Hiệu suất động cơ DC: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và công suất

Hiệu suất của động cơ DC được đặc trưng bởi một số thông số chính quyết định tổng thể hiệu suất và công suất đầu ra của chúng. Việc hiểu được các thông số này và mối quan hệ giữa chúng là rất quan trọng để tối ưu hóa việc lựa chọn và vận hành động cơ trong nhiều ứng dụng khác nhau.

• Mô-men xoắn là lực quay do động cơ tạo ra, thường được đo bằng Newton-mét (Nm). Nó thể hiện khả năng của động cơ trong việc vượt qua lực cản và tăng tốc tải. Mô-men xoắn đầu ra của động cơ DC tỷ lệ thuận với dòng điện phần ứng và cường độ của từ trường.

• Tốc độ, được đo bằng số vòng trên phút (RPM), cho biết trục của động cơ quay nhanh như thế nào. Trong động cơ DC, tốc độ tỷ lệ nghịch với mô-men xoắn tải và tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào. Tốc độ không tải của động cơ được xác định bởi hằng số điện áp (Kv).

• Công suất đầu ra là tốc độ mà động cơ có thể thực hiện công, được đo bằng watt. Nó là tích của mô men xoắn và vận tốc góc (tốc độ). Đường cong công suất đầu ra của động cơ DC thường đạt đỉnh tại một điểm vận hành cụ thể, tại đó động cơ cung cấp công suất tối đa cho tải.

• Hiệu suất là tỷ lệ công suất cơ học đầu ra so với công suất điện đầu vào, được biểu thị dưới dạng phần trăm. Nó biểu thị mức độ hiệu quả của động cơ chuyển đổi năng lượng điện thành công cơ học. Hiệu suất của động cơ DC bị ảnh hưởng bởi nhiều tổn thất khác nhau, bao gồm tổn thất đồng trong các cuộn dây, tổn thất sắt trong lõi và tổn thất cơ học do ma sát.

Các thông số này có mối quan hệ phức tạp với nhau. Khi tải tăng, mô men xoắn tăng trong khi tốc độ giảm. Mối quan hệ này thường được biểu diễn bằng đường cong mô men xoắn-tốc độ, đặc trưng cho từng loại và kích thước động cơ. Đồ thị trên của đường cong mô men xoắn-tốc độ điển hình sẽ rất có lợi cho việc trực quan hóa mối quan hệ này.

Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ DC:

• Tải: Tải trọng cơ học trên động cơ ảnh hưởng trực tiếp đến mô-men xoắn và tốc độ của động cơ.
• Điện áp: Tăng điện áp đặt vào thường làm tăng tốc độ động cơ và công suất đầu ra.
• Dòng điện: Dòng điện phần ứng quyết định mô-men xoắn đầu ra và ảnh hưởng đến hiệu suất thông qua tổn thất đồng.
• Cường độ từ trường: Trong các động cơ có cường độ từ trường thay đổi, điều này ảnh hưởng đến cả đặc tính mô-men xoắn và tốc độ.
• Nhiệt độ: Hiệu suất của động cơ có thể giảm ở nhiệt độ cao do điện trở tăng và khả năng mất từ.
• Chất lượng chuyển mạch: Ở động cơ chổi than, tình trạng của chổi than và bộ chuyển mạch (cổ góp) ảnh hưởng đến hiệu suất và hiệu suất tổng thể.

Kỹ thuật kiểm soát tốc độ: Tinh chỉnh hoạt động của động cơ

Động cơ DC cung cấp khả năng kiểm soát tốc độ tuyệt vời, đây là một trong những lợi thế chính của chúng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Ba kỹ thuật chính thường được sử dụng để kiểm soát tốc độ của động cơ DC: kiểm soát điện áp, Điều chế độ rộng xung (PWM) và làm suy yếu trường.

• Kiểm soát điện áp là phương pháp kiểm soát tốc độ đơn giản nhất. Nguyên lý đằng sau kỹ thuật này rất đơn giản: bằng cách thay đổi điện áp được áp dụng cho động cơ, tốc độ có thể được điều chỉnh tuyến tính. Tăng điện áp sẽ tăng tốc độ trong khi giảm điện áp sẽ làm giảm tốc độ. Phương pháp này dễ thực hiện và tiết kiệm chi phí, phù hợp với các ứng dụng cơ bản. Tuy nhiên, nó có những hạn chế. Ở tốc độ thấp hơn, động cơ trở nên kém hiệu quả hơn và có thể có sự sụt giảm đáng kể mô-men xoắn khi điện áp giảm.

• Điều chế độ rộng xung (PWM) là một cách tiếp cận chính xác hơn để kiểm soát tốc độ. Điều khiển xung điện áp trung bình cấp vào động cơ bằng cách thay đổi chu kỳ hoạt động của tín hiệu số. Động cơ nhận được điện áp đầy đủ trong một khoảng thời gian ngắn, sau đó là khoảng thời gian không có điện áp, kiểm soát tốc độ hiệu quả mà không làm mất mô-men xoắn. ​​Phương pháp này hiệu quả hơn so với điều khiển điện áp đơn giản và duy trì mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp. Tuy nhiên, nó đòi hỏi các mạch điều khiển điện tử phức tạp hơn và có khả năng gây ra nhiễu điện và các vấn đề về nhiệt.

• Làm suy yếu trường là một kỹ thuật được sử dụng chủ yếu trong động cơ DC kích từ độc lập. Trong phương pháp này, dòng điện trường giảm, làm giảm cường độ từ trường. Điều này làm tăng tốc độ của động cơ vượt quá tốc độ định mức bình thường của nó. Sự suy yếu của trường cho phép tốc độ cao hơn vượt quá giới hạn định mức và mang lại sự linh hoạt cho các ứng dụng có tốc độ thay đổi. Tuy nhiên, nó đi kèm với những hạn chế đáng kể. Khi từ trường bị yếu, mô-men xoắn giảm đáng kể so với tốc độ định mức và có nguy cơ mất ổn định trong hoạt động của động cơ.

Mỗi phương pháp này đều có vị trí riêng trong các ứng dụng điều khiển động cơ. Sự lựa chọn phụ thuộc vào các yếu tố như phạm vi tốc độ yêu cầu, đặc tính mô-men xoắn, nhu cầu hiệu quả và độ phức tạp của hệ thống điều khiển. Trong nhiều ứng dụng hiện đại, có thể sử dụng kết hợp các kỹ thuật này để đạt được hiệu suất tối ưu trong nhiều điều kiện vận hành khác nhau.