Eư = KΦω (2.1) U =Eư+RưIư (2.2) M =KΦIư (2.3) Trong đó : Rư: Điện trở phần ứng (Ω) Iư : Dòng phần ứng (A) U : Điện áp phần ứng (V)
Ketnooi.com vì sự nghiệp giáo dục
ω : Tốc độ động cơ (rad/s) Φ: Từ thông trên mỗi cực (Wb) M: moment do động cơ sinh ra (Nm) K: Hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ Từ cơng thức (2.1) - (2.3), ta có: ω = Φ K U - Φ K Ru Iu (2.4) Hoặc : ω = Φ K U - (KΦ)2 Ru M (2.5)
Lưu ý: Các cơng thức từ (2.1) đến (2.5) có thể áp dụng cho tất cả các loại động cơ một chiều đã kể trên.
Với động cơ một chiều kích từ độc lập, nếu điện áp kích từ được duy trì khơng đổi, có thể giả thiết rằng từ thơng động cơ khơng đổi khi moment động cơ thay đổi. Khi đó ta có:
KФ = constant (2.6)
Như vậy theo (2.5) đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập là một đường thẳng, như vẽ trên hình 2.3. Tốc độ khơng tải của động cơ xác định bởi điện áp cung cấp U và từ thơng kích từ KΦ. Tốc độ động cơ suy giảm khi moment tải tăng và độ ổn định tốc độ phụ thuộc vào điện trở phần ứng Rư, Với moment lớn, từ thơng có thể suy giảm đến mức độ dốc đặc tính cơ trở nên dẫn đến hoạt động khơng ổn định. Vì vậy, cuộn bù thường hay được sử dụng để làm giảm hiệu ứng khử từ của phản ứng phần ứng. Với động cơ công suất trung bình, độ sụt tốc khi tải định mức so với khi không tải khoảng 50%.
Với động cơ một chiều kích từ, từ thơng Φ là một hàm của dòng phần ứng. Nếu giả thiết động cơ hoạt động trong vùng tuyến tính của đặc tính từ hóa, có thể xem là từ thơng tỷ lệ bậc nhất với dịng phần ứng, nghĩa là :
Ф = KktI (2.7)
Thay (2.7) vào (2.1), (2.4) và (2.5), ta được :
M = KKktI2 (2.8) ω = u ktI KK U - kt u KK R (2.9)
Ketnooi.com vì sự nghiệp giáo dục
ω = kt KK U . M 1 - kt u KK R (2.10)
Lưu ý là Rư lúc này là tổng của điện trở mạch phần ứng và điện trở cuộn kích từ.
Hình 2.3 Đặc tính cơ các loại động cơ DM
Đặc tính cơ động cơ một chiều kích từ nối tiếp được vẽ trên hình 2.3. Có thể thấy rằng tốc độ động cơ suy giảm nhiều theo moment tải. Tuy nhiên trong thựïc tế, các động cơ tiêu chuẩn thường được thiết kế làm việc tại các cánh nhỏ ( knee-point ) của đặc tính từ hóa khi mang tải định mức. Với tải trên định mức, mạïch từ động cơ bão hịa, khi đó từ thơng Ф khơng thay đổi nhiều theo dòng tải Iư dẫn đặc tính cơ tiệm cận với đường thẳng. Động cơ một chiều kích từ nối tiếp thích hợp cho các ứng dụng địi hỏi moment khởi động cao và có thể q tải nặng. Với moment tải tăng, từ thông động cơ cũng tăng theo. Như vậy với cùng một lượng gia tăng của moment như nhau, dòng phần ứng Iư của động cơ một chiều kích từ nối tiếp sẽ tăng ít hơn so với động cơ kích từ độc lập. Do đó, trong điều kiện quá tải nặng, sự quá tải của nguồn cung cấp và sự quá nhiệt của động cơ cũng ít hơn so với động cơ kích từ độc lập.
Theo cơng thức (2.10), tốc độ động cơ kích từ nối tiếp tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của moment. Vì vậy tốc độ động cơ khi khơng tải có thể tăng lên
Ketnooi.com vì sự nghiệp giáo dục
rất cao, chỉ bị hạn chế bởi từ dư của động cơ và có thể gấp hàng chục lần tốc độ định mức. Điều này là không cho phép với máy điện thường chỉ cho phép hoạt động gấp hai lần tốc độ định mức. Do đó, động cơ kích từ nối tiếp khơng được dùng với các ứng dụng trong đó moment tải có thể nhỏ đến mức làm tốc độ động cơ vượt quá mức giới hạn cho phép.
Đặc tính của động cơ một chiều kích từ hỗn hợp có dạng biểu diễn trên hình 2.3. Tốc độ không tải của động cơ phụ thuộc vào dịng kích từ qua cuộn song song, trong khi độ dốc đặc tính cơ phụ thuộc vào sự phối hợp giữa cuộn song song và cuộn nối tiếp. Động cơ kích từ hỗn hợp được sử dụng trong những ứng dụng cần có đặc tính cơ tương tự động cơ kích từ nối tiếp đồng thời hạn chế tốc độ không tải ở một giá trị giới hạn thích hợp. Cũng cần lưu ý các đặc tính cơ đề cập trên hình 2.3 là đặc tính cơ tự nhiên của động cơ, nghĩa là các đặc tính này nhận được khi động cơ hoạt động với điện áp cung cấp và từ thơng định mức, và khơng có điện trở phụ nào trong mạch phần ứng hoặc kích từ.