Động cơ điện 1 pha: cấu tạo, nguyên lý, phân loại và cách chọn

Động cơ điện 1 pha (motor 1 pha, động cơ không đồng bộ một pha) là động cơ xoay chiều chạy bằng nguồn điện một pha 220 V – 50 Hz, biến điện năng thành cơ năng nhờ cảm ứng điện từ. Vì một cuộn dây một pha chỉ tạo ra từ trường đập mạch chứ không tự tạo từ trường quay, động cơ điện 1 pha luôn cần thêm cuộn dây phụ lệch pha (qua tụ điện, điện trở hoặc vòng chập) để tự khởi động. Công suất thông dụng từ vài chục W đến khoảng 3–4 kW, dùng cho máy bơm nước, máy nén khí, quạt, máy giặt, máy cắt, máy xay xát nhỏ ở nơi chỉ có điện sinh hoạt.

Bài viết trình bày cấu tạo, nguyên lý, các loại động cơ điện 1 pha, thông số điện áp – dòng điện, cách đọc nhãn, so sánh với động cơ 3 pha, ứng dụng, cách chọn, lỗi thường gặp và các câu hỏi hay gặp khi mua và sử dụng.

Mục lục

• 1. Động cơ điện 1 pha là gì?
• 2. Cấu tạo động cơ điện 1 pha
• 3. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 pha
• 4. Các loại động cơ điện 1 pha phổ biến
• 5. Thông số điện áp, dòng điện và tụ điện
• 6. So sánh động cơ điện 1 pha và động cơ 3 pha
• 7. Ưu điểm và nhược điểm của động cơ 1 pha
• 8. Ứng dụng của động cơ điện 1 pha
• 9. Cách chọn động cơ điện 1 pha
• 10. Các lỗi thường gặp và cách xử lý
• 11. Câu hỏi thường gặp về động cơ điện 1 pha

1. Động cơ điện 1 pha là gì?

Động cơ điện 1 pha là động cơ dùng nguồn xoay chiều một pha (một dây pha L và một dây trung tính N). Phần lớn động cơ 1 pha trên thị trường là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc: stator có hai cuộn dây (cuộn chính và cuộn phụ), rotor là các thanh nhôm đúc ngắn mạch. Ngoài ra còn có động cơ vạn năng (universal, có chổi than, dùng trong máy khoan, máy mài, máy hút bụi), động cơ cực từ chia (vòng chập, dùng trong quạt nhỏ) và động cơ đồng bộ một pha công suất rất nhỏ.

Kiến thức nền về các họ động cơ điện có thể xem thêm tại Tổng quan về motor điện.

2. Cấu tạo động cơ điện 1 pha

a. Stator

Lõi stator ghép từ lá thép kỹ thuật điện dày 0,35–0,5 mm, có rãnh đặt hai cuộn dây đồng tráng men: cuộn chính (cuộn chạy) có tiết diện dây lớn, điện trở nhỏ; cuộn phụ (cuộn đề, cuộn khởi động) đặt lệch 90 độ điện so với cuộn chính. Ba đầu dây ra thường ký hiệu C (chung), R (chạy), S (đề), hoặc U1-U2 (cuộn chính), Z1-Z2 (cuộn phụ) theo IEC.

b. Rotor

Động cơ không đồng bộ 1 pha dùng rotor lồng sóc: lõi thép lá, các thanh nhôm đúc nghiêng một góc nhỏ để giảm tiếng ồn và giảm mô-men đập mạch, hai đầu nối với vòng ngắn mạch. Rotor dây quấn có chổi than chỉ gặp ở động cơ vạn năng và động cơ đẩy (repulsion) đời cũ, không phải ở động cơ không đồng bộ 1 pha thông dụng.

c. Các bộ phận phụ trợ

• Tụ khởi động (tụ đề): tụ hóa không phân cực dung lượng lớn (vài chục đến vài trăm µF), chỉ làm việc vài giây lúc khởi động.
• Tụ ngâm (tụ chạy, tụ làm việc): tụ màng dầu hoặc màng polypropylene vài µF đến vài chục µF, làm việc liên tục, điện áp định mức 400–450 V AC.
• Công tắc ly tâm hoặc rơ-le khởi động: ngắt tụ đề và cuộn phụ khi động cơ đạt khoảng 70–80% tốc độ định mức.
• Bảo vệ nhiệt: nhiều động cơ máy bơm, máy nén có thermal protector gắn trong cuộn dây, tự ngắt khi quá nhiệt.
• Ổ bi, quạt làm mát, vỏ và nắp ổ: giống động cơ 3 pha.

3. Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 pha

Dòng xoay chiều một pha qua một cuộn dây chỉ tạo từ trường đập mạch: từ trường đổi chiều theo thời gian nhưng đứng yên trong không gian. Từ trường này có thể phân tích thành hai từ trường quay ngược chiều nhau, cùng độ lớn, nên khi rotor đứng yên, mô-men của hai thành phần triệt tiêu nhau — động cơ chỉ ù mà không tự quay. Nếu ai đó đẩy rotor theo một chiều, động cơ sẽ quay tiếp theo chiều đó.

Để tự khởi động, người ta thêm cuộn phụ lệch 90 độ trong không gian và làm dòng qua cuộn phụ lệch pha với dòng cuộn chính (bằng tụ điện hoặc bằng điện trở dây lớn). Hai từ trường lệch pha cả về không gian lẫn thời gian tạo thành từ trường quay (gần tròn hoặc elip), sinh mô-men khởi động. Đổi đầu cuộn phụ (hoặc cuộn chính) thì đổi chiều quay.

Tốc độ đồng bộ n₁ = 60·f / p: động cơ 2 cực ở 50 Hz là 3000 vòng/phút (thực tế khoảng 2800–2900), 4 cực là 1500 vòng/phút (thực tế khoảng 1400–1450).

4. Các loại động cơ điện 1 pha phổ biến

a. Động cơ chạy tụ (PSC – tụ ngâm cố định)

Cuộn phụ nối tiếp một tụ ngâm và luôn làm việc. Mô-men khởi động thấp (khoảng 0,3–0,6 lần định mức) nhưng chạy êm, hệ số công suất tốt. Dùng cho quạt, máy bơm ly tâm nhỏ, máy hút khói.

b. Động cơ khởi động bằng tụ (CSIR – tụ đề)

Cuộn phụ nối tiếp tụ đề và công tắc ly tâm, chỉ đóng lúc khởi động. Mô-men khởi động cao (2–3 lần định mức), phù hợp tải nặng khi khởi động như máy nén khí piston, máy bơm cánh dương.

c. Động cơ hai tụ (CSCR – tụ đề + tụ ngâm)

Kết hợp hai loại trên: tụ đề cho mô-men khởi động lớn, tụ ngâm giữ lại khi chạy để tăng hiệu suất, giảm ồn. Phần lớn động cơ 1 pha công nghiệp 1,5–3 kW (dòng YL, máy nén, máy xay) dùng kiểu này.

d. Động cơ khởi động bằng cuộn phụ điện trở cao (split-phase)

Cuộn phụ quấn dây nhỏ, điện trở lớn để tự lệch pha, không có tụ; công tắc ly tâm ngắt cuộn phụ sau khởi động. Mô-men khởi động vừa phải, dòng khởi động cao (6–8 lần). Dùng trong máy giặt đời cũ, quạt hút, máy công cụ nhỏ. Lưu ý: "khởi động bằng điện trở" ở đây là cuộn phụ có điện trở cao để tạo lệch pha, không phải điện trở hạn chế dòng khởi động.

e. Động cơ cực từ chia (vòng chập) và động cơ vạn năng

Động cơ vòng chập có vòng đồng ngắn mạch ôm một phần cực từ, rất rẻ nhưng hiệu suất thấp (10–30%), dùng cho quạt nhỏ, máy sấy tóc. Động cơ vạn năng có chổi than, cổ góp, chạy được cả AC lẫn DC, tốc độ 10.000–30.000 vòng/phút — đây mới là loại động cơ trong máy khoan, máy cưa, máy mài, máy hút bụi.

• Số liệu là giá trị điển hình, thông số thực tế theo nhãn và catalog.
• Mô-men khởi động thấp thì không kéo được tải nặng ngay từ lúc đứng yên.
• Thay sai loại tụ làm thay đổi hẳn đặc tính khởi động.

5. Thông số điện áp, dòng điện và tụ điện

• Điện áp: 220 V (hoặc 230 V) ±10%, 50 Hz. Điện áp dưới 200 V thì mô-men khởi động giảm theo bình phương điện áp, động cơ dễ không đề nổi và nóng.
• Dòng điện định mức: lớn hơn nhiều so với động cơ 3 pha cùng công suất. Ước lượng ở 220 V: 0,37 kW khoảng 2,8–3,5 A; 0,75 kW khoảng 5–6 A; 1,5 kW khoảng 9–11 A; 2,2 kW khoảng 13–15 A; 3 kW khoảng 17–20 A.
• Dòng khởi động: 4–7 lần dòng định mức, nên aptomat cho động cơ 1 pha dùng loại đặc tính C, dòng cắt 1,5–2 lần dòng định mức.
• Tụ điện: tụ ngâm thường khoảng 25–35 µF cho mỗi kW (tham khảo), tụ đề 150–300 µF cho mỗi kW; luôn lấy theo nhãn động cơ.
• Biến tần: động cơ có công tắc ly tâm và tụ đề không dùng được biến tần thông thường. Với động cơ PSC (quạt, bơm nhỏ) có biến tần chuyên dùng cho motor 1 pha; còn phổ biến hơn là dùng biến tần đầu vào 1 pha 220 V, đầu ra 3 pha 220 V kèm động cơ 3 pha đấu tam giác 220 V.

Cách khởi động và đảo chiều chi tiết được trình bày trong bài phương pháp khởi động động cơ điện xoay chiều 1 pha.

6. So sánh động cơ điện 1 pha và động cơ 3 pha

7. Ưu điểm và nhược điểm của động cơ 1 pha

a. Ưu điểm

• Dùng trực tiếp điện sinh hoạt 220 V, không cần kéo điện 3 pha.
• Cấu tạo bền, rotor lồng sóc gần như không cần bảo dưỡng ngoài ổ bi và tụ.
• Phù hợp động cơ máy bơm nước gia đình, máy nén khí mini, máy xay xát nhỏ, máy cưa gỗ gia đình.
• Đảo chiều đơn giản bằng cách đổi đầu cuộn phụ.

b. Nhược điểm

• Hiệu suất và hệ số công suất thấp hơn động cơ 3 pha; dòng lớn hơn nên dây dẫn, aptomat phải to hơn.
• Công suất bị giới hạn khoảng 3–4 kW; lớn hơn sẽ gây sụt áp lưới sinh hoạt.
• Có thêm tụ, công tắc ly tâm là những điểm dễ hỏng nhất.
• Rung đập mạch 100 Hz, ồn hơn; điều tốc khó.

8. Ứng dụng của động cơ điện 1 pha

• Gia đình: động cơ máy bơm nước 1 pha, máy giặt, tủ lạnh và điều hòa (máy nén kín), quạt trần, quạt đứng.
• Xưởng nhỏ, hộ kinh doanh: motor 1 pha 2.2kW cho máy nén khí, máy cưa gỗ, máy bào, máy xay bột, máy nghiền thức ăn chăn nuôi, máy xay xát gạo mini.
• Nông nghiệp: bơm tưới, quạt chuồng trại, máy băm cỏ ở nơi không có điện 3 pha.
• Thiết bị thương mại: máy trộn bột, máy ép nước mía, máy rửa xe, băng tải nhỏ có motor giảm tốc 1 pha.
• Dụng cụ cầm tay: máy khoan, máy mài, máy cưa cầm tay dùng động cơ vạn năng 1 pha có chổi than.

9. Cách chọn động cơ điện 1 pha

1. Xác định công suất và tốc độ tải: P (kW) = M (Nm) × n (vòng/phút) / 9550, cộng dự phòng 10–20%.
2. Xét mô-men khởi động: tải nặng lúc khởi động (máy nén piston, máy nghiền) chọn loại tụ đề hoặc hai tụ; tải nhẹ (quạt, bơm ly tâm) dùng PSC.
3. Chọn số cực: 2 cực (~2850 vòng/phút) cho bơm, máy cắt; 4 cực (~1420 vòng/phút) cho máy xay, hộp giảm tốc, băng tải.
4. Kiểm tra nguồn điện: dây dẫn, aptomat, công tơ phải chịu được dòng khởi động; điện áp cuối đường dây không dưới 200 V khi khởi động.
5. Kiểu lắp: chân đế B3, mặt bích B5, B14; đường kính trục, chiều cao tâm trục khớp với máy.
6. Môi trường: cấp bảo vệ IP44, IP54, IP55 tùy nơi ẩm, bụi; cách điện cấp B hoặc F.

10. Các lỗi thường gặp và cách xử lý

11. Câu hỏi thường gặp về động cơ điện 1 pha

a. Người sắp mua cần hỏi gì, xác minh gì

• Động cơ là loại một tụ hay hai tụ, có công tắc ly tâm không? Câu hỏi này quyết định mô-men khởi động. Máy nén khí, máy nghiền, máy xay đầy liệu cần loại tụ đề hoặc hai tụ; nếu mua nhầm loại chỉ có tụ ngâm, động cơ sẽ ù mà không đề nổi tải.
• Dòng định mức thực tế bao nhiêu ampe? Xem trên nhãn và so với dây điện, aptomat, công tơ đang có. Ví dụ motor 1 pha 2.2kW dòng khoảng 13–15 A, dòng khởi động có thể trên 60 A; dây 2,5 mm² dài vài chục mét sẽ sụt áp mạnh khi đề.
• Dây quấn đồng hay nhôm? Dây đồng chịu nhiệt và quá tải ngắn hạn tốt hơn, dễ quấn lại; dây nhôm rẻ hơn nhưng to hơn cùng công suất và khó sửa. Hỏi rõ và có thể kiểm tra trọng lượng so với hàng cùng cỡ.
• Tốc độ 2 cực hay 4 cực? Động cơ 2 cực khoảng 2850 vòng/phút, 4 cực khoảng 1420 vòng/phút; lắp nhầm làm máy bơm, máy xay chạy quá nhanh hoặc yếu. Với hộp giảm tốc, ưu tiên động cơ 4 cực.
• Kích thước trục, chân đế, mặt bích có khớp máy cũ? Đo đường kính trục, chiều dài trục, rãnh then, chiều cao tâm trục và khoảng cách lỗ chân đế trước khi đặt mua để tránh phải gia công lại.
• Có bảo vệ nhiệt tích hợp không, cấp IP bao nhiêu? Động cơ đặt ngoài trời, gần nước nên chọn IP55 và có thermal protector, nhất là với máy bơm chạy tự động bằng phao.

b. Người đã mua: lắp sao cho đúng, dùng sao cho tối ưu

• Đấu dây động cơ 1 pha thế nào? Theo sơ đồ trong nắp hộp cực: cuộn chính nối thẳng L–N, cuộn phụ nối qua tụ (và công tắc ly tâm nếu có). Đảo chiều bằng cách đổi hai đầu cuộn phụ Z1–Z2 theo sơ đồ, không đổi L với N. Chi tiết có tại bài cách sử dụng động cơ điện 1 pha.
• Dây dẫn và aptomat cỡ nào là đủ? Với 1,5 kW (khoảng 10 A) dùng dây đồng 2,5 mm² nếu dưới 20 m, aptomat C16; với 2,2–3 kW (13–20 A) dùng dây 4 mm², aptomat C25–C32. Đường dây dài cần tăng tiết diện để sụt áp khi khởi động không quá 10%.
• Có cần nối đất vỏ động cơ không? Bắt buộc. Động cơ máy bơm, máy rửa xe làm việc nơi ẩm ướt; nối đất vỏ kết hợp aptomat chống dòng rò 30 mA là biện pháp an toàn chính.
• Thay tụ cần chú ý gì? Thay đúng dung lượng µF (sai số ±5%), điện áp tụ ngâm 400–450 V AC, tụ đề 250–330 V AC; không dùng tụ hóa có cực của mạch DC. Xả tụ trước khi chạm vào đầu cos.
• Khởi động mấy lần một giờ là được? Động cơ có tụ đề thường cho phép khoảng 6–20 lần mỗi giờ tùy công suất; khởi động liên tục (bơm có phao chập chờn) làm tụ đề nóng và nổ. Nên chỉnh phao, rơ-le áp suất có khoảng chênh đủ rộng.
• Muốn chỉnh tốc độ thì làm thế nào? Quạt và bơm nhỏ loại PSC có thể dùng dimmer hoặc triac, xem thêm bài mạch điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 1 pha. Tải nặng cần điều tốc rộng thì phương án ổn định là động cơ 3 pha 220 V kèm biến tần 1 pha vào, 3 pha ra.

c. Các lỗi người dùng thường mắc và cách chỉnh sửa

• Thay tụ to hơn cho "khỏe". Tụ ngâm quá lớn làm dòng cuộn phụ tăng, cuộn phụ quá nhiệt và cháy sau vài tuần. Cách sửa: trả về đúng giá trị trên nhãn; nếu thiếu mô-men khởi động thì bổ sung tụ đề qua công tắc ly tâm hoặc rơ-le chứ không tăng tụ ngâm.
• Nối tụ đề làm việc liên tục. Tụ đề chỉ chịu được vài giây, để lâu sẽ phồng nổ, cuộn phụ cháy. Cách sửa: kiểm tra công tắc ly tâm, nếu hỏng thì thay hoặc dùng rơ-le khởi động đúng loại.
• Đổi chiều quay bằng cách đảo dây L và N. Với nguồn xoay chiều, đổi L–N không làm đổi chiều quay mà còn đưa dây pha ra vỏ nếu đấu sai. Cách sửa: đảo đầu cuộn phụ đúng sơ đồ.
• Dùng dây điện quá nhỏ, quá dài. Động cơ ù lâu mới chạy, đèn trong nhà nháy mạnh, cuộn dây nóng. Cách sửa: tăng tiết diện dây, đo điện áp tại hộp cực khi khởi động phải trên 200 V.
• Cho bơm chạy khô hoặc máy nén chạy không có van xả tải. Động cơ phải khởi động khi đầu nén còn áp, quá dòng, nhảy nhiệt. Cách sửa: kiểm tra van một chiều, van xả tải của máy nén, rơ-le áp suất.
• Không vệ sinh cánh quạt và nắp chụp. Bụi, lông vải bít đường gió khiến động cơ nóng dù tải nhẹ. Cách sửa: vệ sinh định kỳ, đặt động cơ nơi thoáng.

d. Dành cho sinh viên cơ điện mới vào ngành: nên tìm hiểu gì trước

• Nên nắm khái niệm nào trước? Điện xoay chiều hình sin, góc lệch pha giữa dòng và áp trong mạch R, L, C, hệ số công suất cos φ. Hiểu tụ điện làm dòng sớm pha là hiểu vì sao tụ giúp động cơ 1 pha khởi động.
• Vì sao một cuộn dây không tự khởi động được? Học khái niệm từ trường đập mạch và định lý phân tích nó thành hai từ trường quay ngược chiều (lý thuyết hai từ trường quay). Đây là phần lý thuyết cốt lõi của máy điện một pha.
• Nên học thiết bị nào trước? Học động cơ không đồng bộ 3 pha trước (từ trường quay, hệ số trượt, đọc nhãn), sau đó mới học động cơ 1 pha như một trường hợp đặc biệt. Song song làm quen với tụ điện, công tắc ly tâm, rơ-le dòng khởi động.
• Bài thực hành gợi ý? Dùng đồng hồ vạn năng phân biệt cuộn chính (điện trở nhỏ) và cuộn phụ (điện trở lớn) trên động cơ 3 đầu dây C, R, S; đấu thử với tụ ngâm, đo dòng hai cuộn bằng ampe kìm, đổi chiều quay; sau đó thử thay tụ nhỏ hơn và lớn hơn để quan sát dòng và nhiệt.
• Mạch điều khiển nào nên lắp? Mạch khởi động – dừng dùng contactor và rơ-le nhiệt cho động cơ 1 pha, mạch đảo chiều dùng hai contactor đảo đầu cuộn phụ có khóa chéo, và mạch rơ-le áp suất cho máy bơm.
• Học tiếp gì sau đó? Động cơ vạn năng và mạch triac điều tốc, biến tần 1 pha vào 3 pha ra, động cơ BLDC dùng trong quạt và máy giặt inverter — xu hướng đang thay dần động cơ 1 pha truyền thống trong đồ gia dụng.

Động cơ điện 1 pha là giải pháp thực tế cho nơi chỉ có điện sinh hoạt và tải dưới khoảng 3 kW. Chọn đúng loại tụ theo đặc tính tải, đúng tiết diện dây và giữ tụ, công tắc ly tâm ở trạng thái tốt là đủ để động cơ chạy bền nhiều năm.