Động Cơ Không Đồng Bộ 3 Pha Rotor Lồng Sóc: Nguyên Lý Và Sơ Đồ Khởi Động

Động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc là loại motor có rotor gồm các thanh nhôm hoặc đồng đúc trong lõi thép, hai đầu nối tắt bằng vòng ngắn mạch, không có chổi than hay vành trượt. Nhờ vậy nó bền, rẻ, ít bảo trì và chiếm phần lớn motor trong công nghiệp. Điểm cần tính kỹ là dòng khởi động lớn, khoảng 5 – 7 lần dòng định mức, nên phải chọn sơ đồ khởi động phù hợp: trực tiếp, sao – tam giác, khởi động mềm hoặc biến tần.

1) Rotor là gì trong động cơ điện

Rotor là phần quay của motor, nằm bên trong stator, cách stator một khe hở không khí rất nhỏ, thường khoảng 0.3 – 1 mm tùy cỡ máy. Rotor nhận năng lượng từ từ trường quay của stator qua cảm ứng điện từ và truyền momen ra trục. Trong motor không đồng bộ có hai kiểu rotor: lồng sóc và dây quấn.

2) Động cơ rotor lồng sóc là gì

Rotor lồng sóc có lõi thép lá xẻ rãnh nghiêng, nhôm nóng chảy được đúc áp lực vào rãnh tạo thành thanh dẫn và hai vòng ngắn mạch ở hai đầu, kèm cánh tản nhiệt nhỏ đúc liền. Nếu bỏ lõi thép đi, phần nhôm trông giống cái lồng quay của con sóc, nên có tên như vậy. Rãnh được làm nghiêng một chút để motor chạy êm, giảm tiếng ù và momen giật.

Khác với rotor dây quấn phải có vành trượt, chổi than và điện trở khởi động bên ngoài, rotor lồng sóc là một khối kín, không có tiếp điểm điện nào phải mòn. Đây là lý do motor lồng sóc có thể chạy hàng chục nghìn giờ chỉ với việc thay bạc đạn.

3) Cấu tạo và nguyên lý làm việc của motor rotor lồng sóc

a) Cấu tạo

• Stator: lõi thép lá quấn ba cuộn dây lệch nhau 120 độ, sáu đầu dây ra hộp cực.
• Rotor lồng sóc: lõi thép lá, thanh dẫn nhôm hoặc đồng, vòng ngắn mạch, trục thép.
• Vỏ, nắp, bạc đạn, quạt làm mát, chụp quạt và hộp cực.

b) Nguyên lý làm việc

Cấp điện 3 pha vào stator tạo từ trường quay với tốc độ đồng bộ n1 = 60f/p. Từ trường cắt các thanh dẫn rotor, cảm ứng dòng điện lớn chạy trong lồng sóc khép kín qua vòng ngắn mạch. Dòng này tương tác với từ trường, sinh lực điện từ kéo rotor quay theo. Rotor luôn chậm hơn từ trường một chút, chênh lệch tính theo hệ số trượt s = (n1 − n) / n1, khoảng 2 – 6% khi đầy tải. Lúc mới đóng điện, rotor đứng yên, trượt bằng 1, dòng cảm ứng trong rotor cực đại, kéo theo dòng stator rất lớn: đây là gốc của dòng khởi động.

Cấu tạo chi tiết từng bộ phận có trong bài cấu tạo motor điện 3 pha.

4) Phân loại động cơ rotor lồng sóc

• Lồng sóc đơn: rãnh thường, momen khởi động trung bình, phổ biến nhất.
• Lồng sóc rãnh sâu và lồng sóc kép: điện trở rotor lúc khởi động lớn hơn, cho momen khởi động cao và dòng khởi động thấp hơn; dùng cho máy nghiền, băng tải đầy tải, máy nén khởi động có tải.
• Theo vỏ: vỏ gang, vỏ nhôm; theo kiểu lắp: chân đế B3, mặt bích B5, B35.
• Theo cấp hiệu suất IE1 – IE4; motor IE4 có thể dùng rotor lồng sóc đúc đồng để giảm tổn hao.
• Theo môi trường: motor thường, motor phòng nổ YBX3, motor chạy biến tần có quạt cưỡng bức.

5) Sơ đồ khởi động động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc

• Sao – tam giác chỉ dùng cho motor có điện áp tam giác bằng điện áp lưới, tức motor 380/660V ở lưới 380V.
• Momen khởi động giảm theo bình phương điện áp: hạ áp còn 70% thì momen chỉ còn khoảng 49%.
• Tải nặng lúc khởi động như máy nghiền đầy liệu: momen sao – tam giác có thể không đủ để kéo.

a) Khởi động trực tiếp

Đóng thẳng điện lưới vào motor qua CB, contactor và rơ le nhiệt. Mạch đơn giản nhất, momen khởi động lớn nhất, nhưng dòng khởi động 5 – 7 lần làm sụt áp lưới, đèn chớp, các máy khác có thể nhảy. Phù hợp với motor nhỏ hoặc nơi trạm biến áp đủ lớn. Ngày xưa còn dùng cầu dao (CD) đóng tay, nay hầu như thay bằng CB và contactor.

b) Khởi động bằng giảm điện áp đặt vào stator

Nối tiếp điện trở hoặc cuộn kháng vào mạch stator lúc khởi động, sau vài giây nối tắt chúng. Hoặc dùng biến áp tự ngẫu cấp điện áp thấp (50%, 65%, 80%) lúc đầu rồi chuyển sang điện áp đầy đủ. Các cách này giảm dòng nhưng cũng giảm mạnh momen.

c) Khởi động sao – tam giác

Lúc đầu motor đấu sao, mỗi cuộn chỉ chịu 220V thay vì 380V, dòng lưới và momen giảm còn khoảng 1/3. Sau khoảng 5 – 10 giây, khi motor đạt khoảng 80 – 90% tốc độ, rơ le thời gian chuyển sang tam giác. Mạch gồm ba contactor (chính, sao, tam giác), rơ le thời gian và rơ le nhiệt; contactor sao và tam giác phải khóa chéo cả điện lẫn cơ để không đóng cùng lúc.

d) Khởi động mềm và biến tần

Khởi động mềm dùng thyristor tăng dần điện áp trong vài giây tới vài chục giây, khởi động êm, giảm va đập nước trong đường ống bơm. Biến tần tăng cả tần số và điện áp từ thấp lên, dòng khởi động nhỏ mà momen vẫn lớn, kèm điều tốc. Xem thêm bài biến tần là gì.

6) Dòng điện, điện áp và cách lựa chọn motor rotor lồng sóc

• Số liệu là khoảng tham khảo của motor 4 cực IE2 – IE3; số chuẩn xem tem motor.
• Motor 220/380V đấu sao ở lưới 380V nên không khởi động sao – tam giác được ở lưới này.
• Biến tần chọn theo dòng định mức đầu ra lớn hơn dòng tem motor.

Khi chọn, xác định công suất trục cộng dư, tốc độ (số cực), kiểu lắp, điện áp và phương pháp khởi động dự kiến. Muốn khởi động sao – tam giác thì phải đặt mua motor 380/660V. Tham khảo các dòng motor điện 3 pha có sẵn nhiều cỡ khung.

7) Ứng dụng của động cơ rotor lồng sóc

• Động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc kéo bơm nước, bơm PCCC, bơm hóa chất.
• Motor lồng sóc cho quạt hút, quạt cấp gió, tháp giải nhiệt.
• Motor 3 pha rotor lồng sóc kéo máy nén khí, máy lạnh công nghiệp.
• Motor lồng sóc gắn hộp giảm tốc cho băng tải, máy khuấy, máy trộn, gầu tải.
• Motor rotor lồng sóc rãnh sâu cho máy nghiền, máy đập, máy cưa gỗ khởi động nặng.
• Motor lồng sóc chạy biến tần cho máy dệt, máy in, máy công cụ, thang máy.

8) Ưu điểm, nhược điểm và so sánh với động cơ khác

a) Ưu điểm

• Cấu tạo chắc, không có chổi than, vành trượt, tuổi thọ cao.
• Giá rẻ nhất trong các loại motor cùng công suất.
• Ít bảo trì, chủ yếu bạc đạn và vệ sinh.
• Kết hợp biến tần cho dải điều tốc rộng, hiệu suất tốt.

b) Nhược điểm

• Dòng khởi động trực tiếp lớn, cần thiết bị khởi động với motor công suất lớn.
• Không chỉnh được điện trở rotor như motor dây quấn, momen khởi động cố định theo thiết kế.
• Hệ số công suất thấp khi non tải.

c) Bảng so sánh

9) Câu hỏi thường gặp về động cơ rotor lồng sóc và sơ đồ khởi động

a) Người sắp mua motor rotor lồng sóc cần hỏi gì, xác minh gì

• Làm sao biết motor định mua khởi động sao – tam giác được hay không? Xem tem: ghi 380/660V Δ/Y thì ở lưới 380V đấu tam giác khi chạy, khởi động sao – tam giác được. Ghi 220/380V Δ/Y thì ở lưới 380V chỉ chạy sao, không khởi động sao – tam giác. Hộp cực phải có đủ sáu đầu dây U1, V1, W1, U2, V2, W2.
• Cần hỏi gì về momen khởi động khi mua motor cho máy nghiền, băng tải? Hỏi tỉ số momen khởi động trên momen định mức (thường ghi Ts/Tn hoặc Ist/In trong catalog). Motor phổ thông khoảng 2 – 2.3 lần, loại rãnh sâu, lồng sóc kép cao hơn. Tải khởi động nặng mà định dùng sao – tam giác thì momen chỉ còn 1/3, cần tính kỹ.
• Nhìn bên ngoài phân biệt motor lồng sóc và dây quấn thế nào? Motor dây quấn có thêm hộp vành trượt, chổi than ở đuôi và thường có hai hộp cực (stator và rotor), ba dây rotor nối ra điện trở. Motor lồng sóc chỉ có một hộp cực với sáu hoặc ba đầu dây stator.
• Chọn công suất bao nhiêu thì nên đầu tư khởi động mềm hoặc biến tần? Tùy công suất trạm biến áp và yêu cầu điện lực. Thực tế nhiều xưởng khởi động trực tiếp tới khoảng 7.5 – 11 kW, từ khoảng 11 – 15 kW trở lên dùng sao – tam giác, khởi động mềm hoặc biến tần. Máy bơm đường ống dài nên dùng khởi động mềm, biến tần để tránh búa nước.
• Giá motor rotor lồng sóc khoảng bao nhiêu? Theo giá trung bình thị trường Việt Nam, motor 3 pha rotor lồng sóc 4 cực từ vài triệu đồng với công suất nhỏ tới hàng chục triệu đồng với motor vài chục kW, tùy hãng và cấp hiệu suất. Tham khảo thêm tại bài giá motor điện 3 pha.

b) Người đã mua: lắp mạch khởi động đúng và vận hành tối ưu

• Đấu mạch sao – tam giác cần lưu ý gì? Đấu đúng thứ tự đầu dây để khi chuyển sang tam giác motor không đảo chiều hay bị lệch pha. Contactor sao và tam giác khóa chéo bằng tiếp điểm phụ và khóa cơ. Rơ le nhiệt đặt ở mạch pha, chỉnh theo dòng pha bằng khoảng 0.58 lần dòng dây định mức nếu đặt sau contactor chính trong mạch tam giác.
• Cài rơ le thời gian chuyển sao sang tam giác bao nhiêu giây? Thường 5 – 10 giây với bơm, quạt nhỏ, có thể 10 – 20 giây với quạt lớn quán tính cao. Cách chuẩn là đo thời gian motor lên gần đủ tốc độ khi chạy sao, cộng thêm 1 – 2 giây. Chuyển sớm quá thì dòng giật lúc chuyển gần bằng khởi động trực tiếp.
• Cài khởi động mềm cho bơm thế nào? Điện áp ban đầu khoảng 30 – 40%, thời gian tăng 10 – 15 giây, thời gian dừng mềm 10 – 20 giây để giảm búa nước, giới hạn dòng khoảng 3 – 3.5 lần. Sau khi motor đạt tốc độ, contactor bypass đóng để giảm nhiệt cho thyristor.
• Motor lồng sóc chạy thế nào để tiết kiệm điện? Không để motor chạy non tải dài, chọn công suất sát tải thực. Với bơm, quạt dùng biến tần thay van tiết lưu. Bù công suất phản kháng ở tủ tổng, giữ điện áp cân bằng và vệ sinh đường gió làm mát.
• Có cần đo dòng sau khi khởi động xong không? Nên đo. Sau khi chuyển sang tam giác hoặc khởi động mềm bypass, kẹp dòng ba pha, so với tem. Dòng cao bất thường là tải nặng, sai đấu dây hoặc lệch pha; ghi lại để theo dõi định kỳ.

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

• Khởi động sao – tam giác với motor 220/380V thì sao? Ở bước tam giác, mỗi cuộn chịu 380V thay vì 220V, motor quá áp, dòng tăng vọt và cháy nhanh. Cách sửa: chuyển sang khởi động trực tiếp, khởi động mềm hoặc biến tần; muốn giữ sao – tam giác thì thay motor 380/660V.
• Chuyển sao sang tam giác bị giật mạnh, nhảy CB là do đâu? Thời gian chuyển quá ngắn, motor chưa đủ tốc độ; hoặc đấu sai thứ tự đầu dây khiến lúc chuyển motor bị đảo pha. Tăng thời gian rơ le, kiểm tra lại sơ đồ đầu dây U1-W2, V1-U2, W1-V2 theo sơ đồ chuẩn.
• Motor khởi động sao không lên tốc độ, kêu ù là bị gì? Momen sao chỉ còn 1/3 nên không kéo nổi tải nặng. Giảm tải lúc khởi động (mở van xả, khởi động băng tải rỗng), hoặc đổi sang khởi động mềm, biến tần. Kiểm tra thêm có mất pha ở contactor sao không.
• Khởi động liên tục nhiều lần trong giờ làm motor nóng, sửa thế nào? Mỗi lần khởi động trực tiếp là một lần cuộn dây chịu dòng lớn. Giới hạn số lần khởi động theo catalog motor, thường vài lần mỗi giờ với motor lớn. Với chu trình đóng cắt dày, dùng biến tần để chạy chậm thay vì tắt hẳn.
• Dùng chung CB nhỏ cho motor lớn khởi động trực tiếp thì sao? CB nhảy ngay lúc khởi động hoặc tiếp điểm bị hàn dính về lâu dài. Chọn CB loại dành cho motor (đặc tính D hoặc CB bảo vệ motor) đúng dòng, kiểm tra tiết diện dây theo dòng định mức và độ sụt áp lúc khởi động.

d) Sinh viên cơ điện mới vào ngành: nên tìm hiểu gì trước

• Cần nắm khái niệm nào trước khi học về rotor lồng sóc? Từ trường quay, tốc độ đồng bộ, hệ số trượt, sức điện động cảm ứng, đặc tính momen – tốc độ, dòng khởi động, điện áp dây và điện áp pha, quan hệ dòng và áp khi đấu sao và tam giác.
• Nên học các sơ đồ khởi động theo thứ tự nào? Khởi động trực tiếp có tự giữ, sau đó đảo chiều có khóa chéo, tiếp theo sao – tam giác dùng rơ le thời gian, rồi mới tới khởi động mềm và biến tần. Học mạch động lực và mạch điều khiển song song, vẽ tay sơ đồ trước khi đấu.
• Nên tìm hiểu sản phẩm nào trước? Motor 3 pha rotor lồng sóc 4 cực công suất nhỏ, contactor, rơ le nhiệt, rơ le thời gian. Sau đó tìm hiểu motor dây quấn để hiểu vì sao điện trở rotor ảnh hưởng momen khởi động. Bài cách đấu dây motor 3 pha giúp thực hành phần hộp cực.
• Tự kiểm chứng dòng khởi động bằng cách nào? Dùng ampe kìm có chức năng đo dòng khởi động (inrush) hoặc ghi giá trị cực đại, đo khi khởi động trực tiếp và khi khởi động sao – tam giác trên cùng một motor không tải. So sánh hai con số sẽ thấy rõ tỉ lệ khoảng 1/3.
• Ngoài sơ đồ khởi động nên đọc thêm gì? Các cách bảo vệ motor: rơ le nhiệt, rơ le mất pha, bảo vệ chạm đất; cách kiểm tra motor hỏng qua bài cách kiểm tra motor bị cháy; và cách chọn biến tần cho từng loại tải.

Đọc thêm: cách đấu dây motor điện 1 pha 2 tụ.