Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động Của Động Cơ Không Đồng Bộ 3 Pha (Motor Điện 3 Pha)

Motor điện 3 pha (động cơ không đồng bộ 3 pha) gồm hai phần chính: stator quấn ba cuộn dây lệch nhau 120 độ và rotor lồng sóc hoặc rotor dây quấn đặt bên trong. Khi cấp điện 3 pha, stator tạo ra từ trường quay, kéo rotor quay theo với tốc độ thấp hơn một chút so với tốc độ từ trường. Nhờ cấu tạo đơn giản, bền và rẻ, motor 3 pha là loại động cơ dùng nhiều nhất trong nhà máy, từ bơm, quạt tới băng tải và máy nén khí.

1) Motor điện 3 pha là gì

Motor điện 3 pha là máy điện biến điện năng xoay chiều 3 pha thành cơ năng trên trục. Gọi là "không đồng bộ" vì rotor luôn quay chậm hơn từ trường quay của stator; chênh lệch đó gọi là hệ số trượt, thường khoảng 2 – 6% khi đầy tải. Motor 4 cực ở lưới 50 Hz có từ trường quay 1500 vòng/phút, trục thực tế quay khoảng 1420 – 1480 vòng/phút.

2) Cấu tạo motor điện 3 pha

Tháo một con motor 3 pha vỏ gang ra sẽ thấy các bộ phận sau:

a) Stator (phần tĩnh)

Lõi stator ghép từ hàng trăm lá thép kỹ thuật điện dày khoảng 0.35 – 0.5 mm, sơn cách điện để giảm dòng xoáy. Mặt trong lõi có rãnh, đặt ba bộ dây quấn bằng dây đồng emay, lệch nhau 120 độ điện. Sáu đầu dây U1, V1, W1, U2, V2, W2 đưa ra hộp cực để đấu sao hoặc tam giác. Giữa dây và rãnh có giấy cách điện, toàn bộ cuộn được tẩm vecni rồi sấy.

b) Rotor (phần quay)

Rotor lồng sóc: lõi thép lá có rãnh, nhôm được đúc thẳng vào rãnh tạo thành các thanh dẫn, hai đầu nối bằng vòng ngắn mạch, nhìn giống cái lồng sóc. Đây là loại chiếm phần lớn motor trên thị trường. Rotor dây quấn: rãnh rotor đặt cuộn dây 3 pha, đưa ra ba vành trượt và chổi than để nối điện trở phụ khi khởi động; gặp ở cẩu trục, máy nghiền lớn đời cũ. Chi tiết về loại lồng sóc có tại bài động cơ rotor lồng sóc.

c) Vỏ, nắp, trục, bạc đạn, quạt và hộp cực

• Vỏ gang hoặc nhôm có gân tản nhiệt, chân đế hoặc mặt bích để lắp.
• Nắp trước, nắp sau giữ bạc đạn, bảo đảm khe hở không khí giữa rotor và stator đều, thường chỉ khoảng 0.3 – 1 mm.
• Trục thép có rãnh then, đầu trục truyền lực ra puly, khớp nối hoặc hộp số.
• Hai bạc đạn cầu, motor lớn có thể dùng bạc đạn đũa ở đầu trục chịu lực curoa.
• Cánh quạt gắn đuôi trục và chụp quạt, thổi gió dọc gân vỏ để làm mát.
• Hộp cực chứa cọc đấu, thanh nối sao/tam giác, lỗ luồn cáp.

3) Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ 3 pha

Ba dòng điện xoay chiều lệch pha 120 độ chạy trong ba cuộn dây lệch nhau 120 độ trong không gian sẽ tạo ra một từ trường có độ lớn không đổi nhưng quay tròn. Tốc độ từ trường quay (tốc độ đồng bộ) tính bằng n1 = 60 × f / p, trong đó f là tần số lưới, p là số cặp cực.

Từ trường quay cắt qua các thanh dẫn rotor, cảm ứng ra sức điện động và dòng điện trong lồng sóc. Dòng này nằm trong từ trường nên chịu lực điện từ, tạo momen kéo rotor quay theo chiều từ trường. Rotor không bao giờ đuổi kịp từ trường: nếu quay bằng nhau thì không còn cắt từ thông, không có dòng cảm ứng, không có momen. Tải càng nặng, rotor càng chậm lại, trượt càng lớn, dòng càng tăng.

Đổi chiều quay rất đơn giản: đảo hai trong ba dây pha cấp vào motor. Thay đổi tốc độ thì thay đổi tần số bằng biến tần hoặc thay đổi số cực (motor 2 cấp tốc độ).

4) Phân loại động cơ điện không đồng bộ 3 pha

• Theo rotor: rotor lồng sóc (phổ biến) và rotor dây quấn.
• Theo vật liệu vỏ: vỏ gang cho công nghiệp nặng, vỏ nhôm nhẹ cho công suất nhỏ và máy cần gọn.
• Theo kiểu lắp: chân đế B3, mặt bích B5, mặt bích nhỏ B14, vừa chân vừa bích B35.
• Theo số cực: 2, 4, 6, 8 cực, tương ứng tốc độ khoảng 2900, 1450, 960, 720 vòng/phút.
• Theo hiệu suất: IE1, IE2, IE3, IE4; cấp càng cao càng ít tổn hao.
• Theo môi trường: motor thường IP55, motor phòng nổ YBX3 cho hầm lò, kho xăng dầu, xưởng sơn; xem dòng motor phòng nổ.
• Theo chức năng: motor chạy biến tần có quạt cưỡng bức, motor có phanh từ, motor 2 cấp tốc độ, motor gắn hộp giảm tốc.

5) Thông số kỹ thuật: dòng ampe, điện áp, biến tần

Tem motor là nơi đọc chính xác nhất. Bảng dưới là khoảng dòng tham khảo cho motor 4 cực phổ thông để ước lượng nhanh khi chọn dây, CB, rơ le nhiệt và biến tần.

• Motor 220/380V: lưới 380V đấu sao, lưới 220V (biến tần 1 pha ra 3 pha 220V) đấu tam giác.
• Motor 380/660V: lưới 380V đấu tam giác, khởi động sao – tam giác được.
• Dòng khởi động trực tiếp khoảng 5 – 7 lần dòng định mức trong vài giây.

Biến tần chọn theo dòng đầu ra lớn hơn hoặc bằng dòng tem motor; tải nặng như máy nghiền, băng tải dốc, máy ép thì lên một cấp công suất. Đọc thêm bài biến tần là gì và cách đấu ở bài cách đấu dây motor 3 pha.

6) Cách lựa chọn động cơ điện 3 pha

1. Xác định công suất trục của máy, cộng dư 10 – 15% với tải đều, 20 – 30% với tải va đập.
2. Chọn tốc độ (số cực) theo tốc độ máy cần, tính cả tỉ số puly hoặc hộp số.
3. Chọn kiểu lắp B3, B5, B35 và cỡ khung khớp với bệ máy.
4. Chọn điện áp theo lưới điện xưởng và cách khởi động dự kiến.
5. Chọn cấp bảo vệ IP, cấp cách điện theo môi trường: ẩm, bụi, nóng, ngoài trời.
6. Nếu chạy biến tần dải rộng, chọn motor có quạt cưỡng bức hoặc motor chuyên dụng cho biến tần.

7) Ứng dụng của motor điện 3 pha

• Motor điện 3 pha kéo máy bơm nước công nghiệp, bơm tưới tiêu, bơm PCCC, bơm cấp nước tòa nhà.
• Động cơ không đồng bộ 3 pha cho quạt hút bụi, quạt thông gió nhà xưởng, quạt lò hơi.
• Motor 3 pha 4 cực kéo máy nén khí, máy lạnh công nghiệp, kho lạnh.
• Motor 3 pha gắn hộp giảm tốc cho băng tải, gầu tải, máy khuấy, máy trộn thức ăn chăn nuôi.
• Motor 3 pha vỏ gang cho máy nghiền đá, máy xay xát lúa gạo, máy ép viên nén mùn cưa.
• Motor 3 pha chạy biến tần cho máy đùn nhựa, máy dệt, máy in, máy công cụ.
• Motor phòng nổ YBX3 cho mỏ than, trạm xăng dầu, nhà máy hóa chất.

Danh mục sản phẩm tham khảo: motor điện 3 pha, động cơ giảm tốc.

8) Ưu điểm, nhược điểm và so sánh với motor 1 pha, motor DC

a) Ưu điểm

• Cấu tạo đơn giản, rotor lồng sóc không có chổi than, gần như chỉ phải bảo trì bạc đạn.
• Hiệu suất và hệ số công suất cao hơn motor 1 pha cùng công suất, dòng nhỏ hơn khoảng 2.5 – 3 lần.
• Tự khởi động không cần tụ, momen khởi động khá lớn.
• Dải công suất rộng, kích thước tiêu chuẩn IEC, thay thế lẫn giữa các hãng.
• Điều tốc dễ bằng biến tần, đảo chiều chỉ cần đảo hai pha.

b) Nhược điểm

• Cần nguồn 3 pha; nơi chỉ có điện 1 pha phải dùng biến tần 1 pha ra 3 pha.
• Dòng khởi động trực tiếp lớn, motor lớn cần khởi động sao – tam giác, khởi động mềm hoặc biến tần.
• Mất một pha khi đang chạy dễ cháy cuộn nếu không có bảo vệ.
• Hệ số công suất giảm mạnh khi chạy non tải.

c) Bảng so sánh

9) Câu hỏi thường gặp về cấu tạo và nguyên lý motor điện 3 pha

a) Người sắp mua motor 3 pha cần hỏi gì, xác minh gì

• Đọc tem motor 3 pha thế nào để biết có hợp với máy không? Xem công suất kW, điện áp và kiểu đấu (220/380V Δ/Y hay 380/660V Δ/Y), dòng định mức, tốc độ, tần số, cos φ, hiệu suất, cấp cách điện, IP, cỡ khung và kiểu lắp. Motor thay thế phải cùng tốc độ, cùng cỡ khung (ví dụ 112M), cùng đường kính trục và cùng kiểu lắp thì lắp vào bệ cũ không phải sửa.
• Hỏi người bán những gì để tránh mua nhầm? Hỏi motor là lồng sóc hay dây quấn, cấp hiệu suất IE mấy, có bảo hành cuộn dây không, có biên bản đo cách điện không, phụ tùng bạc đạn và quạt có dễ thay không. Với motor chạy biến tần, hỏi rõ có chịu được biến tần và dải tần số khuyến nghị.
• Làm sao nhận ra motor quấn lại hoặc motor kém chất lượng? Mở hộp cực xem tem có bị dán đè, ốc hộp cực mới bất thường so với vỏ cũ, dây ra có màu khác nhau. Đo dòng không tải: motor 4 cực phổ thông thường khoảng 30 – 45% dòng định mức, cao hơn nhiều là lõi thép kém hoặc quấn sai. Motor nhẹ hơn hẳn motor cùng cỡ khung của hãng khác cũng nên nghi.
• Chọn motor 2 cực hay 4 cực? Tùy tốc độ máy cần. Bơm ly tâm cột áp cao thường dùng 2 cực, còn phần lớn tải công nghiệp và motor gắn hộp giảm tốc dùng 4 cực vì momen lớn hơn, chạy êm hơn, bạc đạn bền hơn. Motor 6, 8 cực dùng khi cần tốc độ thấp mà không qua hộp số.
• Giá motor điện 3 pha phụ thuộc vào gì? Theo giá trung bình thị trường Việt Nam, giá tăng theo công suất, số cực (cùng kW thì 6, 8 cực đắt hơn 4 cực), cấp hiệu suất, vật liệu vỏ và thương hiệu. Motor châu Âu, Nhật thường cao hơn hàng Trung Quốc thương hiệu khoảng 1.5 – 2 lần. So sánh tham khảo tại bài giá motor điện 3 pha.

b) Người đã mua: lắp đặt đúng, đấu điện đúng, vận hành tối ưu

• Lắp motor 3 pha lên bệ cần chú ý gì? Bệ phẳng, chắc, bốn chân tiếp xúc đều. Căn đồng tâm khớp nối hoặc thẳng hàng puly, căng curoa vừa phải. Chừa khoảng trống phía chụp quạt để gió vào, không đặt sát tường hoặc trong hộp kín.
• Đấu điện cho motor 3 pha theo trình tự nào? Đọc tem chọn đấu sao hay tam giác theo điện áp lưới, nối thanh đồng trong hộp cực, đấu dây nguồn qua CB, contactor và rơ le nhiệt. Nối dây tiếp địa vào cọc nối đất trên motor. Đo cách điện trước khi đóng điện, chạy thử không tải để kiểm tra chiều quay.
• Chạy thử thế nào để biết motor hoạt động tốt? Chạy không tải 15 – 30 phút: dòng ba pha đều nhau, tiếng chạy đều, không rung. Đưa tải lên, đo dòng không vượt tem, nhiệt độ vỏ ổn định sau khoảng 1 – 2 giờ. Ghi lại các số đo làm mốc theo dõi.
• Vận hành motor 3 pha thế nào cho tiết kiệm điện? Chọn đúng công suất, tránh motor chạy non tải lâu. Dùng biến tần cho bơm, quạt để chỉnh lưu lượng thay vì tiết lưu van. Bù hệ số công suất bằng tụ bù ở tủ tổng. Giữ điện áp cân bằng, vệ sinh cánh tản nhiệt để motor mát.
• Motor đang chạy bị nhảy rơ le nhiệt thì xử lý thế nào? Không tăng ngay mức cài rơ le. Kiểm tra điện áp ba pha, dòng ba pha, xem có mất pha, lệch pha không; kiểm tra tải cơ khí có bị kẹt, bạc đạn máy công tác có khô không. Xử lý nguyên nhân rồi mới chạy lại.

c) Các lỗi thường gặp khi dùng motor 3 pha và cách chỉnh sửa

• Motor kêu ù, không quay hoặc quay rất yếu, sửa thế nào? Thường do mất một pha: đứt cầu chì, tiếp điểm contactor cháy, dây lỏng ở cầu đấu. Tắt máy ngay, đo điện áp ba pha tại hộp cực, thay linh kiện hỏng. Motor bị chạy mất pha lâu cần đo lại cách điện và điện trở cuộn trước khi chạy.
• Motor quay ngược chiều thì làm sao? Đảo hai dây pha bất kỳ ở đầu vào contactor hoặc hộp cực. Với máy bơm, quạt, hộp số có chiều quay quy định, luôn kiểm tra chiều quay khi chạy thử không tải trước khi gắn tải.
• Đấu nhầm sao thành tam giác hoặc ngược lại thì nhận biết thế nào? Đấu tam giác khi cần sao: motor gầm to, dòng gấp khoảng 1.7 lần, nóng nhanh. Đấu sao khi cần tam giác: motor yếu, khởi động chậm, dòng khi có tải vượt tem, tốc độ tụt. Sửa bằng cách đấu lại theo tem và đo dòng sau khi chạy.
• Motor rung mạnh sau khi thay bạc đạn là do đâu? Có thể bạc đạn lắp lệch, ổ bi trên nắp bị mòn doãng, khớp nối không đồng tâm, hoặc chân motor không phẳng. Kiểm tra từng thứ: quay tay trục, đo độ đảo, căn lại tâm, chêm chân. Cánh quạt sứt hoặc puly không cân bằng cũng gây rung.
• Motor để lâu không dùng, đóng điện thì nhảy CB, phải làm gì? Cuộn dây hút ẩm, cách điện giảm. Đo bằng megomet 500V, dưới 1 MΩ thì sấy motor ở khoảng 80 – 90°C nhiều giờ, đo lại đạt yêu cầu mới chạy. Xem thêm bài cách kiểm tra motor bị cháy.

d) Sinh viên cơ điện mới vào ngành: nên tìm hiểu gì trước về motor 3 pha

• Những khái niệm nào cần nắm trước? Điện áp dây và điện áp pha, dòng điện 3 pha, công suất tác dụng và cos φ, từ trường quay, tốc độ đồng bộ n1 = 60f/p, hệ số trượt, momen định mức và momen khởi động, cấp cách điện và cấp bảo vệ IP. Đây là bộ khung để đọc hiểu mọi tem motor.
• Nên học loại motor nào trước? Học motor 3 pha rotor lồng sóc trước vì là loại cơ bản nhất, sau đó mới sang motor 1 pha có tụ, motor giảm tốc, motor biến tần, motor servo. Hiểu motor lồng sóc rồi thì học các loại khác nhanh hơn nhiều.
• Thứ tự học thực hành hợp lý? Đọc tem, đấu sao tam giác, đo điện trở và cách điện, chạy thử đo dòng không tải; tiếp theo học mạch khởi động trực tiếp, đảo chiều, sao – tam giác; sau cùng là biến tần, khởi động mềm và bảo vệ motor.
• Tự kiểm chứng tốc độ và trượt bằng cách nào? Dùng máy đo tốc độ quang đo trục motor 4 cực khi không tải và khi có tải, tính trượt s = (1500 − n) / 1500. Không tải trượt rất nhỏ, đầy tải khoảng 2 – 5%. So sánh với tốc độ trên tem để biết motor có đang quá tải hay không.
• Nên đọc thêm về những gì sau khi hiểu motor 3 pha? Đọc tiếp về biến tần và các kiểu khởi động, hộp giảm tốc và cách chọn tỉ số truyền, motor phòng nổ cho môi trường nguy hiểm. Bài động cơ encoder là bước tiếp theo nếu muốn hiểu điều khiển vị trí và tốc độ chính xác.

Đọc thêm: cách đấu dây motor điện 1 pha 2 tụ, chất lượng motor Parma.