Động cơ xoay chiều có cổ góp: Cấu tạo, nguyên lý làm việc

Trong hệ thống truyền động điện, động cơ xoay chiều có cổ góp là một nhóm máy điện đặc biệt, kết hợp đặc tính của động cơ điện một chiều với khả năng vận hành trực tiếp từ nguồn xoay chiều.

Không giống như động cơ không đồng bộ hay đồng bộ thuần túy, loại động cơ này sử dụng cơ cấu cổ góp và chổi than để đưa điện vào hoặc lấy điện ra từ cuộn dây quấn trên rôto, tạo nên những đặc tính làm việc linh hoạt mà các loại động cơ không cổ góp không thể đáp ứng được.

Về mặt kết cấu, động cơ xoay chiều 1 pha có cổ góp khác biệt so với động cơ điện 1 chiều thông thường ở chỗ cực từ và gông từ đều được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau, thay vì thép đặc như ở động cơ một chiều.

Sự khác biệt này là bắt buộc vì khi làm việc với nguồn xoay chiều, từ thông trong lõi thép biến thiên theo tần số lưới, dẫn đến tổn hao dòng xoáy (Foucault) rất lớn nếu dùng lõi thép đặc. Việc sử dụng lá thép kỹ thuật điện ghép có tác dụng phân nhỏ các vòng dẫn điện tự phát, từ đó giảm tổn hao và phát nhiệt cho máy.

Các thành phần cơ bản của động cơ xoay chiều 1 pha có cổ góp gồm: stato mang cuộn dây kích từ, rôto (phần ứng) mang cuộn dây phần ứng đặt trong các rãnh của lõi thép, hệ thống cổ góp và chổi than để dẫn điện vào mạch phần ứng.

Tùy theo cách đấu dây giữa cuộn kích từ và cuộn phần ứng, người ta phân động cơ xoay chiều 1 pha có cổ góp thành hai kiểu: kích thích nối tiếp và kích thích song song.

Động cơ xoay chiều 1 pha có cổ góp hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ, giống như động cơ điện một chiều, nhưng được cấp điện từ lưới xoay chiều một pha. Đây chính là đặc trưng cơ bản cho phép loại động cơ này làm việc được trong môi trường điện xoay chiều.

Nhược điểm lớn nhất của động cơ xoay chiều có cổ góp là quá trình đổi chiều diễn ra nặng nề. Nguyên nhân là ngoài sức điện động phản kháng (do tự cảm của cuộn dây phần ứng), còn xuất hiện thêm sức điện động biến áp được sinh ra do từ thông ngoài (từ thông do cuộn dây kích từ tạo ra) móc vòng sang cuộn dây phần ứng trong quá trình đổi chiều. Sức điện động biến áp này có giá trị:

Tại thời điểm khởi động, sức điện động biến áp Eba​ đạt trị số cực đại, vì vậy quá trình đổi chiều cũng nặng nề nhất ở giai đoạn này. Để giảm nhẹ ảnh hưởng của Eba​, có thể áp dụng một số biện pháp kỹ thuật như: tăng số đôi cực để giảm từ thông dưới một cực, giảm số vòng dây trong một phần tử, dẫn đến tăng số phiến góp của cổ góp và làm phức tạp thêm kết cấu máy.

Ngoài ra, có thể đặt thêm cực từ phụ, tuy nhiên biện pháp này chỉ phát huy hiệu quả ở một giá trị dòng điện và tốc độ nhất định, không có tác dụng ở các điều kiện vận hành khác, nên ít được áp dụng cho động cơ xoay chiều có cổ góp 1 pha.

Việc điều chỉnh tốc độ và đảo chiều quay của động cơ xoay chiều 1 pha có cổ góp được thực hiện tương tự như đối với động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp.

Động cơ xoay chiều 1 pha kích thích nối tiếp có khả năng làm việc trong cả lưới điện xoay chiều một pha lẫn lưới điện một chiều nên còn được gọi là động cơ vạn năng. Đây là ưu điểm đặc trưng giúp loại động cơ này trở nên phổ biến trong nhiều ứng dụng dân dụng và công nghiệp nhẹ.

Để đạt được điều này với tải định mức, dây quấn kích từ được chia làm hai phần. Khi làm việc với lưới điện một chiều thì dùng toàn bộ dây quấn; khi làm việc với lưới điện xoay chiều thì chỉ dùng 1 phần dây quấn. Cách bố trí này cho phép điện áp một chiều và xoay chiều đặt vào máy bằng nhau mà vẫn đảm bảo điều kiện từ thông không đổi giữa hai chế độ vận hành.

Nguyên lý làm việc của động cơ vạn năng dựa trên thực tế là khi dòng điện xoay chiều đổi chiều, cả dòng điện trong cuộn kích từ lẫn dòng điện trong cuộn phần ứng đều đổi chiều đồng thời. Do đó, chiều của lực điện từ tác dụng lên dây dẫn phần ứng không thay đổi, mômen quay duy trì một chiều nhất định và động cơ tiếp tục quay theo một hướng xác định. Đây là lý do động cơ vạn năng hoạt động được với cả nguồn AC và DC.

Ưu điểm nổi bật của động cơ vạn năng là kích thước nhỏ gọn, mômen mở máy lớn và tốc độ quay cao, khi vận hành có tải, tốc độ thông thường đạt từ 2.500 đến 6.000 vòng/phút, thậm chí có thể lên đến 10.000 vòng/phút khi không tải. Do đó, tuyệt đối không để động cơ vạn năng vận hành ở chế độ không tải trong thời gian dài, vì tốc độ tăng vọt có thể làm bung các đầu dây nối vào cổ góp và phá hỏng máy. Loại động cơ này rất thích hợp với chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại.

Động cơ vạn năng được ứng dụng rộng rãi trong sinh hoạt và trong công nghiệp nhẹ, tiêu biểu như: máy xay sinh tố, máy xay thịt, máy bơm nước gia đình, máy khoan điện cầm tay, máy mài, máy cắt, máy bào gỗ, máy may, máy hút bụi và các quạt điện lắp trên ô tô, tàu hỏa.

Về hình dạng bên ngoài, động cơ xoay chiều 3 pha có cổ góp (kích thích song song) tương tự động cơ xoay chiều và giống với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. Cấu tạo chi tiết có những điểm đặc trưng riêng, phân biệt loại động cơ này với các máy điện xoay chiều thông thường.

Phần stato được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại, trên đó quấn dây quấn ba pha giống như động cơ lồng sóc thông thường.

Phần rôto cũng được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện, nhưng mang hai hệ thống dây quấn độc lập. Dây quấn thứ nhất là dây quấn 3 pha sơ cấp, có 3 đầu ra nối với 3 vành trượt đặt trên trục rôto, tương ứng với 3 pha, cấu trúc này giống như động cơ không đồng bộ rôto dây quấn.

Dây quấn thứ hai là dây quấn một chiều nối với cổ góp, đặt ở phía đối diện với vành trượt, cấu trúc này giống như trong động cơ điện một chiều. Điện áp 3 pha từ nguồn lưới được đưa vào dây quấn rôto thông qua hệ thống chổi than và vành trượt.

Việc sửa chữa loại động cơ này hoàn toàn giống như sửa chữa động cơ không đồng bộ và động cơ điện một chiều, do kết cấu của nó kết hợp đặc điểm của cả hai loại máy điện đó.

Nguyên lý hoạt động của động cơ này dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, tương tự như động cơ không đồng bộ. Điểm khác biệt quan trọng là rôto dây quấn có kết cấu thêm sức điện động phụ đưa vào cuộn dây để điều chỉnh tốc độ.

Qua hệ thống chổi than và vành trượt, điện áp 3 pha từ lưới điện được cấp vào dây quấn 3 pha sơ cấp đặt trên rôto. Nguồn điện này tạo ra dòng điện 3 pha chạy trong dây quấn rôto, sinh ra từ trường quay. Từ trường quay của rôto móc vòng sang dây quấn stato, cảm ứng sức điện động có tần số:

Phạm vi điều chỉnh tốc độ của động cơ xoay chiều 3 pha có cổ góp có thể đạt tỉ lệ 3:1, khi hệ số trượt nằm trong phạm vi −0,5<s<0,5.

Cơ chế điều chỉnh tốc độ được thực hiện bằng cách dịch chuyển vị trí của chổi than trên bề mặt cổ góp. Nguyên tắc hoạt động của cơ chế này như sau:

Động cơ xoay chiều 3 pha có cổ góp được ứng dụng trong lưới điện 3 pha thông thường. Việc vận hành động cơ đơn giản, và quan trọng là việc điều chỉnh tốc độ không đòi hỏi thiết bị phụ trợ đắt tiền, đây là ưu điểm nổi bật so với nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ khác (ví dụ như phương pháp dùng biến tần, biến trở rôto…).

Trong các ứng dụng công nghiệp, loại động cơ này từng được sử dụng trong chế biến gỗ, công nghệ bọc dây và các dây chuyền sản xuất đòi hỏi điều chỉnh tốc độ trơn tru trong phạm vi rộng.

Nhược điểm chính của động cơ là kết cấu phức tạp do phải bố trí hai hệ thống dây quấn độc lập trên rôto cùng với hệ thống cổ góp, vành trượt và chổi than. Sự phức tạp này dẫn đến giá thành chế tạo cao hơn đáng kể so với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc.

Ngoài ra, hệ thống chổi than và cổ góp cần bảo dưỡng định kỳ, làm tăng chi phí vận hành và giảm độ tin cậy so với các loại động cơ không cần chổi than.

Động cơ xoay chiều có cổ góp là nhóm máy điện mang tính lai ghép độc đáo, cho phép khai thác ưu điểm của cả động cơ điện một chiều (đặc tính tốc độ linh hoạt, mômen mở máy lớn, dễ đảo chiều) trong môi trường điện xoay chiều thông thường.

Với nhóm 1 pha, động cơ vạn năng nối tiếp là đại diện tiêu biểu, được ứng dụng rộng rãi trong vô số thiết bị dân dụng như máy xay sinh tố, máy khoan, máy hút bụi, máy may nhờ kích thước nhỏ gọn và mômen khởi động lớn.

Với nhóm 3 pha, việc dịch chổi than cho phép điều chỉnh tốc độ trơn tru trong phạm vi rộng (tỉ lệ 3:1) mà không cần đến thiết bị biến đổi điện tử đắt tiền, đồng thời còn có khả năng cải thiện hệ số công suất.

Tuy nhiên, sự hiện diện của cổ góp và chổi than vẫn là điểm bất lợi về bảo dưỡng và độ bền so với các loại động cơ không cổ góp.

Trong bối cảnh công nghệ hiện nay, khi biến tần và bộ điều khiển điện tử ngày càng rẻ và phổ biến, động cơ xoay chiều có cổ góp đang dần thu hẹp thị phần trong các ứng dụng công nghiệp, nhưng vẫn giữ vị trí không thể thay thế trong nhiều thiết bị cầm tay và dân dụng cỡ nhỏ, nơi tỉ lệ công suất trên khối lượng và mô men khởi động là yếu tố quyết định.

Điểm khác biệt cơ bản là động cơ xoay chiều có cổ góp sử dụng hệ thống chổi than và cổ góp để dẫn điện vào hoặc ra khỏi dây quấn rôto, trong khi động cơ không đồng bộ (cảm ứng) không có cơ cấu này và dòng điện trong rôto được cảm ứng hoàn toàn qua từ trường.

Nhờ cơ cấu cổ góp, động cơ xoay chiều có cổ góp có đặc tính tốc độ linh hoạt hơn, mômen khởi động lớn hơn và có thể điều chỉnh tốc độ trơn tru trong phạm vi rộng. Nhược điểm là cần bảo dưỡng định kỳ hệ thống chổi than và cổ góp.

Quá trình đổi chiều của động cơ xoay chiều có cổ góp nặng nề hơn do bên cạnh sức điện động phản kháng (tự cảm cuộn dây phần ứng), còn xuất hiện thêm sức điện động biến áp sinh ra do từ thông xoay chiều của cuộn kích từ móc vòng sang dây quấn phần ứng. Sức điện động này đặc biệt lớn tại thời điểm khởi động và gây tia lửa điện tại chổi than. Ở động cơ một chiều, từ thông không đổi theo thời gian nên không có thành phần sức điện động biến áp.

Khi làm việc với nguồn xoay chiều, từ thông trong mạch từ biến thiên theo tần số lưới điện. Nếu dùng lõi thép đặc, sẽ xuất hiện dòng điện Foucault (dòng xoáy) rất lớn chạy trong khối thép, gây tổn hao năng lượng và phát nhiệt nghiêm trọng.

Việc dùng các lá thép kỹ thuật điện mỏng (ghép cách điện với nhau) làm tăng điện trở trên đường đi của dòng xoáy, từ đó giảm tổn hao. Ở động cơ một chiều, từ thông không đổi chiều nên dòng xoáy không đáng kể và có thể dùng lõi thép đặc.

Động cơ vạn năng là tên gọi thông dụng của động cơ xoay chiều 1 pha kích thích nối tiếp, loại có thể làm việc với cả nguồn điện xoay chiều và nguồn điện một chiều. Lý do nó hoạt động được với nguồn xoay chiều là: khi dòng điện xoay chiều đổi chiều, cả dòng trong cuộn kích từ lẫn dòng trong cuộn phần ứng đều đổi chiều đồng thời (vì hai cuộn đấu nối tiếp và cùng pha). Chiều của lực điện từ F=B×I×L×F phụ thuộc vào tích B×IB khi cả B và II đều đổi dấu thì tích của chúng không đổi dấu, do đó mômen quay luôn cùng chiều.

• Động cơ điện không đồng bộ: cấu tạo và nguyên lý làm việc
• Nguyên lý máy phát điện 1 chiều, xoay chiều và điện 3 pha
• Trào lưu công suất và ổn định hệ thống điện