Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều một pha

Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều một pha là các cách làm thay đổi tốc độ quay của động cơ không đồng bộ 1 pha, gồm: giảm điện áp cấp (triac, biến áp tự ngẫu, cuộn kháng hoặc tụ nối tiếp), chuyển đầu dây quấn có nhiều nấc (kiểu quạt số), đổi số cực, thay đổi tần số bằng biến tần, và giảm tốc bằng cơ khí (puly, hộp số). Vì tốc độ động cơ không đồng bộ gắn với tần số lưới (n₁ = 60·f / p), hầu hết cách "rẻ" chỉ làm tăng hệ số trượt và chỉ hợp với tải quạt, bơm ly tâm nhỏ; muốn điều tốc rộng, giữ mô-men thì phải thay đổi tần số hoặc dùng hộp số.

Bài viết phân tích nguyên lý, phạm vi dùng được, giới hạn của từng phương pháp, bảng so sánh, cách chọn theo loại tải và loại động cơ 1 pha, cùng các lỗi hay gặp khi điều tốc.

Mục lục

• 1. Vì sao điều khiển tốc độ động cơ 1 pha khó hơn động cơ 3 pha?
• 2. Phương pháp giảm điện áp cấp cho động cơ
• 3. Phương pháp chuyển nấc dây quấn (quạt số)
• 4. Phương pháp đổi số cực
• 5. Phương pháp thay đổi tần số bằng biến tần
• 6. Giảm tốc bằng cơ khí: puly, hộp số, motor giảm tốc
• 7. Bảng so sánh các phương pháp điều khiển tốc độ
• 8. Chọn phương pháp theo loại tải và loại động cơ
• 9. Ứng dụng thực tế
• 10. Câu hỏi thường gặp về điều khiển tốc độ động cơ 1 pha

1. Vì sao điều khiển tốc độ động cơ 1 pha khó hơn động cơ 3 pha?

Tốc độ động cơ không đồng bộ được quyết định bởi tốc độ từ trường quay n₁ = 60·f / p và hệ số trượt s: n = n₁(1 − s). Muốn thay đổi tốc độ có ba hướng: đổi tần số f, đổi số đôi cực p, hoặc tăng hệ số trượt s (bằng cách giảm điện áp, tăng điện trở rotor).

Động cơ 1 pha có thêm ba ràng buộc. Thứ nhất, nhiều loại có công tắc ly tâm và tụ đề; khi tốc độ tụt dưới khoảng 70% định mức, công tắc ly tâm đóng lại, tụ đề làm việc liên tục và sẽ hỏng. Thứ hai, tụ ngâm được tính cho đúng 50 Hz; đổi tần số làm lệch pha giữa hai cuộn dây sai đi, từ trường quay méo, động cơ rung và nóng. Thứ ba, mô-men đã nhỏ hơn động cơ 3 pha cùng cỡ, giảm điện áp làm mô-men giảm theo bình phương điện áp.

Kiến thức nền về các loại động cơ có tại Tổng quan về motor điện và động cơ điện 1 pha.

2. Phương pháp giảm điện áp cấp cho động cơ

Mô-men điện từ của động cơ không đồng bộ tỉ lệ với bình phương điện áp. Khi giảm điện áp, đường đặc tính mô-men hạ xuống, giao điểm với đường mô-men tải dịch về phía hệ số trượt lớn hơn, tốc độ giảm. Với tải quạt (mô-men tỉ lệ bình phương tốc độ), giao điểm này ổn định nên điều tốc được trong khoảng 40–100% tốc độ định mức. Với tải mô-men không đổi (băng tải, máy nén piston), tốc độ chỉ giảm được rất ít trước khi động cơ bị kéo tụt và dừng.

a. Dùng triac (điều chỉnh góc pha)

Triac cắt bớt một phần mỗi nửa chu kỳ điện áp, giá trị hiệu dụng giảm. Mạch nhỏ, rẻ, điều chỉnh vô cấp; dùng cho quạt trần, quạt hút, máy hút khói, bơm ly tâm nhỏ loại chạy tụ (PSC). Nhược điểm là sinh sóng hài, động cơ kêu ù ở nấc thấp, nóng hơn. Chi tiết mạch có trong bài mạch điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 1 pha.

b. Dùng biến áp tự ngẫu (vô cấp hoặc nhiều nấc)

Điện áp ra hình sin sạch, động cơ chạy êm hơn triac. Bộ điều tốc quạt dạng biến áp 5 nấc rất phổ biến cho quạt công nghiệp, quạt hút nhà xưởng. Nhược điểm: nặng, đắt hơn triac.

c. Dùng cuộn kháng hoặc tụ nối tiếp

Mắc nối tiếp cuộn kháng hoặc một tụ điện vào mạch động cơ để sụt bớt điện áp. Hộp số quạt bàn, quạt trần đời cũ dùng cuộn kháng nhiều đầu ra; nhiều quạt trần hiện nay dùng các tụ nhỏ nối tiếp để tạo nấc. Cách này rẻ, bền nhưng chỉ có vài nấc cố định.

3. Phương pháp chuyển nấc dây quấn (quạt số)

Stator được quấn thêm cuộn trung gian (cuộn số) nối tiếp với cuộn chính, có nhiều đầu ra. Công tắc số chọn đầu ra: càng nhiều vòng dây nối tiếp thì điện áp đặt lên mỗi vòng càng nhỏ, từ thông giảm, tốc độ giảm. Bản chất vẫn là giảm điện áp hiệu dụng trên cuộn làm việc, không đổi số cực, nên tốc độ thay đổi theo nấc và chỉ có ý nghĩa với tải quạt. Đây là cách làm của quạt bàn, quạt đứng 3 số.

4. Phương pháp đổi số cực

Động cơ quấn hai bộ dây độc lập có số cực khác nhau (ví dụ 2 cực và 4 cực), hoặc một bộ dây đấu theo sơ đồ Dahlander, cho hai tốc độ cố định khoảng 2850 và 1420 vòng/phút. Mỗi tốc độ vẫn giữ được mô-men tương ứng. Kiểu này gặp ở quạt thông gió hai tốc độ, máy giặt đời cũ (giặt và vắt), máy công cụ nhỏ. Không điều tốc vô cấp được và động cơ to hơn loại một tốc độ.

5. Phương pháp thay đổi tần số bằng biến tần

a. Biến tần cho động cơ 1 pha

Có biến tần chuyên dùng xuất ra 1 pha (hoặc 2 pha lệch 90 độ) cho động cơ chạy tụ PSC công suất nhỏ, thường dùng cho quạt và bơm. Khi dùng phải tháo bỏ tụ hoặc đấu theo hướng dẫn riêng của hãng. Động cơ có tụ đề và công tắc ly tâm không phù hợp với cách này.

b. Thay bằng động cơ 3 pha 220 V và biến tần 1 pha vào, 3 pha ra

Đây là giải pháp phổ biến và ổn định nhất khi chỉ có điện 220 V mà cần điều tốc rộng: dùng biến tần đầu vào 1 pha 220 V, đầu ra 3 pha 220 V, kèm động cơ 3 pha đấu tam giác (nhãn 220/380 V Δ/Y). Biến tần giữ tỉ lệ V/f, mô-men gần như không đổi trong khoảng 10–50 Hz, khởi động mềm, đảo chiều, hãm. Dòng đầu vào biến tần 1 pha lớn hơn dòng động cơ khoảng 2 lần, nên chọn dây và aptomat theo dòng vào ghi trong manual. Công suất phổ biến đến 2,2 kW.

6. Giảm tốc bằng cơ khí: puly, hộp số, motor giảm tốc

Khi tải cần một tốc độ thấp cố định và mô-men lớn (máy trộn, băng tải, máy xay), cách bền nhất là giữ động cơ chạy đúng tốc độ định mức và giảm tốc qua puly – dây đai hoặc hộp giảm tốc. Tỉ số truyền i = n_{động cơ} / n_tải, mô-men ra tăng gần bằng i lần (trừ hiệu suất truyền). Ví dụ motor giảm tốc 1 pha 4 cực 1420 vòng/phút, tỉ số 1:30 cho khoảng 47 vòng/phút. Muốn vừa giảm tốc vừa chỉnh được vô cấp thì kết hợp hộp số với biến tần và động cơ 3 pha 220 V.

7. Bảng so sánh các phương pháp điều khiển tốc độ

• Phương pháp giảm điện áp với tải mô-men không đổi: động cơ dễ bị kéo tụt, dòng tăng, nóng.
• Động cơ có công tắc ly tâm: tốc độ dưới khoảng 70% làm tụ đề đóng lại liên tục.
• Số liệu là giá trị điển hình, thực tế phụ thuộc động cơ và tải.

8. Chọn phương pháp theo loại tải và loại động cơ

• Quạt, máy hút khói, bơm ly tâm nhỏ dùng động cơ chạy tụ (PSC): triac, biến áp tự ngẫu hoặc tụ nối tiếp đều được; dải hợp lý 50–100%.
• Máy nén khí, bơm piston, máy xay, băng tải (mô-men không đổi): không điều tốc bằng giảm áp; dùng hộp số hoặc biến tần + động cơ 3 pha 220 V.
• Động cơ có tụ đề và công tắc ly tâm: chỉ dùng puly, hộp số hoặc thay động cơ 3 pha + biến tần.
• Động cơ vạn năng có chổi than (máy khoan, máy mài, máy trộn bột cầm tay): điều tốc bằng triac rất hiệu quả, vì tốc độ động cơ vạn năng phụ thuộc trực tiếp điện áp.
• Cần nhiều tốc độ cố định, không cần vô cấp: động cơ đổi số cực.

9. Ứng dụng thực tế

• Điều tốc quạt trần, quạt hút công nghiệp 1 pha bằng dimmer triac hoặc bộ biến áp 5 nấc.
• Điều chỉnh lưu lượng máy hút khói bếp, quạt thông gió nhà kính, chuồng trại.
• Điều tốc máy trộn, băng tải nhỏ ở xưởng chỉ có điện 220 V bằng biến tần 1 pha ra 3 pha.
• Giảm tốc máy khuấy, máy se, máy cuốn bằng motor giảm tốc 1 pha 4 cực.
• Điều tốc động cơ vạn năng trong máy khoan, máy mài, máy may công nghiệp đời cũ.

10. Câu hỏi thường gặp về điều khiển tốc độ động cơ 1 pha

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

• Động cơ đang có thuộc loại nào? Mở hộp cực xem có một tụ (chạy tụ PSC), hai tụ hay có công tắc ly tâm. Chỉ loại PSC mới hợp với điều tốc bằng giảm áp hoặc biến tần 1 pha chuyên dụng; loại có công tắc ly tâm cần phương án khác.
• Tải thuộc dạng nào? Tải quạt, bơm ly tâm (mô-men giảm nhanh khi giảm tốc) chịu được giảm áp; tải mô-men không đổi như máy nén, băng tải, máy xay thì không. Xác định đúng dạng tải trước khi mua bộ điều tốc tránh mua sai cả bộ.
• Bộ điều tốc chịu được bao nhiêu ampe? Chọn dòng định mức bộ điều tốc lớn hơn dòng động cơ ít nhất 1,5–2 lần, vì dòng khởi động và dòng ở nấc thấp đều cao. Ví dụ quạt 0,37 kW dòng khoảng 3 A thì chọn bộ triac hoặc biến áp từ 5–6 A.
• Có cần tốc độ vô cấp không? Nếu chỉ cần 2–3 tốc độ, động cơ đổi số cực hoặc bộ biến áp nhiều nấc bền hơn triac. Nếu cần chỉnh mịn và giữ mô-men, chuẩn bị ngân sách cho biến tần + động cơ 3 pha 220 V.
• Biến tần 1 pha vào 3 pha ra có đủ cho công suất cần? Biến tần đầu vào 1 pha thường đến 2,2 kW (một số hãng đến 3,7 kW); dòng vào khoảng 2 lần dòng ra, nên kiểm tra dây, aptomat và công tơ của nhà.
• Có nên đổi sang motor giảm tốc thay vì điều tốc? Khi tải chỉ cần một tốc độ thấp cố định, motor giảm tốc 4 cực cho mô-men lớn, ít hỏng hơn mọi bộ điều tốc điện tử. Xác minh tỉ số truyền và mô-men ra theo catalog.

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

• Đặt nấc thấp nhất bao nhiêu là an toàn? Với quạt dùng triac, nấc thấp nên giữ ở mức động cơ còn khoảng 40–50% tốc độ và tự khởi động lại được sau khi mất điện. Thấp hơn, động cơ ù, không đề, dòng cao, nóng.
• Có cần khởi động ở tốc độ cao rồi mới giảm? Nên. Nhiều bộ điều tốc quạt có chức năng "kick start" cấp đủ áp vài giây rồi mới hạ. Nếu không có, bật ở nấc cao rồi chỉnh xuống.
• Biến tần cho động cơ 3 pha 220 V cài thế nào? Đấu động cơ tam giác, nhập dòng, điện áp 220 V, tần số 50 Hz, tốc độ định mức; đặt thời gian tăng tốc 5–10 giây; cài tần số thấp nhất khoảng 10–15 Hz nếu động cơ tự làm mát bằng quạt gắn trục.
• Lắp bộ điều tốc ở đâu? Nơi khô, thoáng; triac và biến áp đều tỏa nhiệt. Bộ điều tốc dạng công tắc âm tường cần đế sâu, không lắp chung hộp kín với nhiều thiết bị khác.
• Có cần thay tụ khi điều tốc không? Với PSC dùng triac thì giữ nguyên tụ; với biến tần 1 pha chuyên dụng làm theo hướng dẫn hãng (thường tháo tụ); với động cơ 3 pha qua biến tần thì không có tụ.
• Theo dõi động cơ thế nào sau khi điều tốc? Đo dòng ở các nấc bằng ampe kìm (loại đo True RMS) và sờ nhiệt vỏ sau 30 phút. Dòng ở nấc thấp vượt dòng định mức là dấu hiệu tải không hợp phương pháp giảm áp.

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

• Dùng dimmer đèn để chỉnh tốc máy bơm có tụ đề. Tốc độ tụt, công tắc ly tâm đóng, tụ đề phồng, cuộn phụ cháy. Cách sửa: tháo bộ điều tốc, dùng van điều tiết lưu lượng hoặc chuyển sang biến tần + động cơ 3 pha.
• Giảm áp cho tải mô-men không đổi. Băng tải, máy xay chạy chậm được chút rồi đứng, động cơ nóng. Cách sửa: dùng hộp giảm tốc hoặc biến tần.
• Cấp biến tần 3 pha ra cho động cơ 1 pha kèm tụ. Tụ nhận điện áp xung PWM, nóng và nổ, biến tần báo lỗi quá dòng. Cách sửa: không dùng biến tần thông thường cho động cơ 1 pha.
• Chọn bộ triac vừa khít dòng động cơ. Triac quá nhiệt, chập chết ở trạng thái dẫn, động cơ chạy toàn tốc không tắt được. Cách sửa: chọn dòng định mức gấp 1,5–2 lần, có tản nhiệt và mạch dập RC.
• Đo dòng bằng ampe kìm thường. Dạng sóng sau triac không còn hình sin, ampe kìm đo trung bình cho số sai. Cách sửa: dùng đồng hồ đo True RMS.
• Chạy biến tần ở tần số rất thấp lâu dài. Quạt gắn trục yếu, động cơ quá nhiệt dù dòng không cao. Cách sửa: giới hạn tần số tối thiểu, hoặc thêm quạt cưỡng bức, hoặc dùng hộp số để động cơ chạy gần định mức.

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

• Cần nắm khái niệm nào trước? Tốc độ đồng bộ, hệ số trượt, đường đặc tính mô-men – tốc độ của động cơ không đồng bộ, và cách đường đặc tính tải (quạt, mô-men không đổi) giao với nó. Hiểu điểm làm việc là hiểu vì sao giảm áp chỉ hợp tải quạt.
• Nên học thiết bị nào trước? Động cơ 1 pha chạy tụ, công tắc ly tâm, tụ đề, tụ ngâm; sau đó tới linh kiện bán dẫn công suất xoay chiều: diac, triac, SCR, rồi mới đến biến tần.
• Kiến thức điện tử nào cần có? Giá trị hiệu dụng của điện áp bị cắt góc pha, mạch RC tạo trễ pha, sóng hài và hệ số công suất méo dạng. Đây là nền để thiết kế và đánh giá mạch điều tốc triac.
• Bài thực hành gợi ý? Lấy một quạt hoặc động cơ PSC nhỏ, điều tốc lần lượt bằng triac, biến áp tự ngẫu và tụ nối tiếp; ghi điện áp, dòng (True RMS), tốc độ bằng máy đo vòng quay, nhiệt độ vỏ. So sánh độ ồn và nhiệt giữa ba cách.
• Bài thực hành nâng cao? Cài biến tần 1 pha vào 3 pha ra cho động cơ 3 pha 0,37 kW đấu tam giác, chạy ở 10, 25, 50 Hz với tải phanh; quan sát mô-men giữ được so với khi giảm áp.
• Học tiếp gì sau đó? Điều khiển V/f và vector cho động cơ 3 pha, động cơ BLDC đang thay quạt 1 pha truyền thống, và cách chọn hộp giảm tốc theo mô-men và tỉ số truyền.

Không có phương pháp điều tốc nào hợp mọi động cơ 1 pha: giảm áp hợp với quạt và bơm ly tâm loại chạy tụ, đổi số cực cho vài tốc độ cố định, còn tải nặng cần chỉnh vô cấp thì biến tần với động cơ 3 pha 220 V hoặc hộp giảm tốc mới là lời giải ổn định.