Chương 3 ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.6.1. Phân loại động cơ điện một chiều

Dựa vào phương pháp kích từ, phân loại động cơ điện một chiều như đối với máy phát điện một chiều.

a. Động cơ kích từ độc lập.

b. Động cơ kích từ nối tiếp.

c. Động cơ kích từ song song.

1.6.2. Mômen và phương trình đặc tính cơ.

a. Mômen trong động cơ điện một chiều

 + Mômen quay: kí hiệu: M

- Khi đặc điện áp một chiều vào dây quấn phần ứng, trong dây quấn xuất hiện dòng điện phần ứng, dưới tác dụng của từ trường stato trong dây quấn phần ứng xuất hiện lực điện từ tác dụng dẫn đến xuất hiện mômen điện từ làm cho rôto quay. (Đối với động cơ mômen điện từ được gọi là mômen quay)

M=k_M.I_ư.f (N.m)

+ Mômen cản.

- Khi động cơ mang tải xuất hiện lực cản, tác dụng vào trục động cơ, lực cản này cản trở sự chuyển động của rôto do đó trên trục động cơ sẽ xuất hiện mômen cản.

- Mômen cản có chiều ngược với chiều chuyển động của rôto.

- Khi động cơ quay ổn định với một phụ tải xác định lúc đó ta có mômen tải cân bằng với mômen động cơ.

1.6.2. Phương trình đặc tính cơ.

a. Phương trình đặc tính cơ động cơ kích từ độc lập hoặc kích từ song song.

- Khi điện áp đặc vào mạch kích từ và mạch phần ứng có công suất lớn thì phương trình đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập và kích từ song song giống nhau.

+ Phương trình điện áp:            U=E_ư + I_ưR_ư                (1)

                                    Þ                    E_ư=U - I_ưR_ư               (2)

      Mặc khác ta có:              E_ư=k_e.n.f                    (3)

      Thay phương trình (3) vào pt (3) ta có:

k_e.n.f=U - I_ưR_ư Þ 

hay                         (4)

      Ta lại có mômen điện từ:

                        M=k_e.I_ư.f       Þ   I_ư thay  I_ư vào pt (4) ta có:

                                (5)

      Nếu trong mạch phần ứng có điện trở phụ R_p ta có phương trình tốc độ là:

                               (6)

      Trong đó điện trở phụ là R_plà điện trở đặc vào mạch phần ứng để điều chỉnh dòng điện phần ứng nhỏ hơn dòng điện giới han I_ư<I_{giới hạn.}

      Phương trình (6) là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc kích từ song song.

      Đường đặc tính cơ là đường quan hệ giữa tốc độ và mômen quay của động cơ khi điện áp U và điện trở mạch phần ứng và mạch kích từ không đổi.

      Với U, f là hằng số, R_ư, R_p không đổi

      n = A + B.M (n=f(M)) với A,B là hằng số.

 - Lúc động cơ làm việc ở chế độ không tải (lý tưởng) tốc độ của động cơ là  (xem đang làm việc không tải ổn định)

- Giả sử ta cho động cơ mang tải vào lúc này trên truc động cơ xuất hiện mômen cản M_c động cơ chuyển điểm làm việc từ điểm A đến điểm B trên đồ thi lúc này tốc độ của động cơ sẽ giảm dần xuống là n₁<n₀ và đồng thời mômen động cơ sẽ tăng dần cho đến khi cần bằng mômen cản M_c, khi đó động cơ làm việc ổn định từ điểm B trên đường đặc tính cơ với tải bằng mômen cản và tốc độ n₁.

* Nhận xét:

- Đối với động cơ một chiều kích từ độc lập hoặc kích từ song song thì phương trình đặc tính cơ cứng, tốc độ hầu như không đổi khi công suất tải thay đổi (thay đổi nhỏ)

- Ứng dụng : thường được dùng trong cơ cấu truyền động máy cắt kim loại, các máy công cụ gia công chi tiết có tải thay đổi lớn....

- Khi có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ, thường dùng động cơ kích từ nối tiếp.

b. Phương trình đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

Phương trình dòng điện:           I_kt=I_ư               (1)

Khi mạch từ bảo hoà dòng điện phần ứng và từ thông tỉ lệ với nhau:

      I_ư=k_I.f            (2)       với k_Ilà hệ số tỷ lệ.

Phương trình tốc độ là: (3)       trong đó: R_S=R_kt+R_p+R_ư

Mặc khác ta có phương trình mômen: M=k_M.f.I_ư     (4)

Thay I_ư=k_I.f vào phương trình (4) ta có: M=k_M.k_If²=k².f² (5) đặt k²=k_M.k_I lấy căn hai vế phương trình (5) ta có từ thông:   (6)

Thay phương trình (6) và (2) vào pt (3) ta có phương trình tốc độ:

            ta có phương trình tốc độ là         

      Giả sử điện áp U và điện trở là hằng số, xây dựng đồ thị đặc tính tốc độ và mômen n=f(M)

Dựa vào phương trình tốc độ ta xây dựng đường đặc tính cơ là đường có dạng hypebol, đường đặc tính cơ mềm, khi mômen tăng thì tốc độ động cơ giảm nhiều.

Khi động cơ không tải hoặc tải nhỏ, mômen cản nhỏ dẫn đến tốc độ động cơ tăng lên rất nhiều dẫn đến dể gây hỏng động cơ về mặc cơ khí (ma sát ở ổ bi lớn làm gãy trục....) Vì thế không cho phép động cơ một chiều kích từ nối tiếp mở máy và làm việc ở chế độ không tải.

1.6.3. Mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.

a. Dòng điện mở máy

- Phương trình điện áp: U=E_ư+I_ưR_ư     (1)       Þ        I_ư=

- Mặc khác ta có : E_ư=k_e.n.f

- Khi mở máy ban đầu tốc độ n=0 nên E_ư=k_e.n.f=0,

- Dòng điện phần ứng lúc này là I_ư=, vì điện trở phần ứng nhỏ R_ư, nên dòng điện phần ứng lúc mở máy rất lớn từ (20-30)I_đm, dễ làm hỏng cổ góp và chổi than, đốt nóng dây quấn rôto và cách điện bị già hóa.

- Để giảm dòng điện mở máy đạt từ I_mm = (1,5-2)I_đm, dùng các phương pháp sau:

+ Dùng biến trở mở máy R_mm:

Bằng cách mắc biến trở mở máy vào mạch phần ứng lúc này dòng điện mở máy

I_ưmm

Lúc đầu để biến trở mở máy R_mm lớn nhất, trong quá trình mở máy tốc độ tăng lên, dẫn đến sức điện động tăng, dẫn đến dòng điện phần ứng mở máy giảm đần và ta giảm điện trở R_mm giảm dần về 0, lúc này động cơ làm việc đúng dòng điện định mức.

+ Giảm điện áp đặt vào mạch phần ứng:

Phương pháp này sử dụng khi có nguồn một chiều có thể điều chỉnh điện áp

(chú ý: để mômen mở máy lớn, thì lúc mở máy phải có từ thông lớn nhất (M=k_e.I_ư.f) vì thế phải điều chỉnh dòng kích từ lớn nhất

b. Mômen mở máy:

M_mm=k_M.f.I_ưmm

Nếu dòng điện lúc mở máy I_mm rất lớn dẫn đến mômen mở máy M_mm cũng rất lớn, dể tạo ra các xung lực lớn làm chô hệ truyền động động cơ giật, rung lớn... dể vỡ bánh răng, bánh đà.. làm hỏng động cơ và nguy hiểm cho người vận hành.

1.6.4. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.

 Từ phương trình điện áp : U=E_ư+I_ưR_ưÞE_ư=U-I_ưR_ư

Mà E_ư=k_e.n.f                   Þ        k_e.n.f=U-I_ưR_ư                Þ        n(1)

Từ phương trình (1) ta nhân thấy để thay đổi tốc độ động cơ ta có một số phương pháp sau:

- Để thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện áp U, dùng nguồn điện phải điều chỉnh được điện áp cung cấp cho động cơ.

- Để thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi từ thông, tức là thay đổi dòng điện kích từ.

- Để thay đổi tốc độ bằng cách mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng.

a. Điều chỉnh tốc độ động điện một chiều kích từ độc lập và song song bằng cách thay đổi điện áp.

Theo trên ta có đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc kích từ song song có dạng đường thẳng.

- Khi thay đổi điện áp ta được các đường đặc tính song song

- Khi điều chỉnh mômen không đổi vì từ thông và dòng điện phần ứng không đổi do sức điện động và điện áp giảm.

* Quá trình giảm tốc:

Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm A trên đường đặc tính cơ với điện áp đặc vào mạch phần ứng là U₁ lúc này động cơ quay đều với tốc độ n_A. Ta giảm điện áp xuống U₂ nhỏ hơn điện áp U­₁ động cơ chuyển sang làm việc tại điểm B trên đường đặc tính cơ U₂, lúc này mômen động cơ nhỏ hơn mômen cản M_D<M_c dẫn đến tốc độ giảm dần theo đường đặc tính U₂ tới điểm D, tại điểm D mômen động cơ bằng mômen cản động cơ quay ổn định với tốc độ n_D<n_A đó là quá trình giảm tốc của động cơ.

* Quá trình tăng tốc: Ngược lại.....

b. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông.

Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng điện kích từ.

c. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng

Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng tốc độ giảm. Vì rằng dòng điện phần ứng lớn, nên tổn hao công suất trên điện trở điều chỉnh lớn. Phương pháp này chỉ sử dụng ở động cơ công suất nhỏ.

1.5.5. Hãm động cơ điện một chiều

Hãm động cơ là tạo mômen điện từ ngược chiều chuyển động của động cơ. Động cơ điện một chiều được hãm bằng các phương pháp hãm là hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng.

a. Hãm tái sinh (trả năng lượng về lưới)

Hãm tái sinh xảy ra trong động cơ kích từ song song khi máy làm việc ở chế độ động cơ với tốc độ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng.

Trong trường hợp này sức điện động E_ư>U và dòng điện phần ứng đổi dấu nên mômen điện từ cũng đổi dấu thành mômen hãm. Máy lúc này làm việc trong chế độ máy phát điện vào lưới (trả lại lưới)

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp không thể chuyển sang chế độ hãm tái sinh. Muốn hãm tái sinh ta phải chuyển sang chế độ kích từ song song.

b. Hãm ngược. Trạng thái này thực hiện bằng hai cách.

- Máy được truyền động làm quay động cơ theo chiều ngược mômen điện từ.

- Đổi chiều quay của động cơ bằng cách đổi chiều dòng điện phần ứng của động cơ.

c. Hãm động năng.

- Khi hãm động năng động cơ kích từ song song ta cắt phần ứng ra khỏi lưới và nối mạch qua một điện trở hãm.

- Hãm động năng động cơ kích từ nối tiếp được thực hiện bằng cách chuyển động cơ sang kích từ độc lập. Nếu động cơ kích từ nối tiếp thì khi tốc độ nhỏ, dẫn đến mômen hãm yếu, khi tốc độ lớn mômen hãm mạnh