Phân loại động cơ điện xoay chiều 3 pha: nguyên lý, rotor, số cực, kiểu lắp, IP, IE, chế độ làm việc và loại chuyên dụng

Phân loại động cơ điện xoay chiều 3 pha là cách chia các motor chạy lưới ba pha thành từng nhóm theo những tiêu chí kỹ thuật độc lập: nguyên lý làm việc, kết cấu rotor, số cực, kiểu lắp, cấp bảo vệ IP, cách làm mát IC, cấp cách điện, cấp hiệu suất IE, chế độ làm việc, cấp điện áp, công dụng và khung vỏ. Một motor luôn mang cùng lúc nhiều "nhãn", ví dụ: không đồng bộ lồng sóc, 4 cực, IM B35, IP55, IC411, cách điện F, IE3, S1, 380 V 50 Hz, frame 132M.

Nắm từng tiêu chí giúp đọc đúng catalog, so sánh đúng hàng giữa các hãng và tránh những sai lầm tốn kém: mua motor chân đế trong khi máy cần mặt bích, đặt motor IP44 ở khu xịt rửa, cho motor quạt tự làm mát chạy biến tần ở 10 Hz suốt ca, hay lắp motor thường trong kho xăng dầu. Phần lớn ký hiệu đã được chuẩn hóa trong bộ IEC 60034 nên motor Âu, Nhật hay Trung Quốc đều ghi giống nhau.

Loại phổ biến nhất là motor không đồng bộ rotor lồng sóc; nguyên lý, độ trượt, cách đọc nhãn, đấu sao/tam giác và khởi động được trình bày riêng trong bài động cơ không đồng bộ 3 pha.

• Sơ đồ các tiêu chí phân loại động cơ điện xoay chiều 3 pha thường dùng khi đọc catalog và chọn motor.

1. Phân loại theo nguyên lý làm việc: không đồng bộ và đồng bộ

Tốc độ từ trường quay của stator (tốc độ đồng bộ) tính theo n₀ = 60 × f / p, với f là tần số và p là số đôi cực. Rotor quay chậm hơn n₀ vài phần trăm là motor không đồng bộ; rotor quay đúng bằng n₀ là motor đồng bộ.

a. Động cơ không đồng bộ (cảm ứng)

Rotor không được cấp điện, dòng rotor sinh ra nhờ cảm ứng nên rotor luôn quay chậm hơn từ trường: motor 4 cực ở 50 Hz có n₀ là 1.500 vòng/phút nhưng tốc độ định mức thường 1.420–1.480 vòng/phút. Kết cấu đơn giản, không chổi than, chạy thẳng từ lưới, bền và rẻ, nên gần như toàn bộ motor điện 3 pha thông dụng cho bơm, quạt, băng tải, máy nén thuộc nhóm này.

b. Động cơ đồng bộ kích từ điện

Cuộn dây rotor được cấp dòng một chiều (qua vành trượt hoặc bộ kích từ không chổi than) tạo cực từ cố định, rotor bám theo từ trường và chạy đúng n₀ dù tải thay đổi. Tăng dòng kích từ thì motor phát công suất phản kháng, bù được cosφ cho nhà máy. Loại này chủ yếu ở công suất từ vài trăm kW trở lên, cấp trung thế: máy nén piston lớn, máy nghiền bi xi măng, bơm trạm cấp nước lớn.

c. Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)

Rotor gắn nam châm đất hiếm thay cho cuộn kích từ, không có tổn hao đồng rotor nên dễ đạt IE4, IE5 và giữ hiệu suất cao cả khi non tải. PMSM gần như luôn chạy bằng biến tần; đóng thẳng lưới không tự khởi động được, trừ loại khởi động trực tiếp LSPM có thêm lồng sóc. Các motor servo AC cũng là PMSM có encoder, được tối ưu cho đáp ứng nhanh; PMSM cho máy nén khí, bơm, quạt thì tối ưu cho hiệu suất.

d. Động cơ từ trở đồng bộ (SynRM)

Stator giống motor cảm ứng, rotor là lá thép cắt rãnh tạo hướng từ trở nhỏ và lớn, không thanh dẫn, không nam châm. SynRM luôn cần biến tần chuyên dụng, đạt IE4 (bản có nam châm ferrite hỗ trợ đạt IE5), rotor nguội nên mỡ ổ bi bền và không phụ thuộc giá đất hiếm.

Bảng so sánh theo nguyên lý làm việc

Nhận biết nhanh: nhãn ghi tốc độ tròn 3.000, 1.500, 1.000 vòng/phút ở 50 Hz, hoặc có thông số sức phản điện động (V/1.000 rpm), là motor đồng bộ; tốc độ lẻ như 1.450, 2.880, 965 vòng/phút là motor không đồng bộ. Motor nam châm khi quay tay trục có "nấc" rõ và phát ra điện áp ở hai đầu dây.

2. Phân loại theo kết cấu rotor: lồng sóc và dây quấn

a. Motor rotor lồng sóc

Rotor gồm các thanh nhôm đúc (motor lớn dùng thanh đồng) nằm trong rãnh lõi thép, hai đầu nối tắt bằng vòng ngắn mạch. Không có tiếp điểm trượt nên gần như không bảo dưỡng phần điện rotor. Hình dạng rãnh quyết định đặc tính: rãnh thường cho bơm, quạt; rãnh sâu hoặc lồng sóc kép cho mô-men khởi động cao hơn mà dòng không tăng tương ứng, hợp với băng tải đầy tải, máy nén piston. Theo NEMA, motor thông dụng là Design B, mô-men khởi động cao là Design C, độ trượt lớn cho máy dập có bánh đà là Design D; IEC gọi tương ứng Design N và Design H.

b. Motor rotor dây quấn (vành trượt)

Rotor có cuộn dây ba pha, ba đầu ra nối lên vành trượt; chổi than đưa điện trở ngoài vào mạch rotor. Cắt dần điện trở khi khởi động cho mô-men rất lớn với dòng thấp. Loại này dùng cho cầu trục, tời mỏ, máy nghiền bi, máy nghiền hàm lớn, lò quay; dòng Trung Quốc quen thuộc là YZR (cầu trục, luyện kim, định mức S3) và YR. Nhược điểm là đắt, nặng, phải kiểm tra chổi than; nhiều cầu trục mới đã chuyển sang lồng sóc chạy biến tần.

Video sau giới thiệu motor rotor dây quấn dùng cho tời và cầu trục, loại có vành trượt và điện trở phụ để khởi động nặng.

3. Phân loại theo số cực và tốc độ quay

Motor 3 pha phổ biến có 2, 4, 6, 8 cực; từ 10 cực trở lên chủ yếu là motor lớn đặt hàng riêng. Cùng công suất, motor nhiều cực có mô-men lớn hơn nên to và nặng hơn: 7,5 kW 2 cực có mô-men khoảng 25 N·m, còn 7,5 kW 8 cực khoảng 100 N·m.

• Phân loại motor 3 pha theo số cực và tốc độ quay tương ứng ở lưới điện 50 Hz.

Motor 4 cực có tỉ lệ công suất trên khối lượng và giá tốt nhất, ổ bi bền hơn 2 cực, nên các bộ động cơ giảm tốc đều ưu tiên motor 4 cực, sau đó mới đến 6 cực, 8 cực.

Motor nhiều cấp tốc độ: kiểu Dahlander dùng một bộ dây đổi cách nối để có tỉ lệ cực 1:2 (4/2, 8/4 cực); nối Δ/YY cho mô-men gần như không đổi, nối Y/YY cho đặc tính hợp quạt. Kiểu hai bộ dây độc lập cho tỉ lệ bất kỳ như 6/4, 8/6 cực nhưng motor to hơn. Nhãn luôn ghi hai cặp công suất – tốc độ. Khi cần đổi tốc độ liên tục thì dùng biến tần; ở công suất dưới 200 W có thể dùng motor điều tốc liền hộp số kèm bộ điều tốc riêng.

Video sau minh họa cách đấu motor 12 đầu dây chạy 2 cấp tốc độ.

4. Phân loại theo kiểu lắp đặt IM (IEC 60034-7)

Kiểu lắp cho biết motor gắn vào máy bằng chân hay mặt bích và tư thế trục. IEC 60034-7 có mã I ngắn (IM B3, IM V1…) và mã II bốn chữ số (IM 1001…); chữ B là trục nằm ngang, chữ V là trục đứng.

Bích B5 (FF) lớn hơn thân motor, lỗ bulông xuyên suốt; bích B14 (FT) nhỏ, lỗ ren, hai loại không lắp lẫn. Cùng frame có thể có nhiều cỡ bích, ví dụ frame 100 thường đi FF215 hoặc FT130, frame 80 đi FF165 hoặc FT100; khi thay motor cho hộp số phải đo đường kính tâm lỗ bulông, gờ định tâm và trục.

Sai lầm hay gặp

• Mua motor B3 rồi tự hàn bích để lắp hộp số: lệch tâm, gãy trục, hỏng phốt sau vài tháng.
• Treo hẫng motor B5 công suất lớn trên hộp số: rung, nứt bích; nên dùng B35 hoặc thêm gối đỡ.
• Lắp trục đứng nhưng không đặt bản V1: nước, bụi rơi vào đầu quạt, ổ bi chịu tải dọc trục vượt mức.

Video sau giới thiệu động cơ 3 pha mặt bích nhỏ B14 và kiểu lắp chân đế kết hợp mặt bích.

5. Phân loại theo cấp bảo vệ vỏ IP

Chữ số thứ nhất của mã IP chỉ khả năng chống vật rắn, bụi; chữ số thứ hai chỉ khả năng chống nước. Motor thông dụng hiện nay chủ yếu là IP55; IP44 còn gặp ở hàng cũ, hàng giá rẻ.

IP chỉ nói độ kín, không nói khả năng chịu hơi muối hay hóa chất: ven biển, xử lý nước thải nên chọn thêm sơn chống ăn mòn, lỗ xả nước ngưng và sấy chống ẩm. Nhiều motor IP55 vẫn ẩm cuộn dây chỉ vì ốc siết cáp ở hộp cực không kín.

Video dưới đây giới thiệu motor vỏ gang cấp bảo vệ IP65 dùng cho môi trường ẩm, nước bắn.

6. Phân loại theo phương pháp làm mát IC

Mã IC (IEC 60034-6) cho biết nhiệt được đưa ra ngoài bằng cách nào, quyết định motor có chạy bền khi điều tốc hay không.

Với IC411, lưu lượng gió tỉ lệ với tốc độ trục: ở 25 Hz còn khoảng một nửa, ở 10 Hz gần như không còn làm mát đáng kể. Băng tải, máy đùn, tời (mô-men không đổi) chạy chậm lâu thì dòng vẫn gần định mức trong khi tản nhiệt giảm mạnh, cuộn dây quá nhiệt dù dòng chưa vượt nhãn. Bơm, quạt ly tâm có mô-men giảm theo bình phương tốc độ nên ít bị ảnh hưởng. Cách xử lý: chọn motor IC416, chọn lớn hơn một cỡ hoặc giới hạn tần số tối thiểu.

7. Phân loại theo cấp cách điện và độ tăng nhiệt

Cấp cách điện là nhiệt độ tối đa hệ cách điện cuộn dây chịu được lâu dài. Motor hiện nay chủ yếu cấp F; cấp B gặp ở motor cũ, cấp H dùng cho motor cầu trục luyện kim, motor chịu nhiệt.

Nhãn ghi "Ins. F, temp. rise B" nghĩa là vật liệu chịu 155 °C nhưng motor chạy định mức chỉ tăng khoảng 80 K, còn dự phòng khoảng 25 K. Theo quy tắc kinh nghiệm, giảm khoảng 10 K nhiệt độ làm việc thì tuổi thọ cách điện tăng gần gấp đôi; dự phòng này còn cho phép motor chạy ở phòng máy nóng trên 40 °C hoặc gánh thêm tổn hao sóng hài khi chạy biến tần. Motor ghi "rise F" đã dùng hết dự phòng, đặt nơi 45–50 °C phải giảm tải.

8. Phân loại theo cấp hiệu suất IE

IEC 60034-30-1 chia motor chạy lưới thành các cấp IE, áp dụng cho motor 2, 4, 6, 8 cực, 0,12–1.000 kW, 50 Hz và 60 Hz.

a. IE1 – hiệu suất tiêu chuẩn

Tương ứng phần lớn motor đời cũ như dòng Y, Y2 Trung Quốc; còn gặp nhiều ở hàng bãi, hàng giá rẻ không ghi cấp hiệu suất.

b. IE2 – hiệu suất cao

Tương ứng dòng YE2; với motor mua mới dùng lâu dài nên coi IE2 là mức tối thiểu.

c. IE3 – Premium

Đang là chuẩn mặc định ở châu Âu, tương ứng dòng YE3 và các dòng premium của hãng Âu, Nhật như động cơ điện Siemens. Lõi thép dài hơn, thép tổn hao thấp, nhiều đồng hơn nên nặng và đắt hơn IE2.

d. IE4 – Super Premium

Đạt bằng lồng sóc rotor đồng, LSPM, hoặc PMSM, SynRM chạy biến tần; hợp với máy chạy 24/24 như bơm cấp nước, máy nén khí.

e. IE5 – Ultra Premium

Tổn hao thấp hơn IE4 khoảng 20%, hiện gần như chỉ đạt được bằng motor đồng bộ nam châm hoặc từ trở có hỗ trợ nam châm, chạy bằng biến tần.

Hiệu suất tối thiểu motor 4 cực 50 Hz

Ví dụ ước lượng tiền điện: chênh công suất điện ΔP = P cơ × (1/η₁ − 1/η₂). Lấy motor 3 pha 30HP 22kW 4 cực kéo bơm gần định mức, 6.000 giờ mỗi năm, giả định 2.000 đồng/kWh:

• IE1 so với IE3: ΔP = 22 × (1/0,899 − 1/0,930) ≈ 0,82 kW, tức khoảng 4.900 kWh, gần 9,8 triệu đồng mỗi năm.
• IE2 so với IE3: ΔP ≈ 0,36 kW, khoảng 2.200 kWh, gần 4,4 triệu đồng mỗi năm.
• Motor chỉ chạy 1.000 giờ mỗi năm thì khoản chênh giảm 6 lần; non tải nhiều thì thay số để tính lại.

Motor IE3, IE4 có độ trượt nhỏ nên quay nhanh hơn motor cũ vài chục vòng/phút; với bơm, quạt ly tâm, công suất tăng theo lập phương tốc độ nên có thể "ăn" bớt phần tiết kiệm nếu không chỉnh van hoặc puly. Dòng khởi động cũng thường cao hơn, cần kiểm tra lại aptomat.

9. Phân loại theo chế độ làm việc S1–S10

Chế độ làm việc theo IEC 60034-1 mô tả chu kỳ tải motor được thiết kế để chịu; nhãn không ghi thì mặc định là S1. Cùng một motor, công suất cho phép ở S3 lớn hơn ở S1 vì có thời gian nghỉ để nguội.

S5, S7, S8, S10 là các chế độ có hãm điện hoặc thay đổi tốc độ, ít gặp hơn. Hệ số đóng điện S3 tính trên chu kỳ chuẩn 10 phút, các mức hay gặp là 15%, 25%, 40%, 60%. Lỗi điển hình là lấy motor cầu trục S3 25% kéo băng tải suốt ca, hoặc dùng motor S1 cho máy đóng ngắt hàng trăm lần mỗi giờ.

10. Phân loại theo cấp điện áp và tần số

Motor hạ thế làm việc đến 1.000 V, trung thế trên 1.000 V. Lưới hạ thế 3 pha ở Việt Nam là 380 V, 50 Hz.

Motor 60 Hz chạy lưới 50 Hz quay chậm đi khoảng 1/6; motor 440 V 60 Hz đưa về 380 V 50 Hz giữ tỉ lệ điện áp/tần số gần đúng nhưng công suất ra giảm theo tốc độ. Motor nội địa Nhật, hàng bãi ghi 200 V 50 Hz hoặc 200/220 V 60 Hz là cho lưới 200 V, không đấu thẳng 380 V được nếu chỉ có 3 đầu dây; các dòng xuất khẩu như động cơ điện Mitsubishi thường có bản 380–415 V riêng.

11. Phân loại theo công dụng: các loại động cơ 3 pha chuyên dụng

Về điện, phần lớn các loại dưới đây vẫn là motor lồng sóc; khác biệt nằm ở kết cấu cơ khí, phụ kiện và chứng nhận.

• Một số loại động cơ 3 pha chuyên dụng trong công nghiệp: motor phòng nổ, motor có phanh, motor giảm tốc, motor rung.

a. Motor phòng nổ

Motor phòng nổ dùng ở kho xăng dầu, hóa chất, sơn, hầm mỏ. Kiểu phổ biến là Ex d: vỏ gang dày, khe hở được tính để ngọn lửa của vụ nổ bên trong không lan ra ngoài. Đọc nhãn theo ba phần:

• Nhóm khí: I cho mỏ có mê-tan; IIA (propan, hơi xăng), IIB (etylen), IIC (hydro, axetylen). Motor IIC dùng được cho IIB, IIA, ngược lại thì không.
• Cấp nhiệt độ T1 (450 °C) đến T6 (85 °C) là nhiệt độ bề mặt tối đa; T4 là 135 °C.
• Mức bảo vệ: Gb dùng cho vùng 1 và vùng 2, Gc chỉ vùng 2, Mb cho hầm lò.

Nhãn "Ex db IIB T4 Gb" đáp ứng kho xăng dầu; khu có hydro phải dùng IIC.

b. Motor có phanh

Phanh điện từ lò xo ở đuôi motor: mất điện thì lò xo ép đĩa giữ trục. Dùng cho palăng, tời, băng tải dốc, cửa cuốn; dòng Trung Quốc quen thuộc là YEJ. Cần chọn đúng mô-men phanh, điện áp cuộn phanh và tay nhả phanh nếu cần.

c. Motor chạy biến tần (inverter duty)

Cuộn dây cách điện tăng cường để chịu xung điện áp đỉnh từ biến tần, thường có quạt riêng IC416, frame lớn có ổ bi cách điện để chặn dòng qua ổ bi. Ký hiệu Trung Quốc hay gặp là YVF, YVP. Motor IE2, IE3 thường vẫn chạy biến tần tốt ở 25–50 Hz với bơm, quạt; chạy lâu dưới khoảng 20 Hz với tải mô-men không đổi hoặc cáp dài thì nên dùng bản inverter duty.

d. Motor giảm tốc

Motor 3 pha, thường 4 cực bích B5 hoặc B14, ghép liền hộp số bánh răng, trục vít, hành tinh hay cyclo để ra tốc độ thấp, mô-men lớn; có thể kèm phanh hoặc quạt cưỡng bức.

e. Motor rung

Motor rung có khối lệch tâm ở hai đầu trục, thông số chính là lực rung (kN) và số cực; vỏ, chân đế và ổ bi làm riêng để chịu rung liên tục, không thay được bằng motor thường gắn tạ.

f. Motor bơm, quạt, máy khuấy và tàu thủy

Các dòng máy bơm nước liền trục dùng motor B35 hoặc B5 trục riêng, 2 cực cho cột áp cao, 4 cực cho lưu lượng lớn. Motor quạt hút khói phải chịu 200–400 °C trong thời gian quy định. Motor máy khuấy lắp V1, ổ bi dưới tăng cường chịu tải dọc trục. Motor tàu thủy tính cho phòng máy 45–50 °C, hơi muối, thường IP55–IP56 và phải có chứng nhận đăng kiểm hàng hải.

12. Phân loại theo khung vỏ (frame size) và vật liệu vỏ

Frame size theo IEC 60072 là chiều cao tâm trục tính bằng mm: 63, 71, 80, 90, 100, 112, 132, 160, 180, 200, 225, 250, 280, 315, 355; chữ S, M, L chỉ chiều dài thân. Motor cùng frame của các hãng khác nhau lắp lẫn được.

Ví dụ motor 3 pha 5HP 4kW 4 cực theo dãy chuẩn nằm ở frame 112M, trục 28 mm; một số motor IE3, IE4 đặt cùng công suất vào frame lớn hơn một cỡ nên phải đối chiếu bản vẽ khi thay. Motor NEMA dùng frame inch (143T, 182T…), không lắp lẫn với IEC. Vỏ nhôm nhẹ, tản nhiệt tốt, thường đến frame 132; vỏ gang cứng vững, ít rung ồn, là mặc định từ frame 160, cho motor phòng nổ và môi trường mỏ, xi măng, hóa chất.

13. Bảng chọn loại động cơ điện xoay chiều 3 pha theo ứng dụng

14. Câu hỏi thường gặp về phân loại động cơ điện xoay chiều 3 pha

• Motor IP55 và IP54 khác nhau thế nào? Cả hai đều bảo vệ bụi như nhau; khác ở chữ số thứ hai. IP54 chịu nước bắn tóe, còn IP55 chịu được tia nước áp thấp phun từ mọi hướng. Motor đặt ngoài trời hoặc khu có xịt rửa nên chọn tối thiểu IP55.
• Motor B35 là gì? B35 là kiểu lắp vừa có chân đế vừa có mặt bích lớn (B3 kết hợp B5). Kiểu này dùng khi motor bắt bích vào bơm hoặc hộp số nhưng thân motor nặng cần chân đỡ thêm, hoặc khi muốn một motor lắp được cả hai kiểu.
• Motor IE3 đắt hơn có đáng mua không? Đáng với motor chạy nhiều giờ: motor 22 kW chạy 6.000 giờ mỗi năm tiết kiệm khoảng 2.200 kWh so với IE2. Motor chạy vài trăm giờ mỗi năm thì phần chênh giá thu hồi rất chậm, IE2 vẫn hợp lý.
• Làm sao biết motor là đồng bộ hay không đồng bộ? Xem tốc độ trên nhãn: số tròn như 1.500 vòng/phút ở 50 Hz là đồng bộ, số lẻ như 1.450 vòng/phút là không đồng bộ. Motor đồng bộ nam châm thường ghi thêm sức phản điện động và bắt buộc chạy kèm biến tần.
• Motor cách điện cấp F chịu được nhiệt độ bao nhiêu? Vật liệu cách điện cấp F chịu tối đa 155 °C tại điểm nóng nhất của cuộn dây, độ tăng nhiệt cho phép 105 K ở môi trường 40 °C. Nhiệt độ vỏ motor luôn thấp hơn nhiệt độ cuộn dây khá nhiều.
• Chế độ S1 và S3 khác gì nhau? S1 là chạy liên tục với tải không đổi; S3 là chạy ngắt quãng theo chu kỳ, ghi kèm phần trăm thời gian đóng điện như S3 40%. Motor S3 không được dùng cho máy chạy liên tục ở cùng công suất nhãn.
• Motor chạy biến tần có khác motor thường không? Có. Motor inverter duty có cách điện chịu xung điện áp tốt hơn, thường có quạt làm mát riêng để chạy lâu ở tốc độ thấp, và frame lớn có ổ bi cách điện. Motor thường vẫn chạy biến tần được với bơm, quạt trong dải tốc độ không quá thấp.
• Nhận biết motor lồng sóc hay dây quấn thế nào? Motor dây quấn có hộp vành trượt và chổi than ở đuôi, nhãn ghi thêm điện áp và dòng rotor, có thêm ba đầu dây rotor K, L, M. Motor lồng sóc chỉ có hộp cực stator với 3 hoặc 6 đầu dây.
• Motor B5 và B14 có lắp thay cho nhau được không? Không. B5 là bích lớn lỗ suốt, B14 là bích nhỏ lỗ ren, kích thước gờ định tâm và vị trí lỗ khác nhau. Khi thay phải đúng kiểu bích và đúng cỡ bích.
• Ký hiệu Ex db IIB T4 trên motor phòng nổ nghĩa là gì? Đó là motor vỏ chống cháy nổ, dùng cho khí nhóm IIA và IIB, nhiệt độ bề mặt không vượt 135 °C. Motor này dùng được cho khu hơi xăng dầu nhưng không dùng cho khu có hydro hoặc axetylen.