Động cơ không đồng bộ 3 pha: cấu tạo, nguyên lý từ trường quay, độ trượt, cách đọc nhãn, đấu dây và khởi động

Động cơ không đồng bộ 3 pha là động cơ điện xoay chiều có rotor quay chậm hơn một chút so với từ trường quay do dòng điện 3 pha tạo ra trong stator; khoảng chênh lệch này, gọi là độ trượt, làm xuất hiện dòng điện cảm ứng trong rotor và sinh ra mô-men kéo tải. Rotor nhận năng lượng hoàn toàn bằng cảm ứng, không cần chổi than hay nam châm, nên loại máy này còn được gọi là động cơ cảm ứng 3 pha và là loại motor phổ biến nhất trong nhà máy, trạm bơm, xưởng cơ khí.

Dùng đúng loại động cơ này cần nắm vài con số then chốt: tốc độ đồng bộ và độ trượt, dòng khởi động gấp bao nhiêu lần định mức, nhãn 220/380 V hay 380/660 V thì đấu thế nào trên lưới 380 V. Các mục dưới đây đi từ cấu tạo, nguyên lý đến tính toán và xử lý sự cố, kèm ví dụ bằng số.

• Động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc: stator quấn dây 3 pha, rotor là lõi thép có thanh dẫn nhôm nối tắt hai đầu, quạt làm mát gắn ở đuôi trục.

1. Động cơ không đồng bộ 3 pha là gì, vì sao gọi là "không đồng bộ"

Trong động cơ không đồng bộ 3 pha, tốc độ rotor (n) luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay (n1, tốc độ đồng bộ). Hai tốc độ không bằng nhau nên máy được gọi là "không đồng bộ". Ở động cơ đồng bộ, rotor có nam châm hoặc cuộn kích từ riêng nên bị từ trường "khóa" và quay đúng bằng n1.

Rotor không thể đuổi kịp từ trường vì nếu quay bằng n1, thanh dẫn rotor đứng yên so với từ trường, không còn từ thông biến thiên cắt qua, không có dòng điện rotor và không có mô-men. Mô-men mất thì rotor chậm lại, khoảng chênh lại xuất hiện. Động cơ luôn tự cân bằng ở một độ trượt vừa đủ để mô-men điện từ bằng mô-men tải.

Ưu điểm lớn nhất là cấu tạo đơn giản, gần như không có chi tiết hao mòn ngoài ổ bi, đấu thẳng vào lưới là chạy, kích thước lắp theo khung IEC nên dễ thay giữa các hãng. Đổi lại, dòng khởi động lớn, cosφ thấp khi chạy non tải và tốc độ thay đổi nhẹ theo tải.

2. Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha

Động cơ không đồng bộ 3 pha gồm stator đứng yên và rotor quay, cách nhau một khe hở không khí rất nhỏ, cùng các bộ phận đỡ trục, làm mát và đấu điện.

Phần lớn động cơ không đồng bộ 3 pha dùng rotor lồng sóc, thanh dẫn đặt hơi xiên so với trục để giảm ồn từ và tránh rotor bị "kẹt" ở tốc độ thấp khi khởi động. Rotor dây quấn dùng cho cầu trục, máy nghiền cần khởi động nặng, nay phần lớn đã chuyển sang rotor lồng sóc kết hợp biến tần. Các kiểu rotor, kiểu lắp, cấp bảo vệ và cách làm mát được trình bày đầy đủ trong bài phân loại động cơ điện xoay chiều 3 pha.

Khe hở không khí có từ trở lớn hơn thép rất nhiều nên stator phải lấy thêm dòng điện chỉ để từ hóa, đó là lý do cosφ của động cơ cảm ứng luôn nhỏ hơn 1.

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

Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ 3 pha gồm hai hiện tượng: dòng điện 3 pha trong ba cuộn dây lệch nhau 120° tạo ra từ trường quay, và từ trường quay cảm ứng dòng điện trong rotor rồi tác dụng lực lên chính dòng điện đó.

• Ba dòng điện lệch pha 120° chạy trong ba cuộn dây đặt lệch nhau 120° tạo ra từ trường có độ lớn gần như không đổi, quay đều với tốc độ đồng bộ.

Bước 1: Tạo từ trường quay

Mỗi cuộn dây riêng lẻ chỉ tạo từ trường đập mạch. Do ba dòng điện và ba cuộn dây cùng lệch nhau 120°, tổng ba từ trường là một vectơ có độ lớn bằng 1,5 lần biên độ của một pha và quay tròn đều. Với dây quấn 2 cực, từ trường quay 50 vòng mỗi giây ở lưới 50 Hz.

Bước 2: Cảm ứng dòng điện trong rotor

Từ trường quét qua thanh dẫn rotor đang đứng yên, sinh sức điện động cảm ứng. Thanh dẫn được nối tắt nên dòng rotor rất lớn lúc khởi động; rotor lúc này giống cuộn thứ cấp ngắn mạch của máy biến áp, nên dòng khởi động cao gấp nhiều lần dòng định mức.

Bước 3: Sinh mô-men và tăng tốc

Dòng điện rotor nằm trong từ trường chịu lực điện từ, kéo rotor quay cùng chiều từ trường. Rotor càng nhanh, tốc độ tương đối càng nhỏ, dòng rotor giảm dần cho tới khi mô-men cân bằng với tải. Ở chế độ định mức, tần số dòng điện trong rotor chỉ khoảng 1–3 Hz, bằng độ trượt nhân tần số lưới.

4. Tốc độ đồng bộ, độ trượt và tốc độ định mức

Tốc độ đồng bộ của động cơ không đồng bộ 3 pha tính theo công thức n1 = 60 × f / p, với f là tần số (Hz) và p là số cặp cực. Motor 4 cực có 2 cặp cực, ở lưới 50 Hz có n1 = 60 × 50 / 2 = 1.500 vòng/phút.

Độ trượt s

• s = (n1 − n) / n1, thường tính bằng phần trăm.
• Motor 4 cực ghi nhãn 1.440 vòng/phút có s = (1.500 − 1.440) / 1.500 = 4%.
• Độ trượt định mức điển hình 1–6%: motor nhỏ trượt nhiều, motor lớn và hiệu suất cao trượt ít.
• Lúc khởi động s = 1; chạy không tải s rất nhỏ, tốc độ sát n1.

Trong vùng làm việc bình thường, độ trượt gần như tỉ lệ thuận với tải. Motor 4 cực định mức 1.440 vòng/phút khi chạy 50% tải quay khoảng 1.470 vòng/phút, quá tải 20% còn khoảng 1.428 vòng/phút. Nhờ đó có thể ước lượng mức tải bằng máy đo tốc độ quang học khi không có thiết bị đo công suất.

Video dưới đây đo tốc độ thực của một motor 4 cực khi chạy, có thể so với tốc độ đồng bộ 1.500 vòng/phút để thấy độ trượt.

5. Đặc tính mô-men và dòng khởi động

Đường đặc tính mô-men của động cơ không đồng bộ 3 pha có ba điểm cần nhớ: mô-men khởi động khi rotor đứng yên, mô-men cực đại ở độ trượt khoảng 10–25%, và mô-men định mức. Giữa khởi động và cực đại có chỗ trũng gọi là mô-men nhỏ nhất khi tăng tốc; tải lớn hơn chỗ này thì motor bị "treo" ở tốc độ thấp và nóng nhanh.

Mô-men định mức tính theo M = 9.550 × P / n (P bằng kW, n bằng vòng/phút, M bằng N·m). Motor 4 kW quay 1.440 vòng/phút có M = 9.550 × 4 / 1.440 ≈ 26,5 N·m.

• Mô-men tỉ lệ bình phương điện áp: áp tụt 10% thì mô-men khởi động và cực đại còn khoảng 81%.
• Dòng khởi động gần như không phụ thuộc tải; tải nặng chỉ kéo dài thời gian khởi động và tăng nhiệt.
• Tải vượt mô-men cực đại thì tốc độ sụp, dòng vọt gần dòng khởi động, bảo vệ quá tải phải cắt kịp.

6. Cách đọc nhãn động cơ không đồng bộ 3 pha

Nhãn trên vỏ là "lý lịch" của động cơ, đọc đúng để đấu dây, cài bảo vệ và thay thế đúng loại. Dưới đây là ví dụ nhãn của một motor 3 pha 5 HP 4 kW 4 cực, loại hay gặp ở bơm, quạt, máy nén khí.

Tính dòng định mức

Dòng định mức của động cơ không đồng bộ 3 pha tính theo I = P / (√3 × U × cosφ × η), với P là công suất cơ (W), U là điện áp dây (V). Với nhãn trên: I = 4.000 / (1,732 × 380 × 0,82 × 0,886) ≈ 8,4 A. Công suất điện lấy từ lưới là 4 / 0,886 ≈ 4,5 kW, công suất biểu kiến √3 × 380 × 8,4 ≈ 5,5 kVA; con số kVA này mới dùng để tính máy phát hay máy biến áp.

Các nhầm lẫn hay gặp

• 1 HP = 0,746 kW, nên 4 kW thực ra là 5,36 HP; nhãn thường làm tròn 5,5 HP, thị trường quen gọi motor 5 HP.
• Motor non tải không giảm dòng tỉ lệ thuận vì dòng từ hóa gần như không đổi; chạy không tải vẫn có thể ăn 30–50% dòng định mức.

7. Đấu sao, tam giác và đảo chiều quay

Cách đấu động cơ không đồng bộ 3 pha phụ thuộc điện áp nhãn và điện áp lưới, không phụ thuộc công suất. Con số nhỏ trên nhãn là điện áp khi đấu tam giác (Δ), con số lớn là khi đấu sao (Y), tỉ số giữa chúng là √3.

Nối thanh đồng trong hộp cực 6 đầu dây

• Đấu sao: hai thanh nối ngang nối chung W2, U2, V2; cấp L1, L2, L3 vào U1, V1, W1.
• Đấu tam giác: ba thanh nối dọc nối U1–W2, V1–U2, W1–V2; cấp ba pha vào U1, V1, W1.
• Khởi động sao–tam giác: bỏ thanh nối, đưa cả 6 đầu dây về tủ điện.
• Đảo chiều: đổi chỗ hai dây pha bất kỳ ở nguồn cấp vì chiều từ trường quay theo thứ tự pha; mạch đảo chiều dùng hai contactor có khóa liên động.

Đấu sai và hậu quả

• Motor 220/380 V đấu tam giác vào lưới 380 V: mỗi cuộn chịu điện áp gấp √3 lần, từ thông bão hòa, motor kêu rít và cháy nhanh.
• Motor 380/660 V đấu sao vào lưới 380 V: mỗi cuộn chỉ nhận khoảng 58% điện áp, mô-men còn khoảng một phần ba; chạy không tải vẫn bình thường nên dễ bỏ qua, có tải thì trượt lớn và nóng.

Theo thông lệ, motor dưới khoảng 3 kW thường ghi 220/380 V, từ khoảng 4 kW thường ghi 380/660 V; vẫn phải đọc nhãn từng chiếc. Motor châu Âu ghi 230/400 V hay 400/690 V vẫn dùng bình thường trên lưới 380 V vì mức chênh 5% nằm trong dung sai theo IEC 60034-1.

Video sau minh họa cách đấu 6 đầu dây của động cơ không đồng bộ 3 pha vào nguồn 380 V.

8. Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ 3 pha

Dòng khởi động lớn gây tụt áp, nhảy CB; mô-men khởi động mạnh gây giật khớp nối, búa nước đường ống. Motor từ vài kW trở lên cần chọn phương pháp khởi động khi thiết kế tủ điện.

Khởi động sao–tam giác hay hỏng ở đâu

Bước sao chỉ có khoảng một phần ba mô-men nên tải phải đủ nhẹ để motor lên gần tốc độ định mức trước khi chuyển. Rơ-le thời gian cài quá ngắn thì motor chuyển sang tam giác khi còn chậm, dòng vọt gần như khởi động trực tiếp. Thời điểm chuyển hợp lý là khi dòng bước sao đã giảm về gần định mức, thường sau 3–10 giây tùy tải.

Khởi động mềm khác biến tần ở đâu

Khởi động mềm chỉ hạ điện áp bằng thyristor, tần số vẫn 50 Hz nên không chỉnh được tốc độ. Giảm dòng khởi động còn một nửa thì mô-men chỉ còn khoảng một phần tư, nên với máy nghiền hay băng tải đầy liệu thường không đủ sức.

9. Điều chỉnh tốc độ bằng biến tần

Theo công thức n1 = 60f/p, cách hiệu quả nhất để đổi tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc là đổi tần số nguồn bằng biến tần.

Dưới 50 Hz: giữ tỉ số V/f

Từ thông tỉ lệ với điện áp chia tần số. Ở chế độ V/f, biến tần giảm điện áp cùng tỉ lệ với tần số (khoảng 190 V ở 25 Hz với motor 380 V) nên giữ được mô-men gần như không đổi. Ở tần số rất thấp cần bù điện áp (torque boost) hoặc dùng chế độ vector không cảm biến.

Trên 50 Hz: vùng giảm từ thông

Biến tần không thể tăng điện áp quá điện áp nguồn, nên vượt 50 Hz thì từ thông yếu đi. Motor vào vùng công suất không đổi: mô-men liên tục giảm gần theo tỉ lệ 50/f, mô-men cực đại giảm xấp xỉ theo bình phương. Ví dụ ở 75 Hz, mô-men liên tục còn khoảng 67%, mô-men cực đại còn khoảng 44%.

Quạt tự làm mát yếu ở tần số thấp

Với bơm, quạt, mô-men giảm mạnh khi giảm tốc nên không đáng lo. Nhưng tải mô-men không đổi như băng tải, máy trộn chạy lâu ở 20–25 Hz có thể làm motor quá nhiệt dù dòng không vượt định mức. Cách xử lý là giảm tải theo đường cong của nhà sản xuất, chọn motor lớn hơn một cấp, lắp quạt cưỡng bức chạy điện riêng, hoặc dùng động cơ giảm tốc để motor vẫn quay nhanh và quạt làm mát tốt.

Cáp biến tần tới motor dài vài chục mét trở lên có thể gây quá áp đỉnh ở đầu cực, hại cách điện, nhất là motor đã quấn lại.

10. Chạy động cơ không đồng bộ 3 pha trên điện 1 pha

Khi chỉ có điện 1 pha 220 V, có hai cách chạy động cơ không đồng bộ 3 pha: dùng tụ điện theo sơ đồ Steinmetz hoặc dùng biến tần 1 pha vào 3 pha ra 220 V. Cả hai đều yêu cầu motor nhãn 220/380 V, đấu tam giác.

Dùng tụ điện (sơ đồ Steinmetz)

• Hai đỉnh tam giác nối vào hai dây nguồn, đỉnh thứ ba nối qua tụ tới một dây nguồn; chuyển tụ sang dây kia thì đảo chiều.
• Tụ làm việc ước lượng 60–70 µF mỗi kW ở 220 V 50 Hz, loại tụ chạy chịu từ 400 V xoay chiều.
• Công suất kéo được ước lượng chỉ còn 50–70% công suất nhãn, dòng ba cuộn không cân bằng nên motor nóng hơn; chỉ hợp với motor nhỏ, tải nhẹ, thường dưới 2,2 kW.

Dùng biến tần 1 pha vào, 3 pha 220 V ra

Biến tần tạo điện 3 pha cân bằng 220 V nên motor chạy gần đủ công suất, khởi động êm, chỉnh được tốc độ. Dòng phía 1 pha đầu vào thường khoảng gấp đôi dòng mỗi pha của motor nên dây và CB nguồn phải đủ lớn; loại này phổ biến tới khoảng 2,2–3,7 kW. Nếu chỉ có nguồn 1 pha lâu dài và công suất nhỏ, dùng luôn động cơ điện 1 pha thường đơn giản hơn.

11. Chọn công suất động cơ không đồng bộ 3 pha theo tải

Chọn đúng công suất là lấy công suất trục tải cần, nhân hệ số dự phòng hợp lý, rồi kiểm tra mô-men khởi động. Chọn nhỏ thì quá nhiệt; chọn quá lớn thì hiệu suất và cosφ thấp, tốn tiền đầu tư lẫn tiền điện phản kháng.

• Động cơ không đồng bộ 3 pha kéo bơm, quạt, máy nén, băng tải, máy trộn trong nhà xưởng.

Ví dụ chọn motor cho bơm

Bơm cần Q = 30 m³/h, H = 30 m, hiệu suất bơm khoảng 65%. Công suất trục P = 1.000 × 9,81 × (30 / 3.600) × 30 / 0,65 ≈ 3,77 kW; nhân dự phòng 1,15 được khoảng 4,3 kW, vượt cấp 4 kW nên chọn 5,5 kW. Vì thế các bộ máy bơm nước thường ghép motor lớn hơn công suất trục ở điểm định mức một khoảng nhất định.

Sai lầm hay gặp

• Chọn motor gấp đôi "cho chắc": chạy 30–40% tải thì cosφ chỉ còn khoảng 0,5–0,6.
• Bỏ qua mô-men khởi động của tải nặng rồi dùng sao–tam giác hay khởi động mềm, motor không lên nổi tốc độ.

Dải motor điện 3 pha trải từ dưới 1 kW tới hàng trăm kW. Ở cấp nhỏ như motor 1 HP 0,75 kW, độ trượt và dòng không tải tương đối cao; ở cấp như motor 3 pha 15 HP 11 kW, hiệu suất cao hơn và hầu như luôn cần phương pháp khởi động giảm dòng.

12. Lỗi thường gặp ở động cơ không đồng bộ 3 pha

Phần lớn sự cố của động cơ không đồng bộ 3 pha bắt nguồn từ nguồn điện và tải.

Mất pha: nguyên nhân cháy motor số một

Đang chạy mà mất một pha, motor vẫn quay nhưng dòng hai pha còn lại tăng khoảng 1,7–2 lần nếu đang gần đầy tải. Bảo vệ không cắt kịp thì cuộn dây cháy theo dấu hiệu đặc trưng: motor đấu sao thường cháy hai pha, motor đấu tam giác thường cháy một pha. Motor đang đứng yên mà mất pha thì không tự khởi động được, chỉ kêu ù và nóng nhanh. Vì vậy cần bảo vệ có chức năng phát hiện mất pha.

Lệch điện áp: nhỏ nhưng nguy hiểm

Dòng điện lệch nhiều hơn điện áp gấp 6–10 lần. Theo NEMA MG 1, độ tăng nhiệt cuộn dây tăng thêm khoảng 2 × (phần trăm lệch áp)² phần trăm, và motor phải giảm tải như sau.

Độ lệch tính bằng độ chênh lớn nhất giữa một điện áp dây và giá trị trung bình, chia cho trung bình. Đo được 390 V, 380 V, 370 V thì trung bình 380 V, lệch lớn nhất 10 V, độ lệch 2,6%.

13. Hiệu suất và tiết kiệm điện

Bảng dưới là hiệu suất tối thiểu của motor 4 kW 4 cực 50 Hz theo từng cấp IE.

Motor 4 kW chạy đầy tải 6.000 giờ mỗi năm, chênh tổn hao giữa IE1 và IE3 khoảng 0,3 kW, tức khoảng 1.800 kWh mỗi năm. Hiệu quả tiết kiệm lớn nhất thường đến từ việc chọn đúng công suất để motor chạy ở 75–100% tải, và dùng biến tần cho bơm, quạt thay cho van tiết lưu: giảm tốc 20% thì công suất trục lý thuyết còn khoảng 51%. Datasheet của các hãng như Teco hay ABB thường ghi hiệu suất và cosφ ở 50%, 75%, 100% tải, rất tiện để so tổn hao thực tế thay vì chỉ nhìn cấp IE.

14. Câu hỏi thường gặp về động cơ không đồng bộ 3 pha

• Vì sao tốc độ thực của động cơ không đồng bộ 3 pha luôn nhỏ hơn tốc độ đồng bộ? Mô-men chỉ sinh ra khi có dòng cảm ứng trong rotor, mà dòng này chỉ có khi rotor quay chậm hơn từ trường. Vì vậy motor 4 cực ở lưới 50 Hz không bao giờ quay đủ 1.500 vòng/phút, mà thường quanh 1.420–1.480 vòng/phút tùy công suất và tải.
• Motor 3 pha có chạy được bằng điện 1 pha 220 V không? Được, nếu motor có nhãn 220/380 V và đấu tam giác. Dùng tụ thì công suất kéo được chỉ còn khoảng một nửa đến hai phần ba; dùng biến tần 1 pha vào 3 pha ra 220 V thì chạy gần đủ công suất. Motor nhãn 380/660 V không chạy được theo hai cách này.
• 1 HP bằng bao nhiêu kW? 1 HP bằng 0,746 kW, còn 1 mã lực mét (PS, CV) bằng 0,7355 kW. Thị trường thường gọi tròn: 0,75 kW là 1 HP, 1,5 kW là 2 HP, 2,2 kW là 3 HP, 4 kW là 5 HP, 7,5 kW là 10 HP.
• Motor 3 pha 4 kW 380 V dùng CB và dây bao nhiêu? Dòng định mức khoảng 8–9 A. Thường dùng CB bảo vệ động cơ dải chỉnh 6–10 A hoặc 8–12 A chỉnh đúng dòng nhãn, hoặc aptomat 16 A kết hợp rơ-le nhiệt. Dây đồng 2,5 mm² là mức phổ biến cho tuyến ngắn; tuyến dài cần kiểm tra thêm sụt áp lúc khởi động.
• Motor 2 cực và 4 cực cùng công suất khác nhau thế nào? Motor 2 cực quay khoảng 2.900 vòng/phút nên mô-men chỉ bằng khoảng một nửa motor 4 cực cùng kW, ồn hơn; hợp bơm cột áp cao, quạt. Motor 4 cực quay khoảng 1.450 vòng/phút, mô-men lớn, chạy êm, thông dụng nhất cho băng tải, hộp giảm tốc, máy nén.
• Chạy động cơ không đồng bộ 3 pha bằng biến tần lên 60–100 Hz được không? Tới khoảng 60 Hz thường ổn với motor 4 cực, chấp nhận mô-men giảm. Lên 87–100 Hz cần kiểm tra giới hạn ổ bi, cân bằng rotor, tiếng ồn quạt và mô-men còn lại; motor 2 cực chạy tần số cao rất dễ hỏng ổ bi. Motor 220/380 V đấu tam giác trên biến tần 380 V, cài điểm gốc 220 V 50 Hz, giữ được từ thông định mức tới khoảng 87 Hz nếu biến tần đủ dòng.
• Hệ số công suất cosφ thấp thì có sao không? Cosφ thấp khiến motor kéo nhiều dòng hơn cho cùng công suất hữu ích, dây và máy biến áp nóng hơn, sụt áp lớn hơn. Cơ sở sản xuất có hệ số công suất dưới 0,9 có thể phải trả thêm tiền công suất phản kháng. Nguyên nhân phổ biến nhất là motor chạy non tải; khắc phục bằng chọn đúng công suất và lắp tụ bù.
• Động cơ không đồng bộ 3 pha có làm máy phát điện được không? Được. Khi rotor bị kéo nhanh hơn tốc độ đồng bộ trong lúc nối lưới, máy phát điện ngược về lưới, thường gặp ở cầu trục hạ tải hay băng tải dốc xuống. Muốn phát độc lập phải mắc tụ kích từ, điện áp và tần số dao động theo tải.
• Máy phát điện bao nhiêu kVA thì khởi động được motor 3 pha? Ước lượng thường dùng là gấp khoảng 3–5 lần công suất motor khi khởi động trực tiếp, khoảng 2–3 lần khi khởi động sao–tam giác, khởi động mềm hoặc biến tần.
• Motor 3 pha có tự giữ trục khi mất điện không? Không. Motor thông thường quay tự do khi mất điện và có thể bị tải kéo ngược, như tời nâng hay băng tải dốc. Các tải này cần motor có phanh điện từ, hộp số tự hãm hoặc phanh cơ riêng.