Động cơ DC được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa công nghiệp, vận tải đường sắt, thiết bị gia dụng và các lĩnh vực khác nhờ khả năng điều chỉnh tốc độ tuyệt vời và mô-men xoắn khởi động lớn. Tuy nhiên, vấn đề tốc độ không ổn định thường xuyên xảy ra trong quá trình vận hành thực tế, không chỉ ảnh hưởng đến độ chính xác gia công và hiệu quả sản xuất của thiết bị mà còn có thể làm giảm tuổi thọ của động cơ. Do đó, việc làm rõ nguyên nhân cốt lõi gây ra dao động tốc độ và xây dựng các giải pháp cụ thể có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định.
I. Nguyên nhân cốt lõi gây ra tốc độ không ổn định của động cơ DC
Tốc độ của động cơ DC tuân theo công thức n = (U – IaRa)/(CeΦ) (trong đó n là tốc độ, U là điện áp phần ứng, Ia là dòng điện phần ứng, Ra là điện trở phần ứng, Ce là hằng số động cơ và Φ là từ thông kích thích). Bản chất của dao động tốc độ là do những thay đổi bất thường của một hoặc nhiều thông số trong công thức. Kết hợp với các tình huống vận hành thực tế, các nguyên nhân cốt lõi có thể được chia thành ba loại: lỗi cơ khí, bất thường về điện và sự cố hệ thống điều khiển.
1. Lỗi cấu trúc cơ khí: Bất thường trong hệ thống truyền động và hỗ trợ
Lỗi cơ học là nguyên nhân trực quan nhất. Thứ nhất, ổ trục bị mòn hoặc hư hỏng: sau thời gian dài hoạt động, bi ổ trục bị mòn và lồng bị hỏng, điều này sẽ khiến rôto lệch tâm, tăng lực cản quay và khiến tốc độ dao động. Thứ hai, khe hở không khí không đều giữa phần ứng và stato: lỗi lắp ráp hoặc rung động lâu dài sẽ dẫn đến khe hở không đồng đều, gây ra sự phân bố từ thông không cân bằng, từ đó ảnh hưởng đến sự ổn định của mô-men xoắn điện từ. Thứ ba, dao động tải quá mức: ví dụ, sự thay đổi đột ngột về lượng cắt trong quá trình gia công máy công cụ và sự tích tụ vật liệu trong thiết bị vận chuyển sẽ khiến mô-men xoắn tải động cơ tăng ngay lập tức và dòng điện phần ứng Ia sẽ tăng mạnh. Theo công thức tốc độ, tốc độ sẽ giảm tương ứng, dẫn đến dao động.
2. Bất thường của hệ thống điện: Lỗi mạch và linh kiện
Hệ thống điện là nền tảng năng lượng cho hoạt động của động cơ, và những bất thường của nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định của các thông số. Các vấn đề trong mạch phần ứng là phổ biến nhất. Ví dụ, ngắn mạch giữa các vòng dây của cuộn dây phần ứng sẽ dẫn đến hỏng một phần của cuộn dây, làm giảm diện tích dẫn điện hiệu dụng và làm cho Ia tăng và không ổn định. Tiếp xúc kém giữa cổ góp và chổi than: do chổi than bị mòn, áp lực lò xo không đủ hoặc oxy hóa bề mặt cổ góp, điện trở tiếp xúc sẽ dao động, khiến điện áp phần ứng U dao động. Lỗi trong mạch kích từ cũng rất quan trọng. Trong động cơ DC kích từ độc lập, mạch hở hoặc tiếp xúc kém của cuộn dây kích từ sẽ làm cho từ thông Φ giảm mạnh và tốc độ sẽ tăng tức thời (nguy cơ "chạy trốn"). Trong động cơ kích từ song song, sự thay đổi điện trở của mạch kích từ sẽ làm cho Φ không ổn định, từ đó gây ra dao động tốc độ. Ngoài ra, dao động điện áp nguồn cũng là một yếu tố quan trọng. Nếu điện áp của hệ thống cung cấp điện không ổn định sẽ trực tiếp gây ra những thay đổi ở U và tốc độ sẽ dao động theo.
3. Sự cố hệ thống điều khiển: Lỗi điều chỉnh tốc độ và phản hồi
Động cơ DC hiện đại chủ yếu dựa vào hệ thống điều khiển để đạt được khả năng điều chỉnh tốc độ chính xác và lỗi trong hệ thống điều khiển sẽ trực tiếp gây ra các vấn đề về tốc độ. Thứ nhất, sự bất thường trong thiết bị điều chỉnh tốc độ: ví dụ, trong hệ thống điều chỉnh tốc độ thyristor, lỗi trong mạch kích hoạt dẫn đến góc dẫn không ổn định của thyristor và điều chỉnh điện áp phần ứng bất thường. Thứ hai, lỗi liên kết phản hồi: lỗi trong cảm biến phản hồi tốc độ (như máy phát tốc độ, bộ mã hóa) khiến không thể thu thập chính xác tín hiệu tốc độ và hệ thống điều khiển không thể điều chỉnh đầu ra theo tốc độ thực tế, dẫn đến tốc độ lệch khỏi giá trị cài đặt. Thứ ba, lỗi trong thuật toán điều khiển: nếu các tham số thuật toán PID mà hệ thống điều khiển áp dụng không được điều chỉnh đúng cách, phản ứng điều chỉnh đối với biến động tốc độ bị trễ hoặc vượt quá, và không thể đạt được điều khiển ổn định.
II. Các giải pháp mục tiêu
1. Tối ưu hóa cấu trúc cơ học để giảm nhiễu vật lý
Đối với các lỗi cơ học, cần thiết lập cơ chế bảo trì thường xuyên: thường xuyên kiểm tra tình trạng hoạt động của ổ trục, thay thế kịp thời nếu phát hiện thấy mòn hoặc tiếng ồn bất thường và bổ sung mỡ bôi trơn khi cần thiết để giảm lực cản ma sát; hiệu chuẩn chính xác phần ứng và stato để đảm bảo khe hở không khí đồng đều và kiểm soát chặt chẽ các lỗi trong quá trình lắp ráp; tối ưu hóa thiết kế tải, thêm các thiết bị đệm (như ly hợp, bộ giảm tốc) ở đầu tải để tránh tác động tải tức thời và đồng thời kết hợp hợp lý công suất động cơ với nhu cầu tải để tránh hoạt động quá tải.
2. Khắc phục sự cố hệ thống điện để đảm bảo sự ổn định năng lượng
Xử lý sự cố hệ thống điện phải được thực hiện từng bước: đầu tiên, phát hiện điện áp nguồn và đảm bảo điện áp nguồn ổn định trong phạm vi cho phép bằng cách lắp đặt bộ ổn áp hoặc thiết bị giám sát điện áp; thứ hai, kiểm tra phần ứng và mạch kích từ, sử dụng đồng hồ vạn năng và mêgôm kế để phát hiện cách điện của cuộn dây, xử lý sự cố ngắn mạch giữa các vòng dây và mạch hở, đánh bóng bộ góp điện, thay chổi than bị mòn và điều chỉnh áp lực lò xo để đảm bảo tiếp xúc tốt; cuối cùng, thường xuyên kiểm tra các linh kiện điện (như contactor, cầu chì) và thay thế các linh kiện cũ kịp thời để giảm nguy cơ xảy ra sự cố mạch điện.
3. Cải thiện hệ thống kiểm soát để đạt được sự điều chỉnh chính xác
Tối ưu hóa hệ thống điều khiển là cốt lõi để giải quyết vấn đề tốc độ không ổn định: hiệu chuẩn thường xuyên thiết bị điều chỉnh tốc độ, kiểm tra các thành phần chính như mạch kích hoạt và thyristor để đảm bảo điều chỉnh điện áp phần ứng chính xác; thay thế cảm biến phản hồi tốc độ bị lỗi, chọn cảm biến có độ chính xác cao hơn và khả năng chống nhiễu mạnh hơn (như bộ mã hóa quang điện) và tăng cường lắp đặt và cố định cảm biến để giảm nhiễu rung; tối ưu hóa thuật toán điều khiển, điều chỉnh các tham số PID thông qua gỡ lỗi tại chỗ để cải thiện tốc độ phản hồi và độ chính xác điều chỉnh của hệ thống đối với biến động tốc độ và nếu cần, đưa vào thuật toán điều khiển thích ứng để thực hiện điều chỉnh động cho các điều kiện làm việc khác nhau.
III. Tóm tắt
Tốc độ không ổn định của động cơ DC là kết quả của sự kết hợp của nhiều yếu tố, bao gồm cơ học, điện và điều khiển. Cần xây dựng giải pháp từ hai chiều “bảo trì phần cứng + tối ưu hóa hệ thống”. Bằng cách thiết lập cơ chế bảo trì thường xuyên, xử lý chính xác nguyên nhân gốc rễ của sự cố và tối ưu hóa các chiến lược điều khiển, độ ổn định tốc độ của động cơ có thể được cải thiện hiệu quả, kéo dài tuổi thọ thiết bị và đảm bảo độ tin cậy của sản xuất công nghiệp và vận hành thiết bị. Trong các ứng dụng thực tế, cũng cần kết hợp các điều kiện cụ thể như model động cơ và điều kiện vận hành để định vị chính xác và giải quyết vấn đề hiệu quả.




