Sự khác biệt giữa động cơ ac/dc là gì?


Sự khác biệt giữa động cơ xoay chiều và động cơ dc là gì?

Có nhiều loại động cơ điện, phù hợp với nhiều ứng dụng và thiết bị công nghiệp. Các kỹ sư và nhà thiết kế có rất nhiều sự lựa chọn khi lựa chọn động cơ cho ứng dụng của mình. Bảng dưới đây trình bày tổng quan về các loại động cơ điện phổ biến nhất. Việc phân loại động cơ điện toàn cầu chủ yếu được chia thành hai nhánh khác nhau: động cơ AC và động cơ DC. Bài viết này sẽ tập trung vào bốn nhóm phụ khác nhau: Động cơ cảm ứng xoay chiều, Động cơ DC chổi than đồng bộ (có cổ góp), Động cơ DC không chổi thanĐộng cơ xoay chiều hình sin đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM).

1. Động cơ cảm ứng xoay chiều
Động cơ cảm ứng được sử dụng rộng rãi làm động cơ công nghiệp. Stator của động cơ cảm ứng bao gồm các cực quấn có thể được kết nối trực tiếp với lưới điện hoặc thông qua VFD. Dòng điện xoay chiều qua các cực này sẽ tạo ra một từ trường trong khe hở không khí và rôto. Vì dòng điện xoay chiều được sử dụng cho loại động cơ này nên khi mọi người nhắc đến thuật ngữ “động cơ xoay chiều” thì thực ra họ có nghĩa là động cơ cảm ứng. Từ trường sẽ tạo ra dòng điện xoáy trong rôto, ít nhiều giống như cách máy biến áp thực hiện. Những dòng điện cảm ứng này trong rôto sẽ tạo ra từ trường tạo ra mô-men xoắn.

Chuồng sóc
Phần lớn động cơ cảm ứng có rôto bị chập điện, gọi là lồng sóc. Đây chính là lý do cho biệt danh khác của động cơ cảm ứng: ‘động cơ lồng sóc’. Động cơ cảm ứng KHÔNG sử dụng nam châm vĩnh cửu, chỉ có dây đồng và thép nhiều lớp. Lồng rôto chủ yếu bao gồm các thanh nhôm, nhưng trong 10 năm qua, các thanh đồng cũng được sử dụng để tăng hiệu suất.

Mô hình một pha và ba pha
Chúng có sẵn trong các mô hình một pha và ba pha. Động cơ ba pha chủ yếu dùng cho tải lớn hơn, trong khi tải nhỏ hơn thường được điều khiển bởi động cơ cảm ứng một pha. Khi nối trực tiếp vào lưới, động cơ sẽ tăng tốc đến một tốc độ cố định nhất định, chậm hơn một chút so với tần số quay của điện trường tác dụng (hiện tượng này gọi là trượt). Đặc tính này là lý do tại sao động cơ cảm ứng đôi khi còn được gọi là động cơ không đồng bộ. Tốc độ đạt được phụ thuộc vào số lượng cặp cực và tần số điện áp vào. Tải trọng tác dụng lên trục sẽ chỉ làm giảm tốc độ của động cơ một cách khiêm tốn (khoảng vài phần trăm).
 

 

Ví dụ: một động cơ cảm ứng có 2 cặp cực, được kết nối với lưới 50Hz sẽ cố gắng đạt tốc độ 1500 vòng/phút (=elec_freq*60sec/cặp cực), nhưng tùy thuộc vào tải sẽ chậm hơn một chút.

Đối với nhiều ứng dụng, tốc độ không đổi này là phù hợp. Do công nghệ truyền động điện hiện đại nên giờ đây cũng có thể đạt được tốc độ thay đổi bằng cách sử dụng bộ truyền động biến tần (VFD). Vì thay đổi tần số điện (như đã đề cập trước đó), số vòng quay trên phút của trục cũng sẽ thay đổi theo tỷ lệ. Sự ra đời của VFD đã cải thiện chức năng và hiệu quả sử dụng năng lượng của động cơ cảm ứng.

Ưu điểm và nhược điểm của động cơ cảm ứng AC

Động cơ cảm ứng có hiệu suất tổng thể thấp hơn và mật độ mô-men xoắn thấp hơn khi so sánh với động cơ nam châm vĩnh cửu. Do thiếu/không có nam châm vĩnh cửu nên việc áp dụng phương pháp làm suy yếu trường sẽ dễ dàng và đơn giản hơn, điều này cho phép các động cơ này có phạm vi RPM lớn. Động cơ cảm ứng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp và gia đình, nơi mật độ mô-men xoắn và khả năng điều khiển ít quan trọng hơn. Chúng có khả năng tự khởi động, đáng tin cậy và tiết kiệm.

2. Động cơ DC chổi than đồng bộ (có cổ góp)

Đúng như tên gọi, động cơ điện DC có chổi than được cấp nguồn bằng dòng điện một chiều (DC). Các động cơ được chuyển mạch cơ học. Động cơ DC có chổi than sử dụng nam châm vĩnh cửu hoặc cực stator dây quấn. Nam châm vĩnh cửu hoặc cực của stato dây quấn tạo ra từ trường đứng yên chính của động cơ.

Động cơ DC chổi than

Rôto động cơ DC có chổi than được chế tạo với các cực quấn được kết nối thông qua một cổ góp có chổi than với nguồn điện áp hoặc dòng điện. Khi các cực của rôto mang dòng điện, một từ trường sẽ được tạo ra. Từ trường rôto này sẽ cố gắng thẳng hàng với từ trường stato và do đó tạo ra mô-men xoắn. Kiểu dòng điện trong các cuộn dây riêng lẻ của rôto sẽ được quyết định bởi cổ góp và chổi than (hình ảnh).

Động cơ DC chải Stator
Stator của động cơ DC chổi than được chế tạo với các cực dây quấn hoặc nam châm vĩnh cửu. Các cực dây quấn của stato phải được cung cấp một điện áp/dòng điện cụ thể. Điều này tạo ra một tính năng điều khiển bổ sung và cung cấp cho động cơ các đặc tính mô-men xoắn/tốc độ cụ thể. Cấu hình điển hình là nối tiếp, shunt và tổ hợp.
 

Động cơ DC chổi than cổ góp

Cổ góp hoạt động giống như một công tắc cơ học vì nó sẽ tạo ra dòng điện chạy qua các cực rôto xen kẽ theo chức năng của vị trí rôto. Điều này dẫn đến mô-men xoắn liên tục trên mỗi vòng quay. Chổi than liên tục trượt trên cổ góp và điều này khiến chúng bị mòn. Điều này ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ và trình tự bảo trì của động cơ DC có chổi than và gây ra nhược điểm lớn cho loại động cơ này. Do sự ra đời của các thiết bị điện tử phức tạp hơn (như VFD), trường rôto chuyển mạch cơ học với chổi than đã được chuyển đổi thành nguyên lý chuyển mạch điện tử (tức là DC không chổi than).

Khả năng điều khiển của động cơ Brushed DC
Trong những ngày đầu, khi thiết bị điện tử chưa được sử dụng phổ biến, những loại động cơ này thường được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau. Một nguồn điện áp DC có thể điều khiển đơn giản có thể điều khiển động cơ. Các tùy chọn sau này như điều khiển dòng điện, hệ thống phản hồi và bộ truyền độngPWM đã tạo điều kiện cho khả năng điều khiển thậm chí còn cao hơn của động cơ DC có chổi than. Việc sử dụng nam châm vĩnh cửu cho phép tạo ra mật độ mô-men xoắn tương đối cao và hiệu suất tốt cho các loại động cơ này.

Ưu điểm và nhược điểm Động cơ DC chổi than
Hiệu suất của động cơ DC có chổi than khi khởi động và điều chỉnh tốc độ là tốt. Nó có mật độ mô-men xoắn tương đối cao. Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng và chạy trơn tru. Nhiễu điện từ nhỏ và khả năng quá tải mạnh. Nhưng cấu trúc của động cơ chổi than DC lại có nhược điểm. Sự tiếp xúc trượt giữa cổ góp và chổi than gây ra tia lửa điện và mài mòn cơ học. Bởi vì động cơ chổi than DC này có tuổi thọ tương đối ngắn, mối quan tâm về độ tin cậy và chi phí bảo trì cao.

3. Động cơ DC không chổi than (BLDC)

Đúng như tên gọi, động cơ DC không chổi than không sử dụng chổi than. So với động cơ DC có chổi than, động cơ DC không chổi than sử dụng phương pháp chuyển mạch rất khác. Thay vì sử dụng chổi than, việc chuyển mạch được thực hiện bằng điện tử. Cấu tạo của hầu hết các động cơ DC không chổi than đều dựa trên một stato có cực quấn và một rôto nam châm vĩnh cửu đa cực. Rôto nam châm vĩnh cửu đa cực chạy qua Stator có các cực quấn. Nam châm vĩnh cửu của rôto phản ứng với từ trường thay đổi của stato. Stator được cố định, không có dây chuyển động. Do đó, không cần dây đai, cổ góp hoặc chổi than với động cơ DC không chổi than.

Cực Stator – Hệ thống ba pha
Hầu hết các cực của stato được quấn theo cấu hình ba pha. Hệ thống ba pha của cuộn dây stato được kết nối với mạch điện của các công tắc điện tử (bóng bán dẫn, FET, v.v.). Mạch chuyển mạch được cung cấp điện áp một chiều hoặc bằng nguồn điện áp xoay chiều được chỉnh lưu. Việc chuyển đổi đơn giản các pha gây ra dòng điện hình thang/sóng vuông, do đó EMF phía sau của động cơ DC không chổi than cũng ít nhiều được hình thành sóng vuông/hình thang. Điều này gây ra sự gia tăng gợn sóng mô-men xoắn khi truyền động các động cơ này. Có thể đạt được nhiều tốc độ hơn bằng cách tiến lên từng giai đoạn. Kể từ khi sử dụng công nghệ VFD với động cơ không chổi than, nó có thể tạo ra dòng điện hình sin.

cảm biến
Để có thể bật đúng pha vào đúng thời điểm, cần có hệ thống phản hồi. Cảm biến Hall có thể được định vị để phát hiện vị trí của rôto nam châm vĩnh cửu so với stato. Mặc dù cảm biến Hall được sử dụng phổ biến nhất nhưng cũng có những hệ thống cảm biến vị trí chính xác hơn. Với hệ thống trên, vòng quay của động cơ có thể được giữ đồng bộ với tần số điện áp dụng.

Ưu điểm và nhược điểm Động cơ DC không chổi than

Động cơ DC không chổi than có nhiều ưu điểm so với động cơ DC có chổi than, như chi phí bảo trì thấp, ít tiếng ồn khi vận hành, hiệu suất tốt hơn và hiệu suất cao hơn, EMC thấp hơn. Chúng có sẵn ở kích thước nhỏ gọn hơn và cung cấp tỷ lệ mô-men xoắn trên trọng lượng cao. Nhưng so với các động cơ khác, động cơ DC không chổi than cũng có một số nhược điểm. Giá thành của động cơ và bộ điều khiển điện tử tương đối cao hơn. Mô-men xoắn gợn sóng như đã đề cập trước đó. Bên cạnh đó, chúng phức tạp hơn một chút.

4. Động cơ AC sóng hình sin đồng bộ vĩnh viễn (PMSM)

Các thuật ngữ như động cơ AC PMSM hoặc động cơ AC không chổi than hoặc động cơ EC (Chuyển mạch điện) cũng thường được sử dụng cho loại động cơ này. Nguyên lý làm việc của động cơ này là bộ phận stator, chứa hệ thống cuộn dây quấn ba pha và cấu trúc rôto với dãy nam châm vĩnh cửu đa cực. Những động cơ mật độ công suất cao này rất hiệu quả, đáp ứng các cấp hiệu suất năng lượng IE4 và thậm chí IE5. Có nhiều cấu trúc khác nhau của động cơ điện xoay chiều hình sin đồng bộ nam châm vĩnh cửu, ví dụ như con chạy bên trong, con chạy bên ngoài, động cơ từ thông hướng trục, động cơ ngang, v.v.

Dòng điện hình sin
Do thiết kế từ tính nên Back EMF có dạng hình sin, kết hợp với dòng điện hình sin, có thể tạo ra mô-men xoắn trơn tru. Cần có một bộ truyền động tương đối phức tạp như bộ khuếch đại công suất hoặc VFD để tạo ra dòng điện hình sin. Những loại ổ đĩa này ngày càng trở nên tiêu chuẩn hơn và dễ sử dụng hơn. Động cơ AC PMSM cũng chạy đồng bộ

Mật độ mô-men xoắn cao
Kết hợp nam châm vĩnh cửu cường độ cao với thiết kế từ tính tuyệt vời và bạn có thể đạt được động cơ PMSM có mật độ mô-men xoắn rất cao. Ví dụ, động cơ AC PMSM 20 kg (44 lb) bao gồm vỏ và ổ trục có thể cung cấp công suất/mô-men xoắn tương đương khi so sánh với động cơ cảm ứng AC 55 kg (121 lb). Dựa trên phương pháp làm mát tiêu chuẩn/thụ động cho cả hai. Động cơ AC PMSM yêu cầu phản hồi vị trí liên tục, bằng cách sử dụng cảm biến hoặc ngày nay thậm chí có thể điều khiển không cần cảm biến. Để tăng khả năng vận tốc, một số thiết kế động cơ AC PMSM có khả năng làm suy yếu trường.

Tăng trưởng sử dụng động cơ AC PMSM
Công nghệ động cơ AC PMSM kết hợp với bộ truyền động động cơ cho phép chuyển mạch điện tử đã có từ lâu. Nhưng khi các bộ truyền động động cơ hỗ trợ động cơ PMSM ngày càng trở nên phổ biến hơn, thì ngày càng có nhiều công ty bắt đầu tích hợp động cơ AC nam châm vĩnh cửu vào ứng dụng của họ. Việc sử dụng đang tăng lên đáng kể. Điều này là do khả năng thiết kế nhỏ gọn, mật độ mô-men xoắn cao, hiệu suất cao và tuổi thọ dài. Động cơ AC PMSM mang lại cho các công ty khả năng xây dựng các ứng dụng có kích thước nhỏ hơn, hoạt động hiệu quả hơn, dễ điều khiển hơn, với độ tin cậy cao hơn và do đó chạy với chi phí (vận hành) thấp hơn.

Ưu điểm và nhược điểm của động cơ AC PMSM
Mặc dù động cơ AC PMSM sẽ luôn cần một bộ truyền động và có xu hướng đắt hơn một chút so với động cơ cảm ứng AC, nhưng chúng thường là sự thay thế tốt hơn. Chúng có mật độ mô-men xoắn cao hơn, hiệu quả hơn nhiều, nhỏ hơn và nhẹ hơn đáng kể so với các động cơ cảm ứng tương đương.

Xen thêm: Động cơ DC hoạt động như thế nào ?