Động Cơ Điện 1 Chiều Kích Từ Song Song: Cấu Tạo, Đặc Tính, Điều Tốc

Động cơ điện 1 chiều kích từ song song (động cơ DC kích từ song song, shunt DC motor) là động cơ một chiều có cuộn dây kích từ mắc song song với phần ứng và dùng chung một nguồn điện. Khi điện áp nguồn ổn định, từ thông gần như không đổi nên động cơ có đặc tính cơ cứng: tốc độ chỉ giảm khoảng 5–10% từ không tải đến đầy tải, không bị vọt tốc khi mất tải như động cơ kích từ nối tiếp.

Bài viết trình bày cấu tạo và sơ đồ đấu dây, nguyên lý, đặc tính cơ, các cách điều chỉnh tốc độ, khởi động – đảo chiều – hãm, thông số điện áp – dòng điện và bộ điều khiển DC phù hợp, ưu nhược điểm, ứng dụng, so sánh với các kiểu kích từ khác và phần hỏi đáp chi tiết.

Mục lục

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

1. Động cơ điện 1 chiều kích từ song song là gì?

Động cơ kích từ song song thuộc nhóm động cơ một chiều tự kích (cuộn kích từ lấy điện từ chính nguồn cấp phần ứng). Cuộn kích từ có nhiều vòng dây tiết diện nhỏ, điện trở lớn (hàng chục đến hàng trăm ôm), nên dòng kích từ chỉ khoảng 2–5% dòng định mức của động cơ. Vì cuộn kích từ nối thẳng vào nguồn, từ thông không phụ thuộc vào tải mà phụ thuộc vào điện áp nguồn.

Về đặc tính, động cơ shunt rất gần với động cơ kích từ độc lập. Khác biệt là khi thay đổi điện áp nguồn, từ thông cũng thay đổi theo, nên trong các hệ điều tốc hiện đại người ta thường tách cuộn kích từ ra cấp nguồn riêng, khi đó động cơ thực chất làm việc như kích từ độc lập.

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

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

• Cuộn kích từ song song: quấn trên các cực từ chính, nhiều vòng, dây nhỏ; đầu ra ký hiệu E1–E2 theo IEC 60034-8.
• Phần ứng: rotor lõi thép lá, dây quấn phần ứng nối với cổ góp; đầu ra A1–A2.
• Cổ góp và chổi than: dẫn dòng vào phần ứng, đổi chiều dòng điện trong từng phần tử.
• Cực phụ (B1–B2) và cuộn bù (C1–C2): ở động cơ cỡ trung và lớn, mắc nối tiếp phần ứng để giảm tia lửa ở chổi than.
• Biến trở kích từ (tùy chọn): mắc nối tiếp cuộn kích từ để giảm dòng kích từ khi cần tăng tốc độ.

Sơ đồ: nguồn (+) nối A1 và E1; A2 và E2 nối về nguồn (−). Phần ứng và cuộn kích từ là hai nhánh song song trên cùng nguồn. Dòng nguồn I = Iư + Ikt.

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

a. Phương trình cơ bản

Sức phản điện động E = k·Φ·n, mô-men M = k·Φ·Iư, điện áp U = E + Iư·Rư. Suy ra tốc độ n = U / (k·Φ) − M·Rư / (k·Φ)². Với U và Φ không đổi, tốc độ giảm tuyến tính theo mô-men, độ dốc nhỏ vì Rư nhỏ: đó là đặc tính cơ cứng.

b. Hành vi khi tải thay đổi

• Tải tăng: tốc độ giảm nhẹ, E giảm, dòng phần ứng tăng để sinh thêm mô-men; tốc độ đầy tải thường thấp hơn không tải khoảng 5–10%.
• Mất tải: tốc độ chỉ tăng về tốc độ không tải, không vọt tốc như motor nối tiếp.
• Phản ứng phần ứng ở dòng lớn làm giảm nhẹ từ thông, có thể làm tốc độ ít sụt hơn hoặc thậm chí tăng nhẹ khi tải nặng; động cơ lớn dùng cuộn bù hoặc vài vòng kích từ nối tiếp ổn định để khắc phục.

c. Nguy cơ khi đứt mạch kích từ

Nếu cuộn kích từ bị đứt khi phần ứng vẫn có điện, chỉ còn từ dư rất nhỏ, tốc độ tăng rất cao hoặc dòng phần ứng tăng vọt. Vì vậy mạch kích từ không được lắp cầu chì, công tắc riêng, và hệ điều khiển cần có rơ le bảo vệ mất kích từ.

4. Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ song song

• Giảm điện áp chung cho cả phần ứng và kích từ làm từ thông giảm theo, tốc độ thay đổi ít và mô-men yếu đi.
• Giảm dòng kích từ quá mức gây đánh lửa cổ góp và vượt tốc độ tối đa ghi trên nhãn.
• Động cơ một chiều không dùng biến tần; bộ điều khiển phải là bộ chỉnh lưu hoặc bộ PWM DC.

5. Khởi động, đảo chiều và hãm

• Khởi động: đặt biến trở kích từ ở mức nhỏ nhất (dòng kích từ lớn nhất) để có mô-men khởi động tối đa, dòng phần ứng giới hạn bằng điện trở khởi động nhiều cấp hoặc bộ điều khiển có giới hạn dòng khoảng 1,5–2 lần định mức.
• Đảo chiều: đổi chiều dòng phần ứng (đảo A1–A2) là cách thông dụng; đảo cuộn kích từ cũng được nhưng do cuộn kích từ có điện cảm lớn nên chậm và sinh quá áp khi cắt.
• Hãm động năng: cắt phần ứng khỏi nguồn, nối qua điện trở hãm, giữ kích từ; động cơ thành máy phát, tiêu tán năng lượng trên điện trở.
• Hãm tái sinh: xảy ra khi tải kéo động cơ vượt tốc độ không tải (xuống dốc, hạ tải); cần nguồn nhận được năng lượng trả về.
• Hãm ngược: đảo cực tính phần ứng khi đang quay, dòng rất lớn, phải có điện trở hạn dòng và cắt nguồn khi tốc độ về 0.

6. Điện áp, dòng điện và bộ điều khiển DC

• Điện áp định mức thường gặp: 110 V, 220 V, 440 V cho động cơ công nghiệp; động cơ thí nghiệm 220 V, 1–3 kW.
• Dòng điện: dòng nguồn I = P / (U × η). Ví dụ motor 2,2 kW, 220 V, hiệu suất 82%: dòng nguồn khoảng 12 A, trong đó dòng kích từ khoảng 0,4–0,6 A, còn lại là dòng phần ứng.
• Điện trở cuộn kích từ: có thể ước lượng R ≈ U / Ikt, ví dụ 220 V / 0,5 A ≈ 440 Ω; đo được giá trị này là cách nhận biết cuộn song song.
• Bộ điều khiển phù hợp: DC drive thyristor có mạch kích từ riêng (field supply), giới hạn dòng, bảo vệ mất kích từ, phản hồi tốc độ bằng máy phát tốc hoặc encoder; với hệ cũ là bộ khởi động điện trở kèm biến trở kích từ.
• Không dùng biến tần cho động cơ kích từ song song hay bất kỳ động cơ DC nào.

7. Ưu điểm và hạn chế

a. Ưu điểm

• Tốc độ ổn định khi tải thay đổi, không vọt tốc khi mất tải, truyền động bằng dây đai được.
• Tăng tốc độ trên định mức đơn giản bằng biến trở kích từ, tổn hao nhỏ.
• Cấu hình nguồn đơn giản, chỉ cần một nguồn DC cho cả phần ứng và kích từ.
• Hãm tái sinh tự nhiên khi tải kéo vượt tốc độ không tải.

b. Hạn chế

• Mô-men khởi động nhỏ hơn kích từ nối tiếp và hỗn hợp với cùng dòng điện.
• Điều tốc dưới định mức bằng điện áp nguồn kém hiệu quả vì từ thông giảm theo; muốn điều tốc rộng phải tách kích từ cấp riêng.
• Đứt mạch kích từ gây vọt tốc hoặc quá dòng nguy hiểm.
• Có chổi than và cổ góp cần bảo dưỡng; giá cao hơn động cơ không đồng bộ 3 pha cùng công suất.

8. Ứng dụng của động cơ kích từ song song

• Máy công cụ: máy tiện, máy phay, máy khoan đứng, máy mài cần tốc độ ổn định khi cắt gọt.
• Quạt, máy thổi, bơm ly tâm DC trong hệ nguồn một chiều (tàu thủy, trạm điện, hệ ắc quy).
• Băng tải, máy cuốn, máy dệt, máy in cần giữ tốc độ khi tải dao động.
• Bàn thí nghiệm máy điện trong trường kỹ thuật: dùng làm động cơ sơ cấp kéo máy phát.
• Thiết bị phụ trợ trên tàu thủy, nhà máy điện dùng nguồn ắc quy DC 110/220 V (bơm dầu khẩn cấp, quạt).

9. So sánh kích từ song song với các kiểu kích từ khác

• Mức sụt tốc là giá trị điển hình khi chạy hở.
• Chi tiết từng kiểu: kích từ nối tiếp, kích từ độc lập, kích từ hỗn hợp.
• Với hệ cần dải tốc rộng, cuộn song song thường được cấp riêng để thành kích từ độc lập.

10. Câu hỏi thường gặp về động cơ điện 1 chiều kích từ song song

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

• Làm sao biết motor là kích từ song song hay độc lập? Cả hai đều có cuộn kích từ nhiều vòng điện trở lớn. Motor song song thường ghi "Shunt" và đầu ra E1–E2, điện áp kích từ bằng điện áp phần ứng; motor kích từ độc lập ghi "Separately excited", đầu F1–F2 và điện áp kích từ có thể khác điện áp phần ứng (ví dụ phần ứng 440 V, kích từ 220 V).
• Cần đọc thông số nào trên nhãn? Điện áp, dòng phần ứng, dòng kích từ, công suất, tốc độ định mức và tốc độ tối đa khi giảm kích từ, chế độ làm việc, cấp cách điện, kiểu làm mát. Ví dụ "220 V, 12 A, kích từ 0,5 A, 2,2 kW, 1500/2200 v/p".
• Motor có tăng tốc trên định mức được bao nhiêu? Phụ thuộc thiết kế cơ khí và khả năng đổi chiều của cổ góp; nhãn thường ghi tốc độ tối đa. Không giảm kích từ để vượt con số này.
• Có cần bộ điều khiển riêng không? Nếu chỉ chạy một tốc độ từ nguồn DC ổn định thì cần bộ khởi động có giới hạn dòng. Nếu muốn điều tốc rộng, cần DC drive thyristor có mạch kích từ riêng. Động cơ DC không dùng biến tần.
• Kiểm tra gì với motor cũ? Đo điện trở cuộn kích từ (hàng trăm ôm với motor 220 V cỡ vài kW), điện trở phần ứng (dưới vài ôm), điện trở cách điện với vỏ bằng megomet 500 V (trên 1 MΩ), xem chổi than, cổ góp và ổ bi.
• Điện áp nguồn DC hiện có đủ ổn định không? Vì từ thông theo điện áp nguồn, nguồn dao động sẽ làm tốc độ dao động theo. Bộ chỉnh lưu không lọc cho độ gợn lớn cũng làm motor nóng và kêu hơn.

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

• Đấu dây thế nào để không nhầm? Nối A1 và E1 vào cực dương, A2 và E2 vào cực âm; nếu có B1–B2 thì nối tiếp với phần ứng theo sơ đồ hãng. Nhầm E với A dẫn tới nối cuộn kích từ vào chỗ của phần ứng, motor không quay và cuộn kích từ có thể bị quá dòng.
• Thứ tự đóng cắt điện ra sao? Khi khởi động, cuộn kích từ phải có điện đủ trước hoặc cùng lúc với phần ứng; khi dừng, cắt phần ứng trước. Cuộn kích từ có điện cảm lớn, cắt đột ngột sinh quá áp cao, nên mắc điốt hoặc điện trở xả song song cuộn kích từ.
• Chỉnh tốc độ tối ưu thế nào? Dưới tốc độ định mức, điều chỉnh điện áp phần ứng bằng bộ điều khiển (kích từ giữ đầy). Trên tốc độ định mức, giữ điện áp phần ứng định mức và giảm dòng kích từ. Không làm ngược lại vì vừa yếu mô-men vừa tổn hao.
• Đảo chiều thế nào cho nhanh và an toàn? Đảo phần ứng A1–A2 bằng công tắc tơ đảo chiều có liên động, chỉ đảo khi motor đã dừng nếu không có điện trở hạn dòng.
• Theo dõi gì trong vận hành? Dòng phần ứng không vượt định mức kéo dài, dòng kích từ ổn định (giảm bất thường là dấu hiệu tiếp xúc kém), nhiệt độ vỏ, tia lửa ở chổi than và độ mòn chổi.
• Truyền động bằng dây đai được không? Được, vì mất tải không làm vọt tốc. Vẫn cần căn đai đúng lực căng để không quá tải ổ bi phía đầu trục.

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

• Lắp cầu chì hoặc công tắc riêng trong mạch kích từ. Cầu chì đứt hoặc công tắc bị ngắt nhầm làm mất kích từ, motor vọt tốc hoặc quá dòng. Cách sửa: bỏ thiết bị cắt riêng trong mạch kích từ, dùng rơ le bảo vệ mất kích từ tác động cắt phần ứng.
• Khởi động với biến trở kích từ ở vị trí lớn. Từ thông yếu, mô-men khởi động thấp, dòng phần ứng cao kéo dài. Cách sửa: luôn đưa biến trở kích từ về mức nhỏ nhất trước khi khởi động.
• Giảm điện áp nguồn chung để giảm tốc. Từ thông giảm theo nên tốc độ giảm ít, mô-men yếu. Cách sửa: tách kích từ cấp nguồn riêng và chỉ điều chỉnh điện áp phần ứng.
• Dùng biến tần cho motor kích từ song song. Biến tần xuất xoay chiều 3 pha, không dùng được. Cách sửa: dùng DC drive thyristor hoặc bộ PWM DC đúng điện áp.
• Cắt nguồn kích từ đột ngột không có mạch xả. Quá áp cảm ứng làm đánh thủng cách điện cuộn dây, hỏng tiếp điểm. Cách sửa: mắc điốt xả hoặc điện trở xả song song cuộn kích từ.
• Chạy chậm lâu dài bằng điện trở phụ phần ứng. Điện trở nóng, lãng phí điện, tốc độ dao động theo tải. Cách sửa: thay bằng bộ điều khiển điện áp phần ứng.

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

• Cần nắm khái niệm gì trước? Định luật Ohm và Kirchhoff cho mạch song song, sức phản điện động, từ thông và đường cong từ hóa, quan hệ E = k·Φ·n và M = k·Φ·Iư. Chỉ cần nắm chắc các phương trình này là suy ra được toàn bộ đặc tính của động cơ shunt.
• Học theo thứ tự nào? Cấu tạo chung động cơ DC, động cơ kích từ độc lập, rồi kích từ song song (so sánh để thấy điểm giống và khác), sau đó là nối tiếp, hỗn hợp. Cuối cùng học các phương pháp điều tốc và hãm.
• Bài thực hành phổ biến nhất? Trên bàn thí nghiệm máy điện, đấu động cơ shunt 220 V kéo một máy phát DC làm tải. Đo tốc độ theo dòng tải để vẽ đặc tính cơ; sau đó chỉnh biến trở kích từ và ghi tốc độ để thấy tốc độ tăng khi giảm dòng kích từ.
• Thí nghiệm nào cần đặc biệt cẩn thận? Thí nghiệm giảm dòng kích từ. Luôn có người giám sát, tăng biến trở từng nấc nhỏ, theo dõi đồng hồ tốc độ và không vượt tốc độ tối đa ghi trên nhãn; tuyệt đối không ngắt mạch kích từ khi phần ứng có điện.
• Thiết bị đo cần biết dùng? Ampe kế và vôn kế DC, đồng hồ đo tốc độ, megomet, cầu đo điện trở nhỏ để đo điện trở phần ứng. Đây là bộ dụng cụ cơ bản để kiểm tra mọi động cơ một chiều.
• Sau đó nên học tiếp gì? DC drive thyristor, điều khiển vòng kín dòng – tốc độ, rồi chuyển sang động cơ không đồng bộ 3 pha dùng biến tần với điều khiển vector, vốn được thiết kế để mô phỏng đặc tính dễ điều khiển của động cơ một chiều kích từ độc lập.

Động cơ điện 1 chiều kích từ song song phù hợp với tải cần tốc độ ổn định và tăng tốc trên định mức bằng cách giảm kích từ. Giữ mạch kích từ luôn liền mạch, khởi động với kích từ đầy và có giới hạn dòng là ba điều kiện để động cơ làm việc an toàn, bền lâu.