Động Cơ Điện 1 Chiều Kích Từ Nối Tiếp: Cấu Tạo, Đặc Tính, Ứng Dụng

Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp (động cơ DC kích từ nối tiếp, series DC motor) là động cơ một chiều có cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với phần ứng, nên dòng tải đồng thời là dòng kích từ. Nhờ vậy động cơ cho mô-men khởi động rất lớn và tốc độ tự giảm khi tải tăng, nhưng tốc độ sẽ tăng vọt nguy hiểm nếu mất tải, vì thế luôn phải nối cứng với tải.

Bài viết giải thích cấu tạo, sơ đồ đấu dây, nguyên lý và đặc tính cơ, cách khởi động, đảo chiều, điều tốc, hãm, thông số điện áp – dòng điện và bộ điều khiển DC phù hợp, ưu nhược điểm, ứng dụng thực tế của động cơ một chiều kích từ nối tiếp và phần hỏi đáp chi tiết.

Mục lục

• 1. Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp là gì?
• 2. Cấu tạo và sơ đồ đấu dây động cơ kích từ nối tiếp
• 3. Nguyên lý và đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp
• 4. Khởi động, đảo chiều, điều tốc và hãm
• 5. Thông số điện áp, dòng điện và bộ điều khiển DC
• 6. Ưu điểm và hạn chế
• 7. Ứng dụng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp
• 8. So sánh kích từ nối tiếp với các kiểu kích từ khác
• 9. Câu hỏi thường gặp về động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

1. Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp là gì?

Trong động cơ điện một chiều, từ thông kích từ Φ có thể được tạo bằng nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây. Ở kiểu kích từ nối tiếp, cuộn kích từ được mắc thẳng hàng với phần ứng trên cùng một mạch, nên Φ thay đổi theo dòng tải. Khi tải nặng, dòng lớn làm từ thông mạnh, mô-men tăng rất nhanh; khi tải nhẹ, dòng nhỏ làm từ thông yếu, tốc độ tăng cao.

Đặc tính "mềm" này rất hợp với tải kéo: lúc khởi hành hoặc leo dốc cần lực lớn ở tốc độ thấp, khi đường bằng thì chạy nhanh với lực nhỏ. Đó là lý do động cơ một chiều kích từ nối tiếp từng là động cơ kéo tiêu chuẩn của tàu điện, xe điện bánh hơi, cầu trục, và vẫn là cấu tạo của motor khởi động (motor đề) trên ô tô.

Các kiểu kích từ khác được trình bày trong bài phân loại động cơ điện 1 chiều; kiến thức nền xem Tổng quan về motor điện.

2. Cấu tạo và sơ đồ đấu dây động cơ kích từ nối tiếp

• Cuộn kích từ nối tiếp: quấn trên cực từ chính, ít vòng, dây tiết diện lớn (thường dây dẹt) vì phải chịu toàn bộ dòng phần ứng; điện trở rất nhỏ, sụt áp trên cuộn chỉ vài phần trăm điện áp nguồn.
• Phần ứng (rotor): lõi thép lá, dây quấn phần ứng nối vào cổ góp.
• Cổ góp và chổi than: dẫn dòng vào phần ứng và đổi chiều dòng điện trong từng phần tử dây quấn.
• Cực phụ (cực đổi chiều) và cuộn bù: có ở động cơ cỡ trung và lớn, mắc nối tiếp phần ứng để giảm tia lửa ở chổi than khi dòng lớn.
• Vỏ, nắp, ổ bi, quạt làm mát: động cơ kéo thường có quạt cưỡng bức vì chạy chậm với dòng lớn trong thời gian dài.

Sơ đồ đấu dây: nguồn (+) → A1, phần ứng → A2 nối D1, cuộn kích từ nối tiếp D1 → D2 → nguồn (−). Theo IEC 60034-8, A1–A2 là đầu phần ứng, D1–D2 là đầu cuộn kích từ nối tiếp, B1–B2 là cuộn cực phụ (nếu đưa ra ngoài).

3. Nguyên lý và đặc tính cơ của động cơ DC kích từ nối tiếp

a. Quan hệ mô-men và dòng điện

Mô-men M = k·Φ·I. Khi mạch từ chưa bão hòa, Φ tỉ lệ với I, nên M ≈ k'·I²: dòng tăng gấp đôi thì mô-men tăng gần gấp bốn. Khi dòng lớn làm mạch từ bão hòa, Φ gần như không tăng nữa và M chỉ còn tăng gần tuyến tính theo I. Đây là cơ sở cho mô-men khởi động rất lớn của động cơ nối tiếp với cùng một mức dòng cho phép.

b. Quan hệ tốc độ và tải

Tốc độ n = (U − I·(Rư + Rkt)) / (k·Φ). Tải giảm thì I giảm, Φ giảm theo, tốc độ tăng mạnh; về lý thuyết, khi tải tiến tới 0 thì tốc độ tiến tới rất lớn. Trong thực tế, chỉ còn ma sát và quạt gió giữ tải, động cơ cỡ lớn có thể vượt nhiều lần tốc độ định mức chỉ sau vài giây, làm văng dây quấn khỏi rãnh, vỡ cổ góp. Đường đặc tính cơ có dạng hyperbol, gọi là đặc tính mềm.

c. Phản ứng phần ứng

Dòng phần ứng tạo từ trường riêng làm méo và giảm từ thông chính, ảnh hưởng mạnh nhất khi dòng lớn (tải nặng), không phải khi tải nhẹ. Cực phụ và cuộn bù được dùng để hạn chế hiện tượng này và giảm tia lửa ở chổi than.

4. Khởi động, đảo chiều, điều tốc và hãm

a. Khởi động

Lúc đứng yên chưa có sức phản điện động, dòng chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch rất nhỏ. Vì vậy động cơ nối tiếp cỡ vừa và lớn khởi động qua điện trở khởi động nhiều cấp (cắt dần bằng công tắc tơ) hoặc qua bộ chopper DC có giới hạn dòng, thường giới hạn ở 1,5–2 lần dòng định mức.

b. Đảo chiều

Đảo chiều bằng cách đổi chiều dòng điện trong phần ứng hoặc trong cuộn kích từ, không đổi cả hai. Nếu chỉ tráo hai đầu dây nguồn, dòng trong cả phần ứng lẫn cuộn kích từ cùng đổi chiều nên mô-men giữ nguyên hướng, động cơ vẫn quay như cũ. Xe điện dùng motor nối tiếp thường có cặp công tắc tơ tiến – lùi đảo riêng cuộn kích từ.

c. Điều tốc

• Thay đổi điện áp cấp: bằng bộ chopper DC (PWM công suất) hoặc chỉnh lưu thyristor, là cách hiệu quả nhất hiện nay.
• Ghép nối tiếp – song song nhiều động cơ: đầu máy dùng 2–4 động cơ, ghép nối tiếp khi khởi động để mỗi động cơ nhận nửa điện áp, sau đó chuyển sang song song.
• Điện trở phụ mạch phần ứng: đơn giản nhưng tổn hao nhiệt lớn, chỉ dùng ở hệ cũ.
• Điện trở shunt song song cuộn kích từ (làm yếu từ trường): giảm từ thông để tăng tốc độ ở vùng tải nhẹ.

d. Hãm

Hãm động năng bằng cách cắt nguồn và nối động cơ qua điện trở hãm (phải đảo đầu cuộn kích từ để máy tự kích được), hãm ngược bằng đảo chiều có điện trở hạn dòng. Hãm tái sinh trả năng lượng về nguồn khó thực hiện trực tiếp với kích từ nối tiếp, thường phải chuyển cuộn kích từ sang cấp độc lập. Tải thế năng như tời, cầu trục luôn cần phanh cơ.

5. Thông số điện áp, dòng điện và bộ điều khiển DC

• Dòng định mức ước tính I ≈ P / (U × η); motor 5 kW, 48 V, hiệu suất 85% có dòng khoảng 120 A.
• Motor đề làm việc chế độ ngắn hạn, không chạy liên tục quá thời gian hãng quy định (thường dưới 10–30 giây mỗi lần).
• Động cơ một chiều không dùng biến tần; bộ điều khiển phải ghi rõ dùng cho motor nối tiếp (series) hay motor kích từ độc lập (sepex).

6. Ưu điểm và hạn chế

a. Ưu điểm

• Mô-men khởi động rất lớn với cùng mức dòng, hợp tải kéo, tải nâng nặng lúc khởi hành.
• Tự điều chỉnh tốc độ theo tải: tải nặng thì chậm, tải nhẹ thì nhanh, công suất ra tương đối đều.
• Cấu tạo đơn giản, chỉ một mạch điện, điều khiển bằng một bộ chopper hoặc điện trở.
• Chịu quá tải ngắn hạn tốt, phù hợp chế độ làm việc khởi động – dừng liên tục.

b. Hạn chế

• Vọt tốc khi mất tải; chỉ dùng với tải nối cứng (khớp nối, bánh răng), không truyền bằng dây đai.
• Tốc độ thay đổi mạnh theo tải, không giữ tốc độ ổn định nếu không có điều khiển vòng kín.
• Hãm tái sinh khó, tổn hao năng lượng khi hãm bằng điện trở.
• Có chổi than và cổ góp cần bảo dưỡng; tia lửa ở cổ góp hạn chế dùng ở môi trường dễ cháy.
• Ở các hệ kéo mới, động cơ không đồng bộ 3 pha và motor đồng bộ nam châm vĩnh cửu kèm bộ biến đổi điện tử đã thay thế phần lớn động cơ nối tiếp.

7. Ứng dụng của động cơ một chiều kích từ nối tiếp

• Motor khởi động động cơ đốt trong (motor đề) trên ô tô, xe máy, máy phát điện diesel, máy công trình.
• Động cơ kéo tàu điện, tàu điện ngầm, xe điện bánh hơi thế hệ cũ; nhiều tuyến vẫn đang vận hành.
• Xe nâng điện, xe điện sân golf, xe kéo hành lý chạy ắc quy thế hệ cũ.
• Cầu trục, palăng, tời cần mô-men lớn khi bắt đầu nâng.
• Động cơ vạn năng (universal motor) trong máy khoan, máy mài cầm tay, máy hút bụi, máy xay: cùng cấu tạo kích từ nối tiếp, chạy được cả điện xoay chiều.

8. So sánh kích từ nối tiếp với các kiểu kích từ khác

• Mức sụt tốc là giá trị điển hình khi chạy hở, chưa có phản hồi tốc độ.
• Tải có thể mất đột ngột (đai, ly hợp) phù hợp kích từ hỗn hợp hoặc độc lập hơn kích từ nối tiếp.
• Chi tiết từng kiểu: kích từ song song, kích từ độc lập, kích từ hỗn hợp.

9. Câu hỏi thường gặp về động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

a. Người sắp mua cần hỏi gì, xác minh gì

• Làm sao xác nhận motor đúng là kích từ nối tiếp? Xem hộp cực: motor nối tiếp có đầu A1–A2 và D1–D2 (hoặc S1–S2), không có E1–E2 hay F1–F2. Đo điện trở cuộn kích từ: cuộn nối tiếp có điện trở rất nhỏ, thường dưới 1 Ω; cuộn song song hoặc độc lập có điện trở hàng chục đến hàng trăm ôm.
• Bộ điều khiển hiện có dùng được cho motor nối tiếp không? Bộ chopper cho xe điện được chia loại series, sepex, AC. Bộ sepex cần motor có cuộn kích từ riêng, không dùng được cho motor nối tiếp. Hỏi rõ điện áp ắc quy, dòng định mức, dòng đỉnh và kiểu motor ghi trên bộ điều khiển.
• Motor có chế độ làm việc nào? Motor kéo, motor tời thường ghi S2 60 phút hoặc S3 40%. Motor đề chỉ cho phép chạy vài chục giây mỗi lần. Dùng sai chế độ làm việc là nguyên nhân cháy motor phổ biến.
• Mô-men khởi động thực tế bao nhiêu? Hỏi đường đặc tính mô-men – dòng – tốc độ của hãng. Mô-men khởi động thực tế bị giới hạn bởi dòng đỉnh của bộ điều khiển và ắc quy, không chỉ bởi motor.
• Tốc độ tối đa cho phép là bao nhiêu? Đây là con số an toàn quan trọng nhất với motor nối tiếp. Xin giá trị tốc độ tối đa cơ khí cho phép để thiết kế tỉ số truyền và giới hạn tốc độ trên bộ điều khiển.
• Có cửa thăm chổi than và phụ tùng không? Motor nối tiếp dòng lớn mòn chổi nhanh; nên chọn loại có cửa thăm dễ mở và hỏi sẵn mã chổi than, lò xo thay thế.

b. Người đã mua: lắp sao cho đúng, dùng sao cho tối ưu

• Nối motor với tải bằng gì? Bằng khớp nối cứng, khớp nối răng hoặc bánh răng ăn khớp trực tiếp. Không dùng dây đai, ly hợp có thể nhả hoàn toàn khi motor đang có điện, vì mất tải là motor vọt tốc.
• Chạy thử lần đầu thế nào cho an toàn? Chỉ chạy thử khi đã nối tải, bắt đầu ở điện áp thấp, tăng dần, có người giữ nút dừng khẩn. Nếu bắt buộc chạy không tải để kiểm tra, dùng điện áp rất thấp (khoảng 10–20% định mức) trong thời gian ngắn.
• Đảo chiều motor nối tiếp đúng cách? Dùng hai cặp công tắc tơ đảo chiều dòng điện qua cuộn kích từ D1–D2, giữ nguyên chiều phần ứng, hoặc ngược lại. Có liên động điện và cơ khí để hai công tắc tơ không đóng cùng lúc, và chỉ đảo khi motor đã dừng hoặc tốc độ rất thấp.
• Tối ưu tuổi thọ chổi than thế nào? Tránh dòng đỉnh kéo dài, đặt giới hạn dòng hợp lý trên bộ chopper, giữ cổ góp sạch, thay chổi đúng mác và đủ lực lò xo. Dòng quá lớn gây đánh lửa vòng cổ góp, làm mòn chổi gấp nhiều lần.
• Có cần quạt làm mát riêng không? Motor kéo chạy chậm với dòng lớn (leo dốc, kéo nặng) nóng nhanh vì quạt trên trục quay chậm. Nếu chu kỳ làm việc nặng, dùng motor có quạt cưỡng bức hoặc theo dõi nhiệt bằng cảm biến nhiệt trong cuộn dây.
• Bộ chopper cần cài đặt những gì? Giới hạn dòng, thời gian tăng tốc, giảm tốc, giới hạn tốc độ tối đa (nếu có cảm biến tốc độ), mức điện áp ắc quy thấp để cắt. Cài giới hạn tốc độ là lớp bảo vệ thứ hai chống vọt tốc.

c. Các lỗi người dùng thường mắc và cách chỉnh sửa

• Tráo hai dây nguồn để đảo chiều. Motor vẫn quay cùng chiều vì dòng trong phần ứng và kích từ cùng đổi chiều. Cách sửa: chỉ đảo đầu cuộn kích từ D1–D2 hoặc chỉ đảo phần ứng A1–A2.
• Chạy thử không tải ở điện áp định mức. Motor tăng tốc rất nhanh, có thể văng dây quấn, vỡ cổ góp. Cách sửa: luôn chạy thử khi có tải, hoặc ở điện áp rất thấp và ngắn hạn.
• Truyền động bằng dây đai. Đai trượt, tuột hoặc đứt là motor mất tải. Cách sửa: đổi sang khớp nối cứng, bánh răng, hoặc thay motor kích từ hỗn hợp, kích từ độc lập.
• Nhầm motor nối tiếp với motor kích từ độc lập khi thay bộ điều khiển. Bộ sepex cấp kích từ riêng, đấu vào motor nối tiếp sẽ không chạy hoặc cháy cuộn kích từ. Cách sửa: kiểm tra hộp cực và điện trở cuộn kích từ trước khi chọn bộ điều khiển.
• Dùng biến tần cho motor nối tiếp. Biến tần chỉ dành cho motor xoay chiều 3 pha. Cách sửa: dùng bộ chopper DC cho motor series, bộ chỉnh lưu thyristor hoặc điện trở khởi động.
• Đề máy liên tục khi động cơ đốt trong khó nổ. Motor đề là kích từ nối tiếp chạy ngắn hạn, đề liên tục làm nóng cháy cuộn dây và chổi than. Cách sửa: đề mỗi lần không quá thời gian khuyến cáo, nghỉ khoảng 30–60 giây giữa các lần.

d. Dành cho sinh viên cơ điện mới vào ngành: nên tìm hiểu gì trước

• Cần nắm khái niệm gì trước? Đường cong từ hóa và hiện tượng bão hòa mạch từ, sức phản điện động E = k·Φ·n, mô-men M = k·Φ·I. Hiểu vì sao Φ phụ thuộc I ở kiểu nối tiếp là chìa khóa để hiểu đặc tính mềm và hiện tượng vọt tốc.
• Nên học kiểu kích từ nào trước? Học kích từ độc lập trước vì Φ không đổi, phân tích tuyến tính dễ. Sau đó học song song, rồi nối tiếp, cuối cùng là hỗn hợp. So sánh đặc tính cơ của bốn kiểu trên cùng một đồ thị giúp nhớ lâu.
• Thiết bị nào giúp hiểu motor nối tiếp nhanh nhất? Motor đề ô tô và motor vạn năng trong máy khoan. Tháo một motor đề cũ sẽ thấy cuộn kích từ dây dẹt to, chổi than lớn, cổ góp; đó là hình ảnh trực quan nhất của động cơ kích từ nối tiếp.
• Bài thực hành gợi ý? Dùng motor vạn năng nhỏ (ví dụ của máy khoan 500 W) cấp qua bộ nguồn DC có giới hạn dòng, gắn phanh băng hoặc phanh ma sát. Đo dòng và tốc độ ở nhiều mức tải rồi vẽ đường tốc độ – mô-men, quan sát tốc độ tăng mạnh khi nhả phanh (giữ ở điện áp thấp để an toàn).
• Học phần điều khiển gì tiếp theo? Mạch khởi động bằng điện trở nhiều cấp với công tắc tơ và rơ le thời gian, mạch đảo chiều có liên động, rồi bộ chopper DC một góc phần tư. Đây là kiến thức thường gặp khi bảo trì xe nâng, cầu trục đời cũ.
• Sau đó nên học gì? Học động cơ kéo hiện đại: động cơ không đồng bộ 3 pha và PMSM dùng bộ biến đổi điện tử, điều khiển vector, hãm tái sinh. So sánh với động cơ nối tiếp giúp hiểu vì sao ngành đường sắt và xe điện đã chuyển hướng.

Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp mạnh ở mô-men khởi động và đặc tính tự giảm tốc khi tải tăng, nhưng đổi lại phải luôn nối cứng với tải, khởi động có giới hạn dòng và đảo chiều đúng cách. Nắm chắc ba điểm này là dùng an toàn loại động cơ này trong xe điện, cầu trục và motor đề.