Buzz
Động cơ điện một chiều là loại động cơ hoạt động với nguồn điện một chiều.
Nguyên lý hoạt động
Stator của động cơ điện một chiều thường gồm một hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện, trong khi rotor có các cuộn dây quấn và kết nối với nguồn điện một chiều. Một phần thiết yếu của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, có chức năng đổi chiều dòng điện khi rotor quay liên tục. Thường thì bộ phận này bao gồm một cổ góp và một chổi than tiếp xúc với cổ góp.
Khi trục của động cơ điện một chiều bị kéo bởi lực bên ngoài, động cơ hoạt động như máy phát điện một chiều và tạo ra sức điện động cảm ứng (EMF). Trong điều kiện vận hành bình thường, khi rotor quay, nó tạo ra một điện áp gọi là sức phản điện động (CEMF) hoặc sức điện động đối kháng, vì nó phản kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ. Sức điện động này tương tự như khi động cơ được sử dụng như máy phát điện (khi nối điện trở tải vào đầu ra của động cơ và kéo trục động cơ bằng ngẫu lực bên ngoài). Vì vậy, điện áp đặt lên động cơ bao gồm hai thành phần: sức phản điện động và điện áp giảm do điện trở nội của cuộn dây phần ứng. Dòng điện chạy qua động cơ được tính bằng công thức:
Công suất cơ mà động cơ cung cấp được tính bằng:
Cơ chế tạo ra mô-men quay trong động cơ điện một chiều
Khi dòng điện chạy qua cuộn dây quấn quanh lõi sắt từ, một lực hướng lên sẽ tác động lên mặt phía cực dương, trong khi mặt đối diện sẽ bị tác động bởi lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming. Những lực này tạo ra mô-men quay trên cuộn dây, làm cho rotor quay. Để rotor quay liên tục và đúng hướng, một bộ cổ góp điện sẽ chuyển mạch dòng điện sau mỗi 1/2 chu kỳ. Vấn đề duy nhất là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường, lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90 độ so với phương ban đầu, khiến rotor quay theo quán tính.
Trong các động cơ điện một chiều lớn, thường có nhiều cuộn dây nối với các phiến góp khác nhau trên cổ góp. Điều này giúp dòng điện và mô-men quay duy trì liên tục và gần như không thay đổi theo các vị trí khác nhau của rotor.
- Các phương trình cơ bản của động cơ một chiều:
E = K.ω (1) V = E + Rᵢ.Iᵢ (2) M = K Φ Iᵢ (3)
Trong đó:
- Φ: Từ thông qua mỗi cực (Wb) - Iᵢ: Dòng điện phần ứng (A) - V: Điện áp phần ứng (V) - Rᵢ: Điện trở phần ứng (Ω) - ω: Tốc độ động cơ (rad/s) - M: Mô-men động cơ (Nm) - K: Hằng số, phụ thuộc vào cấu trúc động cơ
Điều chỉnh tốc độ
Thông thường, tốc độ của một động cơ điện một chiều tỷ lệ thuận với điện áp cung cấp, trong khi ngẫu lực quay tỷ lệ thuận với dòng điện. Để điều chỉnh tốc độ động cơ, có thể dùng các phương pháp như điều chỉnh các điểm chia điện áp của bình ắc quy, sử dụng bộ cấp nguồn điều chỉnh được, hoặc áp dụng điện trở và mạch điện tử. Để thay đổi chiều quay của động cơ, có thể thay đổi chiều nối dây của phần kích từ hoặc phần ứng, nhưng không thể thay đổi cả hai đồng thời. Thao tác này thường được thực hiện bằng các công tắc tơ đổi chiều đặc biệt.
Điện áp có thể điều chỉnh bằng cách thêm một điện trở nối tiếp vào mạch hoặc sử dụng thiết bị điện tử kiểu chuyển mạch với Thyristor, transistor hoặc các đèn chỉnh lưu hồ quang Thủy ngân. Trong mạch băm điện áp, điện áp trung bình cấp cho động cơ thay đổi bằng cách chuyển mạch nguồn thật nhanh. Khi tỷ lệ thời gian 'on' so với thời gian 'off' thay đổi, điện áp trung bình cũng thay đổi theo. Tỷ lệ phần trăm thời gian 'on' trong chu kỳ chuyển mạch nhân với điện áp nguồn cấp sẽ cho điện áp trung bình. Ví dụ, với điện áp nguồn 100V và tỷ lệ thời gian ON 25%, điện áp trung bình là 25V. Trong thời gian 'Off', điện áp cảm ứng phần ứng sẽ duy trì dòng điện qua diode phi hồi nối song song với động cơ, làm cho dòng điện trong mạch cung cấp bằng không trong khi dòng điện qua động cơ vẫn duy trì. Phương pháp điều khiển kiểu điều biến độ rộng xung (PWM) thường được dùng với vi xử lý, và có thể có mạch lọc đầu ra để làm mịn điện áp và giảm nhiễu.
Động cơ điện một chiều kiểu nối tiếp có thể đạt mô men quay cực đại ngay cả khi tốc độ thấp, nên thường được sử dụng trong các ứng dụng kéo như đầu máy xe lửa hay tàu điện, cũng như để khởi động động cơ xăng hoặc động cơ điezen nhỏ. Tuy nhiên, nó không phù hợp với các hệ thống có thể dừng lại hoặc hỏng, như băng truyền. Khi động cơ tăng tốc, dòng điện phần ứng giảm, làm giảm cả trường điện và có thể dẫn đến động cơ tự phá hủy. Điều này đặc biệt nguy hiểm cho động cơ xe lửa khi mất liên kết, vì nó có thể đạt tốc độ cao hơn mức định mức, gây hỏng hóc cho động cơ và đường ray. Để giải quyết vấn đề này, các bộ điều khiển điện tử giảm từ trường giúp tăng tốc độ tối đa của các phương tiện điện. Một phương pháp đơn giản là sử dụng bộ đóng cắt và điện trở để yếu từ trường, trong khi bộ điều khiển điện tử giám sát dòng điện và điều chỉnh điện trở khi cần thiết, giúp động cơ vượt qua tốc độ thông thường ở điện áp định mức và trở lại mức ngẫu lực ở tốc độ thấp khi dòng điện tăng.
Một phương pháp phổ biến khác để điều khiển tốc độ động cơ một chiều là phương pháp Ward-Leonard. Phương pháp này điều khiển động cơ một chiều (thường là loại kích thích song song hoặc hỗn hợp) bằng cách sử dụng nguồn điện xoay chiều. Nguồn điện xoay chiều quay một động cơ cảm ứng, từ đó tạo ra điện áp một chiều cung cấp cho động cơ cần điều khiển. Cuộn dây kích từ của cả máy phát và động cơ được kích thích độc lập qua biến trở. Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ từ 0 đến tối đa với ngẫu lực phù hợp bằng cách thay đổi dòng điện kích thích. Dù phương pháp này đã được thay thế bởi hệ thống mạch rắn sử dụng Thyristor, nó vẫn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu điều khiển tốc độ chính xác, từ thang nâng hạ trong hầm mỏ đến máy công nghiệp và cần trục điện. Tuy nhiên, nhược điểm chính là cần đến ba máy điện cho một sơ đồ, và trong các ứng dụng lớn, số máy có thể lên đến năm. Để tiết kiệm thời gian, hợp bộ động cơ - máy phát điện thường được duy trì chạy không tải.
Dù các hệ thống điều khiển điện tử với Thyristor đã thay thế hầu hết các hệ thống Ward-Leonard cỡ nhỏ và trung bình, nhưng một số hệ thống lớn (vài trăm mã lực) vẫn sử dụng phương pháp này. Dòng điện kích từ nhỏ hơn nhiều so với dòng điện phần ứng, cho phép Thyristor cỡ trung bình điều khiển động cơ lớn hơn rất nhiều so với điều khiển trực tiếp. Ví dụ, một bộ Thyristor 300 ampe có thể điều khiển máy phát điện có dòng ra lên đến 15.000 ampe. Điều khiển trực tiếp bằng Thyristor cho dòng điện cao như vậy có thể rất khó khăn và tốn kém.
Điều khiển số động cơ một chiều với chổi than
Hiện nay, điều khiển động cơ một chiều (DC motor) có nhiều phương pháp khác nhau. Với sự phát triển của vi xử lý, bộ điều khiển số đang dần thay thế các bộ điều khiển tương tự truyền thống nhờ những lợi ích vượt trội. Các phương pháp điều khiển số bao gồm PID số, Fuzzy logic, Lyapunov, và nhiều phương pháp khác. Tuy nhiên, PID chiếm hơn 70% số bộ điều khiển trong công nghiệp.
