Mạch Điều Chỉnh Tốc Độ Motor: Nguyên Lý, Phân Loại Và Cách Chọn Theo Từng Loại Động Cơ

Mạch điều chỉnh tốc độ motor là bộ mạch điện tử thay đổi điện áp, tần số hoặc độ rộng xung cấp cho động cơ để motor quay nhanh chậm theo ý người dùng. Chọn mạch nào phụ thuộc hoàn toàn vào loại motor: motor chổi than dùng mạch triac, motor DC dùng mạch PWM, motor điều tốc 1 pha dùng bộ điều tốc vòng kín đi kèm, còn motor 3 pha thì dùng biến tần. Lắp sai loại là nguyên nhân số một khiến mạch nổ hoặc motor cháy cuộn.

1) Mạch điều chỉnh tốc độ motor là gì, dùng để làm gì

Motor điện chạy trực tiếp từ lưới chỉ có một tốc độ gần cố định: motor 4 cực ở 50 Hz quay khoảng 1400 – 1450 vòng/phút, motor 2 cực khoảng 2850 – 2900 vòng/phút. Nhiều việc lại cần tốc độ thay đổi được: băng tải đóng gói chạy theo nhịp người làm, máy khuấy hóa chất cần trộn chậm lúc đầu, quạt hút khói chỉnh gió theo mùa. Mạch điều tốc sinh ra để làm việc đó, đồng thời giúp khởi động êm và tiết kiệm điện với tải bơm, quạt.

Trên thị trường, cùng một cái tên "bộ điều tốc" nhưng bên trong là những mạch rất khác nhau. Phần dưới đây tách theo từng loại motor để dễ chọn.

2) Nguyên lý hoạt động của từng loại mạch điều tốc motor

a) Mạch triac, SCR cắt pha cho motor chổi than

Mạch dùng linh kiện triac (thường gặp mã BTA16, BTA41) hoặc cặp SCR, kích dẫn trễ trong mỗi nửa chu kỳ điện áp xoay chiều. Kích càng muộn thì điện áp hiệu dụng ra motor càng thấp, motor quay càng chậm. Mạch rẻ, nhỏ gọn, hợp với motor vạn năng chổi than trong máy khoan, máy mài, máy xay sinh tố. Với motor cảm ứng 1 pha có tụ, mạch này chỉ hợp với tải quạt; tải nặng thì motor tụt tốc, kêu ù và nóng.

b) Bộ điều tốc vòng kín cho motor điều tốc AC 1 pha 220V

Motor điều tốc AC là motor cảm ứng 1 pha có tụ, phía đuôi gắn thêm một máy phát tốc nhỏ (tacho). Bộ điều tốc đọc tín hiệu tacho, so với tốc độ đặt bằng núm vặn rồi tự tăng giảm điện áp để giữ tốc độ ổn định khi tải thay đổi. Dải chỉnh phổ biến của motor 4 cực là khoảng 90 – 1400 vòng/phút ở 50 Hz. Công suất thông dụng từ 6W tới khoảng 200 – 250W, thường ghép sẵn hộp số mini để ra tốc độ thấp và momen lớn.

c) Mạch PWM cho motor DC

Motor DC chổi than 12V, 24V dùng mạch băm xung PWM: transistor MOSFET đóng ngắt nguồn hàng nghìn lần mỗi giây, thay đổi tỉ lệ thời gian đóng (duty) từ 0 tới 100% để thay đổi điện áp trung bình. Motor DC giữ momen khá tốt ở tốc độ thấp nên PWM rất hợp cho xe đẩy, băng tải nhỏ, máy bơm 12V. Motor DC công suất lớn chạy 180V, 220V DC thì dùng bộ điều tốc thyristor chỉnh lưu có điều khiển. Chi tiết về motor DC có trong bài điều khiển tốc độ motor DC.

d) Biến tần cho motor 3 pha

Motor 3 pha rotor lồng sóc không điều tốc bằng hạ áp được, vì momen tỉ lệ với bình phương điện áp, hạ áp là motor yếu hẳn. Cách đúng là biến tần: chỉnh lưu điện lưới thành DC rồi nghịch lưu ra điện xoay chiều có tần số thay đổi, giữ tỉ lệ điện áp/tần số gần không đổi. Motor 4 cực chạy 25 Hz sẽ quay khoảng 720 vòng/phút mà vẫn giữ được momen gần định mức. Khái niệm và cách chọn biến tần có trong bài biến tần là gì.

3) Phân biệt với bộ điều tốc trên động cơ diesel

Khi tìm "bộ điều chỉnh tốc độ động cơ", nhiều người gặp tài liệu về bộ điều tốc của máy nổ diesel. Đây là thiết bị cơ khí hoặc thủy lực, không phải mạch điện. Nhiệm vụ của nó là giữ vòng quay trục khuỷu ổn định khi tải thay đổi bằng cách tăng giảm lượng nhiên liệu phun vào xi lanh.

Bộ điều tốc cơ khí dùng quả văng ly tâm: tốc độ tăng thì quả văng bung ra, đẩy thanh răng bơm cao áp về phía giảm dầu; tốc độ giảm thì lò xo kéo về phía tăng dầu. Loại đa chế độ cho phép người lái chọn nhiều mức tốc độ khác nhau bằng cần ga.

Bộ điều tốc chân không dùng độ chân không trong đường ống nạp tác động lên màng, màng nối với thanh răng bơm cao áp. Loại này gặp nhiều ở máy diesel nhỏ đời cũ, máy kéo, máy phát điện cỡ nhỏ.

Với máy phát điện dùng đầu nổ diesel, bộ điều tốc giữ vòng quay khoảng 1500 vòng/phút để tần số ra 50 Hz. Còn với motor điện thì chuyện điều tốc nằm hoàn toàn ở mạch điện tử như phần 2.

4) Thông số kỹ thuật và cách chọn mạch điều chỉnh tốc độ motor

• Dòng định mức của mạch nên lớn hơn dòng tem motor khoảng 1.5 – 2 lần với mạch triac, PWM.
• Motor 1 pha hiện làm tới 7.5 kW; từ khoảng 1.5 kW trở lên thường dùng biến tần vào 1 pha thay vì mạch triac.
• Biến tần chọn theo dòng đầu ra, không chỉ theo số kW.

Thứ tự chọn nên là: xác định loại motor qua tem (AC hay DC, có chổi than không, 1 pha hay 3 pha), đọc điện áp và dòng định mức, xác định kiểu tải (quạt, bơm hay tải momen không đổi như băng tải), rồi mới chọn mạch. Motor 3 pha 220/380V có thể chạy biến tần vào 1 pha 220V ra 3 pha 220V khi đấu tam giác, tiện cho xưởng nhỏ chỉ có điện 1 pha.

5) Đấu nối và cài đặt mạch điều tốc cơ bản

• Mạch triac: mắc nối tiếp giữa nguồn 220V và motor, núm vặn về mức thấp nhất trước khi bật. Mạch công suất từ 2000W nên có tản nhiệt nhôm và đặt nơi thoáng.
• Bộ điều tốc motor AC 1 pha: thường có 3 dây motor (chung, chiều thuận, chiều nghịch), 2 dây tụ, 3 dây tacho. Đấu đúng sơ đồ in trên vỏ bộ điều tốc, tụ đúng giá trị ghi trên tem motor.
• Mạch PWM: đúng cực tính nguồn, có cầu chì hoặc CB DC phía nguồn, dây ra motor đủ tiết diện theo dòng.
• Biến tần: nguồn vào R, S, T (hoặc L, N với loại 1 pha), ra U, V, W tới motor; cài tối thiểu điện áp, dòng, tần số, số vòng định mức theo tem motor, thời gian tăng tốc và giảm tốc.

6) Ứng dụng của mạch điều chỉnh tốc độ motor

• Điều tốc motor 220V cho máy khuấy mini, máy chiết rót, băng tải đóng gói trong xưởng thực phẩm.
• Mạch điều tốc motor chổi than cho máy khoan bàn, máy đánh bóng, máy xay bột, máy may công nghiệp đời cũ.
• Mạch PWM điều tốc motor DC 12V, 24V cho xe đẩy hàng, máy bơm mini, quạt DC năng lượng mặt trời.
• Biến tần điều khiển tốc độ motor 3 pha cho bơm nước tăng áp, quạt hút bụi, máy nén khí, băng tải dài.
• Điều tốc motor giảm tốc cho máy trộn sơn, máy cuốn màng, máy in lụa, dây chuyền lắp ráp.
• Điều chỉnh tốc độ quạt thông gió nhà xưởng, quạt chuồng trại theo nhiệt độ ngày đêm.

Các dòng motor có thể dùng mạch điều tốc: motor điều tốc, động cơ điện 1 pha, motor 12V.

7) Ưu điểm và nhược điểm của các mạch điều tốc

a) Ưu điểm

• Chỉnh được tốc độ liên tục, không phải thay puly, bánh răng mỗi lần đổi năng suất.
• Khởi động mềm, giảm giật cơ khí cho hộp số, dây curoa và giảm dòng khởi động.
• Với bơm và quạt, giảm tốc độ 20% thì công suất tiêu thụ giảm gần một nửa, tiết kiệm điện rõ.
• Bộ điều tốc vòng kín và biến tần giữ tốc độ ổn định khi tải thay đổi.

b) Nhược điểm

• Mạch triac rẻ nhưng momen yếu ở tốc độ thấp, gây nhiễu điện và làm motor cảm ứng nóng.
• Biến tần giá cao hơn, cần cài đặt đúng, sinh sóng hài và có thể gây nhiễu thiết bị khác nếu đi dây ẩu.
• Motor quạt liền trục chạy chậm kéo dài sẽ giảm khả năng tự làm mát.
• Mạch điện tử kỵ ẩm, bụi dẫn điện và nhiệt độ cao trong tủ kín.

8) Câu hỏi thường gặp về mạch điều chỉnh tốc độ motor

a) Người sắp mua mạch điều tốc motor cần hỏi gì, xác minh gì

• Cần cung cấp thông tin gì cho người bán để chọn đúng mạch? Chụp tem motor, ghi rõ motor AC hay DC, 1 pha hay 3 pha, có chổi than hay không, điện áp và dòng định mức, đang kéo tải gì. Chỉ nói "motor 220V 1HP" thì người bán rất dễ đưa mạch triac cho một con motor cảm ứng có tụ, chạy được vài ngày là motor nóng và kêu rè.
• Làm sao biết mạch ghi 4000W có thật chịu được 4000W? Xem mã linh kiện công suất trên mạch: triac BTA41 chịu khoảng 40 A, BTA16 chỉ khoảng 16 A. Mạch quảng cáo 4000W mà dùng BTA16, tản nhiệt bằng miếng nhôm mỏng như móng tay thì thực tế chỉ nên tải 1000 – 1500W. Thử bằng cách cho chạy tải thật 30 phút, sờ tản nhiệt còn ấm vừa phải là được.
• Motor điều tốc 1 pha mua kèm bộ điều tốc thì cần kiểm tra gì? Kiểm tra công suất ghi trên bộ điều tốc trùng hoặc lớn hơn công suất motor, motor có đủ 3 dây tacho, tụ đi kèm đúng giá trị in trên tem motor. Bật thử chỉnh từ thấp lên cao, tốc độ phải tăng đều, không giật cục, đảo chiều được nếu bộ có công tắc đảo chiều.
• Biến tần 1 pha ra 3 pha có chạy được mọi motor 3 pha không? Biến tần vào 1 pha 220V thường ra 3 pha 220V, chỉ chạy được motor đấu tam giác 220V, tức motor 220/380V công suất nhỏ. Motor 380/660V (đa số từ 4 kW trở lên) cần nguồn 380V, khi đó phải dùng biến tần vào 1 pha ra 3 pha 380V hoặc có nguồn 3 pha.
• Giá mạch điều tốc và biến tần khoảng bao nhiêu? Theo giá trung bình thị trường Việt Nam, mạch triac 2000W chỉ vài trăm nghìn đồng, mạch PWM 24V 30A khoảng vài trăm nghìn tới hơn một triệu, bộ điều tốc motor AC vòng kín khoảng vài trăm nghìn tới hơn một triệu tùy công suất. Biến tần 0.75 – 2.2 kW phổ thông khoảng vài triệu đồng, hàng thương hiệu châu Âu, Nhật cao hơn đáng kể.

b) Người đã mua: đấu nối đúng và dùng mạch điều tốc cho bền

• Lắp mạch triac cho máy khoan chổi than cần chú ý gì? Đặt mạch trong hộp nhựa có lỗ thoáng, tản nhiệt hướng lên trên. Mỗi lần bật máy, vặn núm về mức thấp rồi mới tăng lên để khởi động êm, đỡ mòn chổi than. Khi máy cần lực khoan lớn, nên vặn lên gần tối đa vì ở mức thấp momen yếu, motor dễ bị ghì và nóng.
• Cài biến tần cho motor băng tải thế nào để motor không nóng? Nhập đúng thông số tem motor, đặt thời gian tăng tốc 3 – 5 giây, giảm tốc 3 – 5 giây, tần số thấp nhất khoảng 15 – 20 Hz nếu motor quạt liền trục chạy cả ca. Muốn chạy chậm hơn thì đổi tỉ số hộp giảm tốc hoặc dùng motor có quạt cưỡng bức, như vậy motor không bị quá nhiệt ở tốc độ thấp.
• Motor điều tốc AC chạy được nhưng tốc độ dao động lên xuống, xử lý ra sao? Thường do tín hiệu tacho chập chờn: kiểm tra jack cắm tacho, dây tacho có bị đi chung máng với dây động lực không. Một số bộ có biến trở chỉnh độ nhạy (gain) bên trong, vặn nhẹ cho tới khi tốc độ ổn định. Tụ motor phồng hoặc giảm điện dung cũng làm tốc độ không đều.
• Có cần CB, cầu chì riêng cho mạch điều tốc không? Nên có. Mạch triac, PWM nên có cầu chì đúng dòng phía nguồn; biến tần cần CB đúng cỡ, motor 2.2 kW dùng CB khoảng 10 – 16 A tùy biến tần. Biến tần đã có bảo vệ quá dòng cho motor, nhưng CB phía trước vẫn cần để bảo vệ dây và ngắt khi biến tần chạm chập.
• Muốn tiết kiệm điện thì cài mạch điều tốc thế nào? Với bơm và quạt, chạy ở 40 – 45 Hz thay vì 50 Hz là cách tiết kiệm điện rõ nhất, công suất tiêu thụ giảm khoảng 30 – 50% trong khi lưu lượng chỉ giảm 10 – 20%. Bật chế độ tiết kiệm năng lượng (energy saving) hoặc đường đặc tính V/f bậc hai trên biến tần nếu có.

c) Các lỗi người dùng thường mắc với mạch điều tốc và cách sửa

• Dùng mạch triac cho motor 1 pha có tụ kéo máy bơm thì bị gì? Triệu chứng: vặn nhỏ là bơm không lên nước, motor kêu ù, vỏ nóng nhanh, tụ có thể phồng. Cách sửa: bỏ mạch triac, chạy trực tiếp hoặc thay bằng biến tần phù hợp; nếu muốn chỉnh lưu lượng thì dùng van tiết lưu hoặc bơm có biến tần tích hợp.
• Đấu ngược cực nguồn mạch PWM thì sao? Phần lớn mạch PWM rẻ không có bảo vệ ngược cực, MOSFET sẽ chết ngay hoặc chập. Cách sửa: thay MOSFET đúng mã, kiểm tra lại diode bảo vệ, lần sau thêm diode chống ngược cực hoặc dùng jack nguồn có định hướng, đánh dấu dây đỏ đen rõ ràng.
• Biến tần báo lỗi quá dòng (OC) mỗi lần khởi động thì xử lý thế nào? Kiểm tra thời gian tăng tốc có đặt quá ngắn (dưới 1 giây) không, tăng lên 3 – 10 giây tùy quán tính tải. Đo cách điện motor và cáp ra, cáp dài trên 50 m có thể cần cuộn kháng đầu ra. Kiểm tra cơ khí có bị kẹt, phanh motor có nhả chưa.
• Lắp contactor giữa biến tần và motor để đảo chiều có được không? Đóng cắt contactor phía ra khi biến tần đang chạy dễ làm hỏng tầng công suất của biến tần. Cách sửa: tháo contactor ở phía ra, dùng chức năng đảo chiều của biến tần qua chân điều khiển FWD/REV. Nếu bắt buộc phải có contactor phía ra để cách ly, chỉ thao tác khi biến tần đã dừng hẳn.
• Motor chạy chậm qua mạch điều tốc thấy nóng hơn khi chạy thẳng lưới, có bình thường không? Với motor quạt liền trục chạy tải momen không đổi thì đúng là nóng hơn, vì quạt quay chậm. Kiểm tra dòng: nếu vẫn dưới dòng tem và vỏ dưới khoảng 80°C thì chấp nhận được. Nếu vượt, gắn thêm quạt ngoài hoặc tăng tỉ số truyền để motor quay nhanh hơn.

d) Sinh viên cơ điện mới vào ngành nên tìm hiểu gì trước về điều tốc motor

• Nên nắm khái niệm nào trước khi học mạch điều tốc? Nắm chắc tốc độ đồng bộ n = 60 × f / p (p là số cặp cực), hệ số trượt, momen, công suất, điện áp hiệu dụng, giá trị trung bình của xung PWM. Hiểu thêm khác biệt giữa tải momen không đổi (băng tải) và tải momen bậc hai (bơm, quạt) là hiểu vì sao mỗi tải hợp một kiểu điều tốc.
• Thứ tự học các loại motor và mạch điều tốc thế nào cho dễ? Bắt đầu với motor DC và mạch PWM vì nguyên lý trực quan, đo bằng đồng hồ là thấy. Sau đó sang motor 3 pha rotor lồng sóc và biến tần, tiếp theo là motor 1 pha có tụ, motor điều tốc có tacho, cuối cùng là servo và encoder.
• Linh kiện nào nên tìm hiểu kỹ? Triac, SCR, diode, MOSFET, IGBT và tụ điện. Biết đọc datasheet để lấy dòng, áp chịu đựng và nhiệt độ mối nối. Nhiều lỗi nổ mạch ngoài thực tế chỉ vì chọn linh kiện sát dòng, không có dư địa.
• Tự kiểm chứng bằng dụng cụ gì khi thực hành? Ampe kìm đo được dòng AC và DC, đồng hồ vạn năng True RMS, máy đo tốc độ vòng quay (tachometer quang). Thử đặt biến tần 25 Hz, đo tốc độ trục motor 4 cực xem có gần 720 vòng/phút, đo dòng so với lúc chạy 50 Hz là hiểu ngay quan hệ tần số, tốc độ, dòng.
• Có nên tự lắp mạch điều tốc để học không? Nên bắt đầu với mạch PWM điện áp thấp 12V cho an toàn, sau đó mới sang mạch 220V. Khi làm với điện lưới, luôn có CB, cầu chì, không chạm tay vào tản nhiệt triac vì nó thường mang điện áp lưới.

Đọc thêm: motor giảm tốc đảo chiều, motor giảm tốc cũ, cấu tạo hộp giảm tốc, trình tự tháo lắp hộp giảm tốc, hộp giảm tốc, động cơ giảm tốc.