Số đồ nguyên lý máy điện 1 chiều

Động cơ điện một chiều

[button color=”orange” size=”medium” link=”//bblink.com/OMJ7Roo” icon=”” target=”false”]Download 5 mạch điều khiển Motor DC Pdf và mô phỏng[/button]

1. Cấu tạo động cơ điện 1 chiều

Những phần chính của máy điên một chiều gồm stato với cực từ, roto với dây quấn và cổ góp với chổi điện.

Cấu tạo động cơ điện một chiều

1.1 Stato

Stato là còn gọi là phần cảm, gồm lõi thép bằng thép đút, vừa là mạch từ vừa là vỏ máy. Các cực từ chính có dây quấn kích từ. Stato động cơ điện một chiều đóng vai trò đơn giản là nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện.

1.2 Roto

Roto của động cơ điện 1 chiều được gọi là phần ứng do cuộn dây phần ứng đặt trên rãnh roto.

Roto gồm lõi thép và dây quấn phần ứng. Lõi thép hình trụ làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại. Các lá thép được dập có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng.

Roto động cơ điện một chiều

Ở động cơ điện 1 chiều có hai loại dây quấn là dây quấn xếp và dây quấn sóng. Mỗi dây quấn được tạo thanh từ nhiều cuộn mắc nối tiếp, mỗi cuộn lại được tạo nên từ nhiều vòng. Mỗi vòng gồm hai thanh dẫn nối với nhau bởi phần đầu nối.

Dây quân xếp

+ Dây quấn xếp

Mỗi phần từ của dây quấn có nhiều vòng dây, hai đầu với hai phiến góp, hai thanh dẫn tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong rãnh dưới hai cực khác tên.

Hình bên dưới vẽ bốn phần tử dây quấn xếp hai lớp. Mỗi phần tử chỉ có một vòng, các phần tử được nối thành một vòng khép kín.

Dây quấn xếp 4 phần tử, hai lớp

Ở dây quấn xếp đơn số nhánh song song bằng số cực từ [hoặc chổi than]. Dây quấn trên có hai cực từ và có hai nhanh song song, được minh họa như hình dưới.

Dây quấn xếp hai cực từ

+ Dây quấn sóng

Hình bên dưới vẽ hai phần tử dây quấn kiểu sóng. Các phần tử được nối thành mạch vòng kín. Ở dây quấn sóng đơn chỉ có hai mạch nhánh song song, thường ở máy có công suất nhỏ.

Dây quấn sóng

1.3 Cổ góp và chổi điện

Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn ở đâu roto. Các đầu dây của phần tử nối với phiến góp khác nhau trên cổ góp.

Cổ góp

Chổi điện [chổi than] làm bằng than graphit. Các chổi tì sát chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn trên nắp máy.

Chổi than

2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều

Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B trong dây quấn phần ứng có dòng điện Iư. Các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường của stato, sẽ chịu lực Fdt tác dụng làm cho roto quay.

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau, do đó phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi.

Hình bên dưới mô tả nguyên lý của động cơ điện một chiều.

Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều

Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường, sẽ cảm ứng sức điện động Eư. Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ở động cơ chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còn được gọi là sức phản điện.

Phương trình điện áp sẽ là:

3. Từ trường và sức điện động của động cơ điện một chiều

3.1 Từ trường

             + Khi máy điện một chiều không tải, từ trường trong máy chỉ do dòng điện kích từ gây ra gọi là từ trường cực từ.

             + Khi máy điện có tải, dòng điện Iư trong dây quấn phần ứng sẽ sinh ra từ trường phần ứng. Từ trường phần ứng vuông góc với từ trường cực từ.

Tác dụng của từ trường phần ứng lên từ trường cực từ gọi là phản ứng phần ứng. Từ trường trong máy là từ trường tổng hợp của từ trường cực từ và từ trường phần ứng.

+ Ở nơi từ trường phần ứng cùng chiều với từ trường cực từ thì từ trường máy được tăng cường.

+ Ở nơi từ trường phần ứng ngược chiều với từ trường cực từ thì từ trường máy bị yếu đi.

Hậu quả của phản ứng phần ứng là:

            + Từ trường trong máy bị biến dạng. Làm cảm ứng sức điện động, gây ảnh hưởng xấu đến việc đổi chiều.

            + Khi tải lớn, dòng điện phần ứng lớn, từ trường phần ứng lớn làm giảm từ thông của máy. Từ thông giảm làm cho moment quay giảm và tốc độ động cơ thay đổi.

Để khắc phục hậu quả trên người ta dùng cực từ phụ và dây quấn bù. Từ trường của cực từ phụ và dây quấn bù ngược với từ trường phần ứng.

Để kịp thời khắc phục từ trường phần ứng khi tải thay đổi, dây quấn cực từ phụ và dây quấn bù đấu nối tiếp với mạch phần ứng [hình dưới].

Cực từ phụ và dây quấn bù

3.2 Sức điện động phần ứng

a. Sức điện động thanh dẫn

Khi quay roto, các thanh dẫn của dây quấn phần ứng cắt từ trường, trong mỗi thanh dẫn cảm ứng sức điện động là:

trong đó:

            Btb   –   từ cảm trung bình dưới cực từ

            v     –   tốc độ của thanh dẫn

            l      –   chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn

b. Sức điện động phần ứng Eư

Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau thành mạch vòng kín. Các chổi điện chia dây quấn thành nhiều nhánh song song. Sức điện động phần ứng bằng tổng các sức điện động thanh dẫn trong một nhánh.

Nếu số thanh dẫn của dây quấn là N, số nhánh song song là 2a [a là số đôi nhánh], số thanh dẫn một nhánh là N/2a, sức điện động phần ứng là:

Tốc độ dài v xác định theo tốc độ quay n [vòng/phút] bằng công thức:

Ta có từ thông dưới mỗi cực từ là:

Từ đó ta có được công thức liên hệ của suất điện động phần ứng:

trong đó hệ số

Sức điện động phần ứng tỉ lệ với tốc độ qua phần ứng và từ thông dưới mỗi cực từ. Muốn thay đổi trị số sức điện động ta có thể điều chỉnh tốc độ quay hoặc điều chỉnh từ thông bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ. Muốn đổi chiều sức điện động thì đổi chiều quay hoặc đổi chiều dòng điện kích từ.

4. Công suất điện từ, moment điện từ của máy điện một chiều

Công suất điện từ của máy điện một chiều là:

Pđt=Eư.Iư

Gọi ωr là tốc độ góc của roto, ωr được tính theo tốc độ quay n [vòng/phút] bằng biểu thức:

Ta có, Moment điện từ

Trong đó hệ số

Moment điện từ tỉ lệ với dòng điện phần ứng I ư và từ thông. Muốn thay đổi moment điện từ, ta phải thay đổi dòng điện phản ứng Iư hoặc thay đổi dòng điện kích từ Ikt. Muốn đổi chiều moment điện từ phải đổi chiều dòng điện phần ứng hoặc dòng điện kích từ.

5. Tia lửa điện trên cổ góp và biện pháp khắc phục

Khi máy điện làm việc, quá trình đổi chiều thường gây ra tia lửa giữa chổi điện và cổ góp. Tia lửa lớn có thể gây nên vành lửa xung quanh cổ góp, phá hỏng chổi điện và cổ góp, gây tổn hao năng lượng, ảnh hưởng xấu đến môi trường và gây nhiễu đến sự làm việc của các thiết bị điện tử. Sự phát sinh tia lửa trên cổ góp do các nguyên nhân cơ khí và điện từ.

5.1 Nguyên nhân cơ khí

Sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi điện không tốt, do cổ góp không tròn, không nhẵn, chổi than không đúng quy cách, rung động của chổi than do cố định không tốt hoặc lực lò xo không đủ để tì sát chổi điện vào cổ góp.

5.2 Nguyên nhân điện từ

Khi roto quay liên tiếp có phần tử chuyển mạch nhánh này sang mạch nhánh khác. Ta gọi các phần tử ấy là phần tử đổi chiều. Trong phần tử đổi chiều xuất hiện các sức điện động sau:

+ Sức điện động tự cảm eL do sự biến thiên dòng điện trong phần tử đổi chiều.

+ Sức điện động hỗ cảm eM do sự biến thiên dòng điện của các phần tử đổi chiều khác lân cận.

+ Sức điện động eq do từ trường của phần ứng gây ra.

Ở thời điểm chổi điện ngắn mạch phần tử đổi chiều, các sức điện động trên sinh ra dòng điện i chạy quẩn trong phần tử ấy, tích lũy năng lượng và phóng ra dưới dạng tia lửa khi vành góp chuyển động.

5.3 Biện pháp khắc phục tia lửa điện

Ngoài việc loại trừ nguyên nhân cơ khí ta phải tìm cách giảm trị số các sức điện động trên và dùng cực từ phụ và dây quấn bù để tạo nên trong phần tử đổi chiều các sức điện động nhằm bù [triệt tiêu] tổng 3 sức điện động eL, eM, eq.

Từ trường của dây quấn bù và cực từ phụ phải ngược chiều với từ trường phần ứng. Đối với máy công suất nhỏ, người ta không dùng cực từ phụ mà đôi khi chuyển chổi than đến trung tính vật lý.

Để khắc phục hiện tượng tia lửa điện người ta chế tạo động cơ một chiều không chổi than [BLDC] chúng ta sẽ tìm hiểu ở chương sau, tuy nhiên việc điều khiển động cơ BLDC phức tạp hơn.

6. Mở máy động cơ điện 1 chiều

Ta có dòng điện phần ứng là:

Khi mở máy, tốc độ  n = 0, sức điện động Eư = kE.n.Φ = 0, dòng điện phần ứng lúc mở máy là:

Vì điện trở Rư rất nhỏ, cho nên dòng điện phần ứng lúc mở máy rất lớn khoảng [20 ÷ 30]Iđm, làm hỏng cổ góp và chổi than. Dòng điện phần ứng lớn kéo theo dòng điện mở máy I mở lớn, làm ảnh hưởng đến lưới điện. Do đó cần giảm dòng điện mở máy để Imở = [1,5 ÷ 2]Iđm.

6.1 Dùng biến trở mở máy

Mắc biến trở mở máy [Rmở] vào mạch phần ứng như hình bên dưới.

Mở máy động cơ dùng biến trở

Dòng điện mở máy phần ứng lúc này là:

Lúc đầu để biến trở R mở lớn nhất, trong quá trình mở máy, tốc độ tăng lên, sức điện động Eư tăng và điện trở mở máy giảm dần đến không, máy làm việc đúng điện áp định mức.

6.2 Giảm điện áp đặt vào phần ứng

Phương pháp này được sữ dụng khi có nguồn điện một chiều có thể điều chỉnh điện áp ví dụ nguồn một chiều chỉnh lưu.

Cần chú ý rằng để moment mở máy lớn, lúc mở máy phải có từ thông lớn nhất, vì các thông số mạch kích từ phải điều chỉnh sao cho dòng điện kích từ lúc mở máy lớn nhất.

7. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều

Ta có phương trình tốc độ của động cơ là:

Dựa vào phương trình, một cách tổng quát ta có các phương pháp điều chỉnh tốc độ như sau:

7.1 Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng

Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ giảm. Vì 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.

Điều chỉnh tốc độ động cơ dùng điện biến trở

7.2 Thay đổi điện áp U

Dùng nguồn điện một chiều điều chỉnh được điện áp cung ấp cho động cơ. Ngày nay với sự phát triển của điện tử thì phương pháp điều chỉnh điện áp bằng các mạch điều xung [PWM – Pulse Width Modulation] ngày càng đa dạng khoảng điều chỉnh tốc độ rộng, với giá thành rẻ.

7.3 Thay đổi từ thông

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

Khi điều chỉnh tốc độ, ta kết hợp các phương pháp trên. Ví dụ phương pháp thay đổi từ thông, kết hợp với phương pháp thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh rất rộng, đây là ưu điểm lớn của động cơ điện một chiều.

8. Động cơ điện 1 chiều kích từ song song

Sơ đồ kích từ song song được vẽ như hình dưới. Để mở máy ta dùng biến trở R mở.

Sơ đồ động cơ kích từ song song

Để điều chỉnh tốc độ, thường điều chỉnh Rđc để thay đổi Ikt do đó thay đổi từ thông Φ, phương pháp này sử dụng rất rộng rãi.

Song theo biểu thức moment điện từ M = kM.Iư.Φ, cần chú ý khi giảm từ thông Φ có thể dòng điện phần ứng Iư tăng quá trị số cho phép. Vì thể cần có bộ phận bảo vệ, cắt điện không cho động cơ làm việc, khi từ thông giảm quá nhiều.

8.1 Đặc tính cơ n = f[M]

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

Đặc tính cơ của động cơ kích từ song song

· Đường số 1 vẽ đường đặc tính cơ tự nhiên.

· Đường số 2 vẽ đường đặc tính cơ khi thêm điện trở Rp vào mạch phần ứng.

8.2 Đặc tính làm việc

Đường đặc tính làm việc được xác định khi điện áp và dòng điện kích từ không đổi. Đó là các đường quan hệ giữa tốc độ n, moment M dòng điện phần ứng Iư và hiệu suất N theo công suất cơ trên trục P2.

Đặc tính làm việc của động cơ kích từ song song

Nhận xét: động cơ điện kích từ song song có đặc tính cơ cứng và tốc độ hầu như không đổi khi công suất trên trục P2 thay đổi, chúng được dùng nhiều trong các máy cắt kim loại, các máy công cụ … Khi có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ ta dùng động cơ kích từ độc lập.

9. Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

Sơ đồ kích từ nối tiếp được vẽ như hình dưới.

Sơ đồ động cơ kích từ nối tiếp

Để mở máy người ta dùng biến trở mở máy Rmở. Để điều chỉnh tốc độ ta có thể dùng phương pháp điều chỉnh điện áp hay thay đổi từ thông. Khi điều chỉnh từ thông, ta mắc biến trở điều chỉnh song song với dây quấn kích từ nối tiếp.

9.1 Đặc tính cơ n = f[M]

Phương trình đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp có dạng hypebol.

Đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp

Đường đặc tính cơ mềm, moment tăng thì tốc độ cơ giảm. Khi không tải hoặc tải nhỏ, dòng điện và từ thông nhỏ, tốc độ động cơ tăng có thể gây hỏng động cơ về mặt cơ khí. Vì thế không cho phép động cơ kích từ nối tiếp mở máy không tải hoặc nhỏ tải.

9.2 Đặc tính làm việc

Động cơ được phép làm việc với tốc độ n nhỏ hơn tốc độ giới hạn ngh. Đường đặc tính trong vùng làm việc vẽ bằng đường nét liền.

Đặc tính làm việc của động cơ kích từ nối tiếp

Khi chưa bão hòa, moment quay động cơ tỉ lệ với bình phương dòng điện, và tốc độ giảm theo tải. Động cơ kích từ nối tiếp thích hợp trong chế độ tải nặng nề, được sử dụng nhiều trong giao thông vận tải hay các thiết bị cẩu trục.

10. Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp

Sơ đồ kích từ hỗn hợp được vẽ như hình bên dưới.

Sơ đồ động cơ kích từ hỗn hợp

Các dây quấn kích từ có thể nối thuận [từ trường hai dây quấn cùng chiều] tăng từ thông hoặc nối ngược [từ trường hai dây quấn ngược nhau] làm giảm từ thông.

Đặc tính động cơ kích từ hỗn hợp

+ Đường 1 đường đặc tính cơ động cơ kích từ hỗn hợp khi nối thuận. Và sẽ là trung bình giữa đặc tính cơ của động cơ kích từ song song và nối tiếp.

+ Đường 2 đặc tính cơ của động cơ kích từ song song.

+ Đường 3 đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp.

Các động cơ làm việc nặng nề, dây quấn kích từ nối tiếp là dây quấn kích từ chính, còn dây quấn kích từ song song là phụ và được nối thuận. Dây quấn kích từ song song đảm bảo tốc độ động cơ không tăng quá lớn khi moment nhỏ.

+  Đường 4 đặc tính của động cơ kích từ hỗn hợp có dây quấn kích từ nối tiếp là kích từ phụ, và nối ngược.Đặc tính cơ rất cứng, nghĩa là tốc độ hầu như không đổi khi moment thay đổi. Do khi moment quay tăng, dòng điện phần ứng tăng, dây quấn kích từ song song làm tốc độ giảm nhẹ. Nhưng vì có dây quấn kích từ nối tiếp được nối ngược, làm giảm từ thông trong máy, sẽ tăng tốc độ động cơ lên như cũ. Ngược lại khi nối thuận , sẽ làm cho đặc tính động cơ mềm hơn, moment mở máy lớn hơn, thích hợp với máy ép, máy bơm, máy nghiền, máy cán, …

11. Mua mạch điều khiển tốc độ DC giá cạnh tranh, chất lượng cao

Với giá bán cạnh tranh trên các sàn thương mại điện tử được nhiều người sử dụng đánh giá cao. Giao hàng tận nơi, với chính sách hoàn trả tiền nếu sản phẩm bị lỗi nên khách hàng có thể yên tâm đặt sử dụng các sản phẩm của Shop.

– Động cơ DC được khách hàng yêu thích với nhiều loại kích thước, mẫu mã khác nhau.

Xem ngay giá bán các loại động cơ DC

+ Điện áp hoạt động từ 3 -36VDC, công suất < 300W

+ Tốc độ quay tối đa lên đến 20000 vòng/phút

+ Giá chỉ từ 10.000 VNĐ

– Bộ điều khiển tốc độ động cơ DC bằng PWM 400W [0-10A] giá chỉ từ 20.000 VNĐ

Xem ngay giá bán các mạch điều khiển tốc độ

+ Tín hiệu PWM từ 0-100%.

+ Tần số xung lên đến 20 kHz

+ Kích thước nhỏ gọn

+ Chỉ cần cấp nguồn và điều chỉnh tốc độ bằng biến trở

>>Xem thêm:

Mạch cầu H sử dụng mosfet
Điều khiển tốc độ động cơ dc bằng arduino
Điều khiển tốc độ động cơ dc bằng mạch cầu H L298
Điều khiển tốc độ động cơ bằng pwm

Video về động cơ điện 1 chiều

Tài Liệu Tham Khảo ” Động cơ điện 1 chiều”

[button color=”orange” size=”medium” link=”//bblink.com/DVAxOB” icon=”” target=”false”]Download giáo trình Kỹ thuật điện, Máy điện [/button]