Iấu tạo máy điện một chiều Máy điện một chiều có thể là máy phát điện một chiều hoặc động cơ điện một chiều. Về cấu tạo chung, máy điện một chiều có hai phần chính: phần cảm (stato) và phần ứng (rô to).
Hình 1: Cấu tạo tổng thể và ký hiệu quy ước động cơ điện một chiều trên các bản vẽ kỹ thuật
1 – Nắp bảo vệ vòng bi; 2 – Vòng bi; 3 – Quạt làm mát; 4 – Phần ứng; 5 – Cổ góp điện; 6 – Cực từ chính; 7 – Cực từ phụ; 8 – Cụm chi tiết chổi than và vành trượt chổi than;
- Phần cảm có các bộ phận chính như sau:
Hình 2: Cấu tạo phần cảm động cơ điện một chiều
- Cực từ chính (1): là bộ phận sinh ra từ trường, gồm có lõi thép (màu bạc) và dây quấn kích từ (màu vàng) lông bên ngoài lõi thép cực từ, dòng điện
Cụm chi tiết vành trượt, chổi than dùng để đưa điện vào (ra) phần ứng động cơ qua chổi than (nằm trong hộp chổi than) tỳ vào cổ góp điện bằng lực ép của lò xo.
Nắp động cơ (nắp bảo vệ) làm từ thép đúc, có tác dụng đỡ và bảo vệ ổ bi. Tại các vị trí bề mặt tiếp xúc với ổ bi của nắp bảo vệ được mạ một lớp crôm mỏng để tăng cứng.
Hình 3. Cụm chi tiết vành trượt, chổi than a) Vành trượt; b và c) hộp giữ chổi than loại vuông góc với cổ góp; d) hộp giữ chổi than lệch góc với cổ góp.
- Phần ứng có các bộ phận chính như sau:
Hình 4. Cấu tạo phần ứng động cơ điện một chiều
- Trục động cơ, để liên kết đến các cơ cấu chấp hành.
- Vị trí lắp ráp vòng bi.
- Cổ góp điện gồm nhiều phiến góp điện.
- Cuộn dây phần ứng.
- Lõi thép phần ứng. Lõi thép phần ứng dùng để dẫn từ. Nó có cấu tạo hình trụ, thường được làm bằng các lá thép kỹ thuật điện mỏng, hai mặt có phủ sơn cách điện rồi ghép lại với nhau. Các lá thép được dập lỗ để gắn phần ứng với trục, mặt ngoài lõi thép được dập các rãnh để đặt dây quấn phần ứng.
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện, gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp với nhau, đặt trong rãnh của phần ứng tạo thành một hay nhiều vòng kín.
Cổ góp điện (vành góp điện hay vành đổi chiều) dùng đển biến đổi sức điện động xoay chiều sang một chiều – đối với máy phát và biến đổi dòng điện một chiều sang dòng điện xoay chiều – đối với động cơ điện. Chúng gồm nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn được ghép lại thành một khối hình trụ, cách điện với nhau và cách điện với trục máy.
IIên lý hoạt động và các phương pháp kích từ động cơ điện một chiều sử dụng trong thực tế
- Nguyên lý hoạt động
1
2
3
5 4
Hình 6. Các phương pháp kích từ cho động cơ điện một chiều d) Động cơ điện kích từ độc lập – cuộn dây kích từ trên cực từ chính lấy nguồn từ một nguồn điện độc lập, phần ứng được cấp một nguồn khác.
III. Các phương pháp mở máy (khởi động) động cơ điện một chiều Khi cấp điện áp cho động cơ điện thì xảy ra quá trình đột biến về điện áp, hay còn gọi là dòng điện mở máy. Dòng điện mở máy thường cao hơn dòng điện định mức từ 5 đến 10 lần, tuy nhiên nó có đặc điểm là xảy ra trong khoảng thời gian ngắn hạn. Quá trình này xảy ra khi khởi động động cơ.
Khi trên cuộn dây stato dòng tải tăng, đồng thời với đó là tăng mô men xoắn của động cơ trên đầu trục rô to. Khi tăng đột ngột mô men xoắn có thể dẫn đến tăng đột ngột nhiệt độ cuộn dây stato làm hư hỏng cách điện và dẫn đến nguyên nhân máy cháy rung, gằn, hư hỏng cơ khí và dẫn đến hư hỏng động cơ.
Để loại bỏ hư hỏng động cơ, ngay lập tức sau khi động cơ bắt đầu làm việc thì dòng khởi động phải được giảm về giá trị định mức tương ứng với tốc độ làm việc định mức của động cơ. Để giảm dòng điện mở máy chúng ta sử dụng một vài phương pháp để điều hòa điện áp nguồn điện. Có một số phương pháp khởi động động cơ điện một chiều như sau:
- Khởi động trực tiếp động cơ điện một chiều
Hình 7. Khởi động trực tiếp động cơ điện một chiều
U=175V – 320V
Khởi động trực tiếp nghĩa là đấu nối trực tiếp cuộn dây phần ứng với lưới điện một chiều (175-320V). Điều đó có nghĩa là động cơ được đấu nối với lưới điện ở điện áp định mức của mình. Khởi động trực tiếp động cơ điện một chiều được sử dụng khi có nguồn điện lưới ổn định dành cho động cơ đã được kết nối cứng với dẫn động. Đây là một trong những phương pháp khởi động đơn giản nhất được sử dụng
Ưu điểm của phương pháp khởi động trực tiếp là quá trình khởi động diễn ra nhanh, nhiệt độ của cuộn dây động cơ tăng không nhiều nếu so sánh với các phương pháp khởi động khác.
Đối với các động cơ có kích thước không lớn lắm, mô men khởi động bằng 150-300% định mức, dòng khởi động – 300-800% định mức.
Phương pháp khởi động trực tiếp có hạn chế là dòng tải khi khởi động động cơ kích thước lớn có thể tăng gấp 15 thậm chí tới 50 lần dòng định mức. Dòng khởi động lớn như vậy là không được phép, do đó phương pháp này chỉ được sử dụng đối với các động cơ công suất nhỏ.
- Biến trở (điện trở) khởi động động cơ điện một chiều
Khởi động bằng biến trở phân biệt với khởi động trực tiếp là không giới hạn công suất của động cơ. Do vậy nó thường được sử dụng để khởi động động cơ điện một chiều có công suất lớn.
Hình 8. Khởi động động cơ điện một chiều bằng biến trở
- khởi động bằng tay (hộp kháng); b) khởi động tự động. Biến trở để khởi động được làm từ những thanh dẫn có điện trở riêng lớn và phân chia thành các phân đoạn. Dòng điện kích từ xuất hiện khi mở máy động cơ được thiết lập sao cho có giá trị tương ứng với giá trị định mức. Điều
Điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng động cơ điện Д có thể điều chỉnh được từ 0 đến U nhờ biến trở (1) điều chỉnh dòng điện kích từ, kéo theo tốc độ quay của động cơ tăng dần từ 0 đến giá trị định mức nđm.
IV. Đảo chiều động cơ điện một chiều Đảo chiều động cơ điện một chiều có nghĩa là thay đổi chiều quay trục động cơ hay đảo chiều quay của mô men điện từ (thay đổi chiều của từ thông). Chiều từ thông máy điện một chiều thay đổi bằng 2 phương pháp:
- Đảo chiều dòng điện đi qua cuộn dây kích từ;
- Đảo chiều dòng điện đi qua cuộn dây phần ứng.
Hình 10. Đảo chiều động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp a) Động cơ quay chiều thuận.
- Động cơ đảo chiều nhờ đổi chiều dòng điện chạy qua cuộn dây kích từ. c) Động cơ đảo chiều nhờ đổi chiều dòng điện chạy qua cuộn dây phần ứng động cơ.
Hình 11. Đảo chiều động cơ điện một chiều kích từ song song
- Động cơ quay chiều thuận. b) Động cơ đảo chiều nhờ đổi chiều dòng điện chạy qua cuộn dây phần ứng động cơ.
- Động cơ đảo chiều nhờ đổi chiều dòng điện chạy qua cuộn dây kích từ.
Hình 12a. Đảo chiều động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp bằng cách đổi chiều dòng điện chạy qua các cuộn dây kích từ Động cơ đảo chiều nhờ đổi chiều dòng điện chạy qua cuộn dây kích từ nối tiếp và song song qua cầu dao SA (đổi chiều cả hai cuộn để từ trường của hai cuộn trùng nhau).
Hình 12b. Đảo chiều động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp bằng cách đổi chiều dòng điện chạy qua cuộn dây phần ứng
Động cơ đảo chiều nhờ đổi chiều dòng điện chạy qua cuộn dây phần ứng nhờ các tiếp điểm V, VI, VII, VIII của tay trang điều khiển. Đây là hệ thống truyền động điện đảo chiều điển hỉnh.
*Quá trình đảo chiều động cơ điện kích từ song song diễn ra như sau:
- Phần ứng được ngắt khỏi nguồn điện;
- Động cơ đổi đấu nối để hãm hoặc phanh cơ;
Hình 13. Sơ đồ đấu nối mở máy động cơ điện một chiều kích từ riêng
Hình 14. Đặc tính cơ động cơ điện một chiều với các giá trị điện trở khác nhau của mạch phần ứng (a) và điện áp phần ứng (b).
- Thay đổi điện trở mạch phần ứng – thì họ các đường đặc tính cơ 4, 3, 2 trên hình 14a thay đổi ứng với các giá trị khác nhau của tổng điện trở mạch phần ứng R Ʃя4, R Ʃя3, R Ʃя2 động cơ làm việc với tốc độ ω3, ω2, ω1 tương ứng. Sau đó động cơ làm việc ổn định tại đường đặc tính cơ tự nhiên ứng với tốc độ định mức ωном khi Rя1 là giá trị điện trở bản thân cuộn dây phần ứng, không còn điện trở phụ trong mạch phần ứng.
Khi điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính cơ càng lớn, độ ổn định tốc độ càng kém và độ biến thiên, sai số tốc độ càng lớn.
Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức hay chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm.
Chỉ áp dụng có các động cơ công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện trở phụ làm giảm hiệu suất động cơ.
Phương pháp này điều khiển đơn giản nhưng không điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy cấp. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mô men tải, tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D = ωmax/ωmin cảng nhỏ. Phương pháp này thường điều chỉnh trong dải D = 3:1.
- Thay đổi điện áp phần ứng
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điện một chiều cần phải có các thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển.
Hình 15. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng Vì từ thông Фв của hệ thống được giữ không đổi, nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lý tưởng của động cơ phụ thuộc vào giá trị điện áp điều khiển của hệ thống, do đó phương pháp điều chỉnh này là triệt để. Do vậy trong thực tế phương pháp này hay được sử dụng rộng rãi và là phương pháp tốt nhất, điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không có tổn hao điện.
- Điều chỉnh tốc độ động cơ điện bằng cách thay đổi từ thông Фв
Hình 16. Đường từ hóa của động cơ điện một chiều khi thay đổi dòng điện kích từ Iв
Theo đặc tính của đường từ hóa thì tại giá trị Iв/Iном = 0,4 thì từ thông Фв/Фном tăng tuyến tính theo tỷ số Iв/Iном;
Theo đặc tính của đường từ hóa thì tại giá trị Iв/Iном = 0,4-1,4 thì từ thông Фв/Фном tăng chậm theo tỷ số Iв/Iном;
Theo đặc tính của đường từ hóa thì tại giá trị Iв/Iном >1,4 thì từ thông Фв/Фном không tăng, xảy ra bão hòa từ trường;
Hình 18. Sơ đồ thực hiện hãm động năng một cấp (a) và 3 cấp (b) động cơ điện một chiều với đặc điểm điều khiển theo thời gian và giản đồ hãm 3 cấp (c).
Trên hình 18a): Để mở máy động cơ ấn nút SB2, khí đó công tắc tơ KM có điện, đóng các tiếp điểm thường mở của nó lại để duy trì nút ấn SB2 và cấp nguồn cho rơ le thời gian kiểu điện từ KT, đồng thời mở tiếp điểm KM1 tại mạch cuộn hút công tắc tơ KM2. Rơ le thời gian có điện, sau khoảng thời gian đặt độ trễ tiếp điểm KT sẽ đóng lại trên mạch KM2.
Lệnh để chuyển động cơ điện một chiều sang chế độ hãm động năng trên sơ đồ nêu trên là nút ấn SB1 (nút dừng). Khi ấn nút SB1 công tắc tơ KM1 mất điện, các tiếp điểm thường đóng mở ra, các tiếp điểm thường mở của nó đóng lại. Lúc này phần ứng động cơ đã được ngắt khỏi lưới điện và chỉ còn quay theo quán tính. Trong lúc này, cuộn hút rơ le thời gian KT2 mất điện, và sau khoảng thời gian trễ, tiếp điểm KT2 tại mạch KM2 sẽ được đóng lại (lúc này tiếp điểm KM1 mạch này cũng đã đóng). Cuộn hút công tắc tơ KM2 có điện sẽ đóng tiếp
điểm của nó trên mạch R2, đưa điện trở hãm mắc song song với phần ứng của động cơ để bắt đầu thực hiện quá trình hãm động năng.
Trên hình 18b): là sơ đồ điều khiển quá trình hãm nhiều cấp. Quá trình hãm nhiều cấp thực hiện nhờ các công tắc tơ KM2, KM3, KM4. Những công tắc tơ này được điều khiển qua các rơ le thời gian kiểu điện từ KT1, KT2, KT3.
Khi ấn nút SB2 thì cuộn hút công tắc tơ KM1 có điện, các tiếp điểm thường mở của nó đóng mạch duy trì nút ấn SB2 và cấp nguồn cho phần ứng, động cơ bắt đầu làm việc.
Để dừng động cơ ấn nút SB1, SB1 có khóa liên động cơ khí sẽ đóng tiếp điểm trên mạch cuộn hút KM2. Lúc này cuộn hút KM1 mất điện, tiếp điểm của nó đang ở trạng thái đóng trên mạch phần ứng mở ra, lúc này động cơ bắt đầu dừng làm việc, rô to vẫn quay theo quán tính.
Mạch cuộn hút của rơ le thời gian KT1 luôn luôn có điện, sau khoảng thời gian thiết lập t1 nó sẽ đóng tiếp điểm thường mở đóng chậm của nó trên mạch cuộn hút công tắc tơ KM2, để sẵn sàng chuẩn bị cho quá trình hãm khi ấn nút dừng SB1.
Măt khác cuộn hút của các rơ le thời gian kiểu điện từ KT2, KT3 cũng luôn có điện, sau khoảng thời gian thiết lập t2, t3 > t1 nó sẽ mở các tiếp điểm thường đóng mở chậm của mình trên mạch cuộn hút công tắc tơ KM3, KM4.
Khi ấn nút dừng SB1, khóa liên động của nó trên mạch cuộn hút KM đóng lại. Lúc này tiếp điểm KT1 cũng đã đóng, mạch cuộn hút công tắc tơ KM có điện, sẽ đóng tiếp KM2 trên mạch điện trở hãm và đưa điện trở hãm vào làm việc ở cấp 1 toàn trở.
Sau khoảng thời gian t2, t3 từ thời điểm ấn nút SB1 lần lượt cuộn hút các công tắc tơ KM3, KM4 có điện, sẽ đóng các tiếp điểm của nó trên mạch điện trở hãm loại dần điện trở hãm ra (hãm 3 cấp).
Giản đồ hãm nêu tại hình 18c. Ơ thời điểm bắt đầu dừng động cơ, tốc độ động cơ vẫn đạt giá trị lớn nhất. Quá trình hãm động cơ giảm dần tốc độ, ứng với các giá trị dòng điện I1, I2 và quá trình ngắt dần điện trở hãm.
*Đối với hãm động năng một cấp thường sử dụng phương pháp điều khiển theo nguyên lý tốc độ. Sơ đồ nguyên lý được nêu tại hình 19. Kiểm soát tốc độ thực hiện nhờ rơ le điện áp KV mà cuộn hút của nó nối song song với phần ứng của động cơ điện một chiều.
được điều chỉnh hoạt động ở điện áp ứng với tốc độ động cơ ở mức 15-20% tốc độ định mức. Uc – điện áp lưới điện.
Hình 20. Sơ đồ điều khiển hãm ngược động cơ điện một chiều theo nguyên lý kiểm soát tốc độ.
Uс — điện áp lưới điện, Rx — phần điện trở nối tới cuộn dây rơ le hãm ngược (KV1 hoặc KV2), R — điện trở toàn phần mạch phần ứng.
Điểm kết nối các cuộn dây rơ le với điện trở khởi động và biến trở hãm, hay chính là giá trị Rx được xác định theo điều kiện không có điện áp trên rơ le khi bắt đầu quá trình hãm, khi đó:
ωнач - tốc độ động cơ khi bắt đầu hãm. Biến trở hãm bao gồm: biến trở khởi động R 2 và biến trở hãm theo bậc R 1.
Trạng thái ngắt các tiếp điểm thường đóng của rơ le hãm ngược trong quá trình của toàn bộ quá trình hãm được bảo đảm bởi sự có mặt của điện trở hãm toàn phần trong mạch phần ứng động cơ điện một chiều, điện trở này xác định dòng điện hãm cho phép. Ở cuối quá trình hãm rơ le KV1, hoặc KV2 đóng, công tắc tơ hãm ngược KM4 làm việc và cho phép bắt đầu đảo chiều quay khi kết thúc quá trình hãm. Khi khởi động động cơ thì KV hoặc KV2 sẽ đóng ngay sau khi đưa lệnh điều khiển khởi động động cơ. Khi đó KM4 đóng và ngắt điện trở hãm cấp R1, cuộn dây rơ le gia tốc KT ngắn mạch lại. Sau khoảng thời gian trễ rơ le KT đóng tiếp điểm của nó trên mạch cuộn hút KM5, nó đóng mạch động lực và ngắn
mạch phần điện trở khởi động R2, động cơ lúc này làm việc ở đường đặc tính cơ tự nhiên. 2. Hãm cơ khí bằng phanh điện từ. Khi dừng động cơ, đặc biệt là trong các cơ cấu cơ khí nâng hạ, dịch chuyển chúng ta thường sử dụng phanh cơ (phanh điện từ). Sơ đồ đấu nối phanh điện từ nêu tại hình 21. Điều khiển hãm thực hiện qua cuộn hút YB của phanh điện từ. Khi cấp điện đến YB thì phanh sẽ nhả ra và ngược lại dừng cấp điện cuộn hút YB thì phanh đóng lại. Để cấp điện cho cuộn hút YB có độ tự cảm lớn thì phải nối nó với điện áp nguồn qua công tắc tơ dập hồ quang KM5.
Hình 21. Sơ đồ đấu nối phanh điện từ động cơ điện một chiều
Đóng và ngắt công tắc tơ KM5 nhờ các tiếp điểm phụ của công tắc tơ tuyến tính KM1 (hình 21b) hoặc công tắc tơ đảo chiều KM2 và KM3 trong sơ đồ đảo chiều. Bình thường hãm cơ khí thường được thực hiện cùng với hãm điện, nhưng được thực hiện sau khi kết thúc hãm động năng hoặc sau một khoảng thời gian duy trì hãm động năng. Khi đó nguồn cuộn phanh YB trong quá trình hãm động năng nhận được qua công tắc tơ KM4 (hình 21g).
Cuộn hút của phanh thường được đấu nối tăng cường công tắc tơ phụ KM6 (hình 4 d), công tắc tơ này ngắt nguồn nhờ rơ le dòng điện KA, KA đóng mạch khi đóng mạch phanh điện từ YB. Rơ le thời gian được sử dụng để bảo đảm bảo phanh cơ khi dừng động cơ.