Brushed DC – Động cơ điện một chiều chổi than

Động cơ điện DC có chổi than là động cơ điện chuyển mạch bên trong được thiết kế để chạy từ nguồn điện một chiều và sử dụng chổi điện để tiếp xúc.

Động cơ chổi than là ứng dụng quan trọng về mặt thương mại đầu tiên của năng lượng điện để điều khiển năng lượng cơ học và hệ thống phân phối DC đã được sử dụng trong hơn 100 năm để vận hành động cơ trong các tòa nhà thương mại và công nghiệp.

Động cơ DC chổi than có thể thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện áp hoạt động hoặc cường độ của từ trường. Tùy thuộc vào kết nối của trường với nguồn điện, đặc tính tốc độ và mô-men xoắn của động cơ chổi than có thể được thay đổi để cung cấp tốc độ ổn định hoặc tốc độ tỷ lệ nghịch với tải cơ học.

Động cơ DC hai cực đơn giản

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây quấn quanh lõi sắt mềm nằm bên trong từ trường ngoài, mặt cực dương chịu tác động của lực hướng lên, trong khi mặt còn lại chịu tác động của lực hướng xuống. Theo quy tắc bàn tay trái của Fleming, các lực này gây ra hiệu ứng quay trên cuộn dây, khiến nó quay. Để làm cho động cơ quay theo một hướng không đổi, các cổ góp “dòng điện một chiều” làm cho dòng điện đảo chiều cứ sau nửa chu kỳ (trong động cơ hai cực), do đó làm cho động cơ tiếp tục quay theo cùng một hướng.

Một vấn đề với động cơ ở trên là khi mặt phẳng của cuộn dây song song với từ trường—tức là. khi các cực của rôto cách các cực của stato một góc 90 độ thì mô men xoắn bằng không. Trong các hình ảnh trên, điều này xảy ra khi lõi của cuộn dây nằm ngang—vị trí mà nó sắp đạt tới trong hình ảnh thứ hai đến cuối cùng ở bên phải. Động cơ sẽ không thể khởi động ở vị trí này. Tuy nhiên, một khi nó đã được khởi động, nó sẽ tiếp tục quay quanh vị trí này bằng động lượng.

Có một vấn đề thứ hai với thiết kế cực đơn giản này. Ở vị trí mô-men xoắn bằng không, cả hai chổi than của bộ góp điện đều chạm (nối) cả hai tấm bộ góp điện, dẫn đến đoản mạch. Các dây dẫn điện bị đoản mạch với nhau thông qua các tấm bộ phận góp điện và cuộn dây cũng bị đoản mạch thông qua cả hai chổi than (cuộn dây bị đoản mạch hai lần, một lần thông qua mỗi chổi than độc lập). Lưu ý rằng vấn đề này không liên quan đến vấn đề không khởi động ở trên; ngay cả khi có dòng điện cao trong cuộn dây ở vị trí này, vẫn sẽ không có mô-men xoắn nào. Vấn đề ở đây là hiện tượng đoản mạch này vô ích tiêu thụ điện mà không tạo ra bất kỳ chuyển động nào (thậm chí không tạo ra bất kỳ dòng điện nào trong cuộn dây). Đối với động cơ DC hai cực chạy bằng pin dòng điện thấp, hiện tượng đoản mạch này thường không được coi là có hại. Tuy nhiên, nếu một động cơ hai cực được thiết kế để thực hiện công việc thực tế với công suất đầu ra vài trăm watt, thì hiện tượng đoản mạch này có thể dẫn đến quá nhiệt nghiêm trọng của bộ phận góp điện, hư hỏng chổi than và có khả năng hàn chổi than vào bộ phận góp điện—nếu chúng là kim loại. Chổi than các bon, loại chổi than thường được sử dụng, sẽ không hàn được. Trong mọi trường hợp, việc chập mạch như thế này rất lãng phí, làm pin nhanh hết và ít nhất là đòi hỏi các thành phần cung cấp điện phải được thiết kế theo tiêu chuẩn cao hơn nhiều so với mức cần thiết để chạy động cơ mà không bị chập mạch.

Một giải pháp đơn giản là tạo một khoảng hở giữa các tấm chuyển mạch rộng hơn đầu chổi than. Điều này làm tăng phạm vi mô-men xoắn bằng không của các vị trí góc nhưng loại bỏ vấn đề đoản mạch; nếu động cơ bắt đầu quay do lực bên ngoài, nó sẽ tiếp tục quay. Với sửa đổi này, nó cũng có thể được tắt hiệu quả chỉ bằng cách dừng (dừng) nó ở một vị trí trong phạm vi góc mô-men xoắn bằng không (tức là chuyển mạch không tiếp xúc). Một nhược điểm rõ ràng của giải pháp đơn giản này là động cơ lướt qua một cung quay đáng kể hai lần mỗi vòng và mô-men xoắn bị xung. Điều này có thể vẫn hiệu quả đối với quạt điện hoặc để giữ cho bánh đà quay nhưng có nhiều ứng dụng, ngay cả khi không cần khởi động và dừng, thì nó hoàn toàn không phù hợp, chẳng hạn như lái tời của băng tải hoặc bất kỳ trường hợp tương tự nào mà việc tăng tốc và giảm tốc thường xuyên và nhanh chóng là một yêu cầu. Một nhược điểm nữa là vì các cuộn dây có độ tự cảm, nên dòng điện chạy trong chúng không thể dừng đột ngột. Dòng điện cố gắng nhảy qua khe hở giữa đoạn cổ góp và chổi than, gây ra hồ quang.

Ngay cả đối với quạt và bánh đà, những điểm yếu rõ ràng còn lại trong thiết kế này—đặc biệt là nó không tự khởi động từ mọi vị trí—khiến nó không thực tế khi sử dụng trong công việc, đặc biệt là khi xem xét các giải pháp thay thế tốt hơn hiện có.Hiện nay, động cơ DC thường được thiết kế với nhiều hơn hai cực, có thể khởi động từ bất kỳ vị trí nào và không có vị trí nào mà dòng điện có thể chạy qua mà không tạo ra công suất điện động bằng cách đi qua một số cuộn dây.

Nhiều động cơ DC chổi than nhỏ thông dụng được sử dụng trong đồ chơi và các thiết bị tiêu dùng nhỏ, những động cơ DC sản xuất hàng loạt đơn giản nhất hiện có, có phần ứng ba cực. Chổi than có thể bắc cầu hai đoạn bộ góp điện liền kề mà không gây ra đoản mạch. Phần ứng ba cực này cũng có ưu điểm là dòng điện từ chổi than chạy qua hai cuộn dây nối tiếp hoặc chỉ qua một cuộn dây. Bắt đầu với dòng điện trong một cuộn dây riêng lẻ ở một nửa giá trị danh nghĩa của nó (do chạy qua hai cuộn dây nối tiếp), nó tăng lên đến giá trị danh nghĩa của nó và sau đó giảm xuống một nửa giá trị này. Sau đó, trình tự tiếp tục với dòng điện theo hướng ngược lại. Điều này dẫn đến sự xấp xỉ từng bước gần hơn với dòng điện cuộn dây hình sin lý tưởng, tạo ra mô-men xoắn đều hơn so với động cơ hai cực, trong đó dòng điện trong mỗi cuộn dây gần với sóng vuông hơn. Vì sự thay đổi dòng điện chỉ bằng một nửa so với động cơ hai cực tương đương, nên hồ quang tại chổi than do đó ít hơn.

Nếu trục của động cơ DC quay bởi một lực bên ngoài, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện và tạo ra một suất điện động (EMF). Trong quá trình hoạt động bình thường, sự quay của động cơ tạo ra một điện áp, được gọi là phản lực điện động (CEMF) hoặc EMF ngược, vì nó chống lại điện áp được áp dụng vào động cơ. EMF ngược là lý do tại sao động cơ khi chạy tự do dường như không có cùng điện trở thấp như dây dẫn chứa trong cuộn dây của nó. Đây là cùng một EMF được tạo ra khi động cơ được sử dụng làm máy phát điện (ví dụ khi tải điện, chẳng hạn như bóng đèn, được đặt trên các đầu cực của động cơ và trục động cơ được truyền động bằng mô-men xoắn bên ngoài). Do đó, tổng điện áp rơi trên động cơ bao gồm điện áp rơi CEMF và điện áp rơi ký sinh do điện trở bên trong của các cuộn dây của phần ứng. Dòng điện chạy qua động cơ được biểu thị bằng phương trình sau:

Công suất cơ học do động cơ tạo ra được tính theo công thức:

Khi động cơ DC không tải quay, nó sẽ tạo ra một suất điện động chảy ngược chống lại dòng điện đặt vào động cơ. Dòng điện qua động cơ giảm khi tốc độ quay tăng và động cơ quay tự do có rất ít dòng điện. Chỉ khi tải được cấp cho động cơ làm chậm rôto thì dòng điện chạy qua động cơ mới tăng.

Mặt phẳng chuyển mạch

Trong máy phát điện (dynamo), một mặt phẳng đi qua tâm của các vùng tiếp xúc, tại đó một cặp chổi than chạm vào bộ phận chuyển mạch và song song với trục quay của phần ứng được gọi là mặt phẳng chuyển mạch. Trong sơ đồ này, mặt phẳng chuyển mạch chỉ được hiển thị cho một trong các chổi, giả sử chổi còn lại tiếp xúc ở phía bên kia của cổ góp với đối xứng hướng tâm, 180 độ so với chổi được hiển thị.

Bù biến dạng trường stator

Trong một máy phát điện thực, từ trường không bao giờ đồng đều một cách hoàn hảo. Thay vào đó, khi rôto quay, nó tạo ra các hiệu ứng từ trường kéo và làm biến dạng các đường từ của stato không quay bên ngoài.

Rotor quay càng nhanh thì mức độ biến dạng từ trường càng lớn. Vì máy phát điện hoạt động hiệu quả nhất khi từ trường rotor vuông góc với từ trường stato, nên cần phải làm chậm hoặc đẩy nhanh vị trí chổi than để đưa từ trường rotor vào đúng vị trí vuông góc với từ trường bị biến dạng.

Các hiệu ứng trường này sẽ bị đảo ngược khi hướng quay bị đảo ngược. Do đó, rất khó để chế tạo một máy phát điện chuyển mạch thuận nghịch hiệu quả, vì để có cường độ trường cao nhất cần phải di chuyển chổi than sang phía đối diện của mặt phẳng trung hòa thông thường.

Hiệu ứng này có thể được coi là tương tự như điều chỉnh định thời trong động cơ đốt trong. Nhìn chung, một máy phát điện được thiết kế để chạy ở một tốc độ cố định nhất định sẽ có chổi than cố định vĩnh viễn để căn chỉnh từ trường để đạt hiệu suất cao nhất ở tốc độ đó.

Máy điện một chiều có stato dây quấn bù lại độ méo bằng cuộn dây kích từ đảo chiều và cuộn dây bù.

Các biến thể thiết kế động cơ DC

Động cơ DC chổi than được chế tạo bằng rôto quấn dây và stato nam châm quấn hoặc nam châm vĩnh cửu.

Stator dây quấn

Theo truyền thống, cuộn dây kích từ tồn tại ở bốn dạng cơ bản: kích từ riêng biệt (sepex), dây quấn nối tiếp, dây quấn song song, quấn hỗn hợp.

Trong động cơ dây quấn nối tiếp, các cuộn dây kích từ được nối điện nối tiếp với các cuộn dây phần ứng (thông qua chổi than). Trong động cơ quấn song song, các cuộn dây kích từ được nối song song hoặc “shunt” (kích từ song song) với cuộn dây phần ứng. Trong động cơ kích từ độc lập (sepex), cuộn dây kích từ được cung cấp từ một nguồn độc lập, chẳng hạn như động cơ-máy phát điện và dòng điện kích từ không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi trong dòng điện phần ứng. Hệ thống sepex đôi khi được sử dụng trong động cơ kéo DC để tạo điều kiện kiểm soát độ trượt bánh xe.

Động cơ nam châm vĩnh cửu

Các loại nam châm vĩnh cửu có một số lợi thế về hiệu suất so với các loại đồng bộ, kích từ, dòng điện một chiều và đã trở nên chiếm ưu thế trong các ứng dụng mã lực nhỏ. Chúng nhỏ hơn, nhẹ hơn, hiệu quả hơn và đáng tin cậy hơn so với các máy điện dùng một nguồn điện khác.

Ban đầu, tất cả các động cơ DC công nghiệp lớn đều sử dụng nam châm trường quấn hoặc nam châm rôto. Nam châm vĩnh cửu theo truyền thống chỉ hữu ích trên các động cơ nhỏ vì rất khó tìm được vật liệu có khả năng duy trì từ trường cường độ cao. Chỉ gần đây, những tiến bộ trong công nghệ vật liệu mới cho phép tạo ra các nam châm vĩnh cửu cường độ cao, chẳng hạn như nam châm neodymium, cho phép phát triển các động cơ nhỏ gọn, công suất cao mà không cần thêm thể tích cuộn dây trường và phương tiện kích thích. Nhưng khi các nam châm vĩnh cửu hiệu suất cao này được ứng dụng nhiều hơn trong các hệ thống động cơ điện hoặc máy phát điện thì các vấn đề khác sẽ xuất hiện.

Động cơ trường hướng trục

Theo truyền thống, trường được áp dụng theo hướng xuyên tâm—vào và ra khỏi trục quay của động cơ. Tuy nhiên, một số thiết kế có trường chạy dọc theo trục của động cơ, với rôto cắt các đường sức từ khi nó quay. Điều này cho phép tạo ra từ trường mạnh hơn nhiều, đặc biệt nếu sử dụng dãy halbach. Đổi lại, điều này cung cấp năng lượng cho động cơ ở tốc độ thấp hơn. Tuy nhiên, mật độ từ thông tập trung không thể tăng lên xung quanh mật độ từ thông dư giới hạn của nam châm vĩnh cửu mặc dù có độ kháng từ cao và giống như tất cả các máy điện, mật độ từ thông bão hòa lõi từ là hạn chế trong thiết kế.

Điều khiển tốc độ

Nhìn chung, tốc độ quay của động cơ DC tỷ lệ thuận với suất điện động trong cuộn dây của nó (= điện áp được áp dụng cho nó trừ đi điện áp bị mất trên điện trở của nó), và mô-men xoắn tỷ lệ thuận với dòng điện. Có thể kiểm soát tốc độ bằng cách thay đổi đầu ra của pin, điện áp cung cấp thay đổi, điện trở hoặc điều khiển điện tử. Hướng của động cơ DC trường dây quấn có thể được thay đổi bằng cách đảo ngược các kết nối trường hoặc phần ứng chứ không phải cả hai. Điều này thường được thực hiện với một bộ công tắc tơ đặc biệt (công tắc tơ định hướng). Điện áp hiệu dụng có thể được thay đổi bằng cách lắp một điện trở nối tiếp hoặc bằng một thiết bị chuyển mạch điều khiển điện tử làm từ thyristor, bóng bán dẫn hoặc trước đây là bộ chỉnh lưu hồ quang thủy ngân.

Điều khiển Nối tiếp-song song (series-parallel control)

Điều khiển song song nối tiếp là phương pháp tiêu chuẩn để điều khiển động cơ kéo đường sắt trước khi có sự ra đời của điện tử công suất. Một đầu máy xe lửa hoặc tàu điện thường có bốn động cơ có thể được nhóm lại theo ba cách khác nhau:

• Tất cả bốn động cơ nối tiếp (mỗi động cơ nhận được một phần tư điện áp đường dây), tốc độ thấp nhất.
• Hai nhóm song song gồm hai động cơ nối tiếp (mỗi động cơ nhận được một nửa điện áp đường dây).
• Cả bốn động cơ song song (mỗi động cơ nhận được toàn bộ điện áp đường dây), tốc độ cao nhất.

Điều này cung cấp ba tốc độ chạy với tổn thất sức cản tối thiểu. Đối với việc khởi động và tăng tốc, khả năng kiểm soát bổ sung được cung cấp bởi sức cản. Hệ thống này đã được thay thế bằng hệ thống điều khiển điện tử.

Làm yếu từ trường

Tốc độ của động cơ DC có thể tăng lên bằng cách làm yếu từ trường. Giảm cường độ từ trường được thực hiện bằng cách chèn điện trở nối tiếp với trường shunt hoặc chèn điện trở xung quanh cuộn dây từ trường được kết nối nối tiếp để giảm dòng điện trong cuộn dây từ trường. Khi từ trường yếu đi, điện trở ngược giảm đi, do đó dòng điện lớn hơn chạy qua cuộn dây phần ứng và điều này làm tăng tốc độ. Làm yếu từ trường không được sử dụng riêng lẻ mà kết hợp với các phương pháp khác, chẳng hạn như điều khiển nối tiếp-song song (series-parallel control).

Vì động cơ DC cuộn dây nối tiếp tạo ra mô-men xoắn cao nhất ở tốc độ thấp nên nó thường được sử dụng trong các ứng dụng kéo như đầu máy xe lửa điện và xe điện. Một ứng dụng khác là động cơ khởi động cho động cơ xăng và động cơ diesel nhỏ. Động cơ nối tiếp không bao giờ được sử dụng trong các ứng dụng mà bộ truyền động có thể bị hỏng (như bộ truyền động đai). Khi động cơ tăng tốc, dòng điện phần ứng (và do đó là dòng điện trường) sẽ giảm. Việc giảm từ trường khiến động cơ tăng tốc và trong trường hợp nghiêm trọng, động cơ thậm chí có thể tự hủy, mặc dù vấn đề này ít xảy ra hơn ở động cơ làm mát bằng quạt (có quạt tự dẫn động). Đây có thể là vấn đề với động cơ đường sắt trong trường hợp mất độ bám dính vì nếu không được kiểm soát nhanh chóng, động cơ có thể đạt tốc độ cao hơn nhiều so với tốc độ bình thường. Điều này không chỉ gây ra vấn đề cho chính động cơ và bánh răng mà do tốc độ chênh lệch giữa ray và bánh xe cũng có thể gây hư hỏng nghiêm trọng cho ray và mặt bánh xe khi chúng nóng lên và nguội đi nhanh chóng.

Làm suy yếu từ trường được sử dụng trong một số bộ điều khiển điện tử để tăng tốc độ tối đa của xe điện. Dạng đơn giản nhất sử dụng một contactor và điện trở làm yếu từ trường; bộ điều khiển điện tử theo dõi dòng điện của động cơ và chuyển điện trở làm yếu từ trường vào mạch khi dòng điện của động cơ giảm xuống dưới một giá trị cài đặt trước (điều này sẽ xảy ra khi động cơ đạt tốc độ thiết kế đầy đủ). Khi điện trở vào mạch, động cơ sẽ tăng tốc độ lên trên tốc độ bình thường ở điện áp định mức. Khi dòng điện của động cơ tăng, bộ điều khiển sẽ ngắt kết nối điện trở và mô-men xoắn tốc độ thấp sẽ được cung cấp.

Bộ ngắt quãng điện – Chopper

Trong một mạch được gọi là chopper, điện áp trung bình được áp dụng cho động cơ được thay đổi bằng cách chuyển đổi điện áp cung cấp rất nhanh. Khi tỷ lệ “bật” sang “tắt” được thay đổi để thay đổi điện áp trung bình được áp dụng, tốc độ của động cơ thay đổi. Phần trăm thời gian “bật” nhân với điện áp cung cấp sẽ cho ra điện áp trung bình được áp dụng cho động cơ. Do đó, với nguồn cung cấp 100 V và thời gian “bật” 25%, điện áp trung bình tại động cơ sẽ là 25 V. Trong thời gian “tắt”, độ tự cảm của phần ứng khiến dòng điện tiếp tục chạy qua một điốt được gọi là “điốt flyback”, song song với động cơ. Tại thời điểm này trong chu kỳ, dòng điện cung cấp sẽ bằng không và do đó dòng điện động cơ trung bình sẽ luôn cao hơn dòng điện cung cấp trừ khi thời gian “bật” là 100%. Tại thời điểm “bật” 100%, dòng điện cung cấp và động cơ bằng nhau. Việc chuyển mạch nhanh chóng lãng phí ít năng lượng hơn so với điện trở nối tiếp. Phương pháp này cũng được gọi là điều chế độ rộng xung (PWM) và thường được điều khiển bởi bộ vi xử lý. Đôi khi, bộ lọc đầu ra được lắp đặt để làm mịn điện áp trung bình được áp dụng cho động cơ và giảm tiếng ồn của động cơ.

Ward Leonard

Bộ điều khiển Ward Leonard thường được sử dụng để điều khiển động cơ DC shunt hoặc cuộn dây hỗn hợp, và được phát triển như một phương pháp cung cấp động cơ có kiểm soát tốc độ từ nguồn cung cấp AC, mặc dù nó không phải là không có lợi thế trong các sơ đồ DC. Nguồn cung cấp AC được sử dụng để điều khiển động cơ AC, thường là động cơ cảm ứng điều khiển máy phát điện DC. Đầu ra DC từ phần ứng được kết nối trực tiếp với phần ứng của động cơ DC (đôi khi nhưng không phải lúc nào cũng có cấu trúc giống hệt nhau). Các cuộn dây trường shunt của cả hai máy DC đều được kích thích độc lập thông qua các điện trở thay đổi. Có thể đạt được khả năng kiểm soát tốc độ cực kỳ tốt từ trạng thái dừng đến tốc độ tối đa và mô-men xoắn ổn định bằng cách thay đổi dòng điện trường của máy phát điện và/hoặc động cơ.

Phương pháp điều khiển này là phương pháp thực tế từ khi phát triển cho đến khi nó được thay thế bởi các hệ thống thyristor trạng thái rắn. Nó được sử dụng trong hầu hết mọi môi trường cần kiểm soát tốc độ tốt, từ thang máy chở khách đến thiết bị quấn đầu hố mỏ lớn và thậm chí cả máy móc quy trình công nghiệp và cần cẩu điện. Nhược điểm chính của nó là cần ba máy để thực hiện một sơ đồ (năm máy trong các cơ sở rất lớn, vì các máy DC thường được sao chép và điều khiển bằng một điện trở biến đổi song song).

Trong nhiều ứng dụng, bộ động cơ-máy phát điện thường được để chạy liên tục, để tránh sự chậm trễ nếu không sẽ xảy ra khi khởi động khi cần thiết. Mặc dù bộ điều khiển điện tử (thyristor) đã thay thế hầu hết các hệ thống Ward-Leonard nhỏ đến trung bình, nhưng một số bộ điều khiển rất lớn (hàng nghìn mã lực) vẫn được sử dụng. Dòng điện kích từ thấp hơn nhiều so với dòng điện phần ứng, cho phép một bộ thyristor có kích thước vừa phải điều khiển một động cơ lớn hơn nhiều so với mức nó có thể điều khiển trực tiếp. Ví dụ, trong một cơ sở lắp đặt, một bộ thyristor 300 ampe điều khiển từ trường của máy phát điện. Dòng điện đầu ra của máy phát điện vượt quá 15.000 ampe, sẽ rất tốn kém (và không hiệu quả) nếu điều khiển trực tiếp bằng thyristor.