Động cơ một chiều: bài tập có lời giải từng bước

1Động cơ DC là gì

Động cơ DC biến điện năng thành chuyển động quay. Dòng điện trong cuộn dây quay, tức phần ứng, nằm trong từ trường và chịu một lực, tạo ra mômen trên trục.

Khi phần ứng quay, nó cũng hoạt động như một máy phát. Nó sinh ra một điện áp ngược chiều với nguồn: sức phản điện động E. Quay càng nhanh thì E càng lớn.

Về mặt điện, phần ứng là một điện trở R_a mắc nối tiếp với sức phản điện động. Mô hình đơn giản đó giải thích cách tốc độ, mômen và dòng điện phụ thuộc lẫn nhau.

2Bốn phương trình của động cơ

Đi vòng quanh mạch phần ứng:

Sức phản điện động tăng theo tốc độ và mômen tăng theo dòng điện, với cùng một hằng số động cơ k trong hệ SI (V·s/rad = N·m/A):

Tốc độ thường được cho theo vòng/phút. Hãy đổi đơn vị trước khi dùng các phương trình:

Công suất chuyển thành cơ năng là công suất phát triển E·I_a = T·ω. Công suất vào là V·I_a, và hiệu I_a²R_a bị mất dưới dạng nhiệt trong phần ứng.

3Phương pháp từng bước

1. Vẽ mạch phần ứng và liệt kê các đại lượng đã cho: V, R_a, k, và một mômen tải, một dòng điện hoặc một tốc độ.
2. Nếu cho mômen, tìm dòng điện từ I_a = T/k.
3. Tìm sức phản điện động từ V = E + I_aR_a.
4. Tìm tốc độ từ ω = E/k và đổi sang vòng/phút nếu đề yêu cầu: n = 60·ω/(2π).
5. Với công suất và hiệu suất, bắt đầu từ V·I_a rồi trừ tổn hao đồng và sau đó là tổn hao quay.

4Một ví dụ có lời giải

Theo dõi từng bước. Hãy thử đoán bước tiếp theo trước khi mở nó.

5Đường đặc tính tốc độ–mômen, khởi động và điều chỉnh tốc độ

Kết hợp các phương trình ta được một đường thẳng: tốc độ giảm nhẹ khi mômen tải tăng.

• Tốc độ không tải (T = 0): ω₀ = V/k. Trong ví dụ là 150 rad/s, hay 1432 vòng/phút.
• Mômen hãm (ω = 0): T = k·V/R_a = 0,8·120/0,5 = 192 N·m.
• Dòng khởi động: V/R_a = 240 A, lớn hơn nhiều so với dòng làm việc. Một điện trở khởi động mắc nối tiếp giữ nó ở mức thấp.
• Điều chỉnh tốc độ: giảm điện áp phần ứng (ví dụ bằng bộ băm xung, V_a = D·V_dc), thêm điện trở nối tiếp, hoặc làm yếu từ trường để chạy trên tốc độ cơ bản.

6Lỗi thường gặp

• Để tốc độ theo rpm trong E = k·ω hoặc P = T·ω.
• Cộng độ sụt áp phần ứng vào điện áp nguồn thay vì trừ: trong động cơ, E nhỏ hơn V.
• Quên rằng sức phản điện động bằng không khi đứng yên.
• Giữ nguyên dòng điện sau khi làm yếu từ trường: với k nhỏ hơn, cùng một mômen cần dòng điện lớn hơn.

7Các câu hỏi thi trông như thế nào

• Dễ: sức phản điện động, dòng điện và mômen. Bạn tìm E, I_a, mômen từ k, hằng số động cơ từ một tốc độ, tốc độ, dòng khởi động hoặc công suất phát triển.
• Trung bình: tốc độ–mômen và hiệu suất. Bạn tìm tốc độ không tải, tốc độ ở một tải, mômen hãm, hiệu suất có tổn hao quay, độ biến thiên tốc độ hoặc mômen trên trục từ một công suất.
• Khó: khởi động và điều chỉnh tốc độ. Bạn chọn điện trở khởi động, tìm điện áp phần ứng hoặc điện trở nối tiếp cho một tốc độ, tốc độ sau khi làm yếu từ trường, chu kỳ làm việc của bộ truyền động băm xung, công suất cực đại, hoặc tốc độ sau khi tải thay đổi.