Phương pháp khởi động động cơ điện xoay chiều 1 pha: tụ đề, tụ ngâm, cuộn phụ, vòng chập

Phương pháp khởi động động cơ điện xoay chiều 1 pha là cách tạo ra từ trường quay lúc rotor đứng yên, vì một cuộn dây một pha chỉ sinh từ trường đập mạch có mô-men khởi động bằng 0. Có năm phương pháp chính: cuộn phụ điện trở cao (split-phase), tụ khởi động (tụ đề) ngắt bằng công tắc ly tâm hoặc rơ-le, tụ thường trực (PSC), kết hợp tụ đề và tụ ngâm (hai tụ), và vòng chập (cực từ chia). Phương pháp quyết định mô-men khởi động – từ khoảng 0,3 lần đến 3 lần mô-men định mức – nên phải chọn theo tải.

Bài viết giải thích vì sao động cơ 1 pha không tự khởi động, nguyên lý và sơ đồ từng phương pháp, các thiết bị ngắt mạch khởi động (công tắc ly tâm, rơ-le dòng, rơ-le áp, PTC), cách chọn tụ, đảo chiều quay, bảng so sánh, lỗi thường gặp khi khởi động và cách xử lý.

Mục lục

• 1. Vì sao động cơ xoay chiều 1 pha không tự khởi động?
• 2. Khởi động bằng cuộn phụ điện trở cao (split-phase)
• 3. Khởi động bằng tụ điện
• 4. Khởi động bằng vòng chập (cực từ chia)
• 5. Thiết bị ngắt mạch khởi động: công tắc ly tâm, rơ-le, PTC
• 6. Bảng so sánh các phương pháp khởi động
• 7. Chọn tụ khởi động và tụ ngâm
• 8. Đảo chiều quay và giảm dòng khởi động
• 9. Lỗi khởi động thường gặp và cách xử lý
• 10. Câu hỏi thường gặp về phương pháp khởi động động cơ 1 pha

1. Vì sao động cơ xoay chiều 1 pha không tự khởi động?

Dòng điện một pha qua cuộn dây chính sinh ra từ trường đập mạch: đổi chiều 100 lần mỗi giây nhưng đứng yên trong không gian. Theo lý thuyết hai từ trường quay, từ trường này tương đương hai từ trường cùng độ lớn quay ngược chiều nhau. Khi rotor đứng yên, hai mô-men do chúng sinh ra bằng nhau và ngược chiều, tổng bằng 0 — động cơ chỉ ù. Nếu rotor đã quay theo một chiều, mô-men theo chiều đó lớn hơn, động cơ tiếp tục quay.

Muốn tự khởi động, cần một cuộn phụ đặt lệch 90 độ điện trong không gian so với cuộn chính, và dòng cuộn phụ lệch pha về thời gian so với dòng cuộn chính. Lệch càng gần 90 độ, từ trường quay càng tròn, mô-men khởi động càng lớn. Mỗi phương pháp khởi động là một cách tạo độ lệch pha này.

Cấu tạo chung của động cơ có tại bài động cơ điện 1 pha; kiến thức nền xem Tổng quan về motor điện.

2. Khởi động bằng cuộn phụ điện trở cao (split-phase)

Cuộn phụ quấn bằng dây nhỏ, ít vòng, nên có tỉ số điện trở trên cảm kháng lớn hơn hẳn cuộn chính. Dòng cuộn chính (cảm kháng lớn) trễ pha nhiều so với điện áp, còn dòng cuộn phụ gần cùng pha với điện áp hơn — hai dòng lệch nhau khoảng 25–35 độ. Độ lệch nhỏ nên mô-men khởi động chỉ khoảng 1–1,5 lần định mức, trong khi dòng khởi động cao (6–8 lần). Cuộn phụ dây nhỏ chịu nhiệt kém, nên phải được ngắt bằng công tắc ly tâm hoặc rơ-le khi động cơ đạt khoảng 75% tốc độ.

Ứng dụng: máy giặt đời cũ, quạt hút, máy mài để bàn nhỏ, bơm ly tâm nhỏ, máy nén tủ lạnh dùng rơ-le khởi động.

3. Khởi động bằng tụ điện

a. Tụ khởi động (tụ đề, CSIR)

Cuộn phụ nối tiếp một tụ hóa không phân cực dung lượng lớn và công tắc ly tâm. Tụ làm dòng cuộn phụ sớm pha, độ lệch với dòng cuộn chính đạt gần 80–90 độ, cho mô-men khởi động 2–3 lần định mức với dòng khởi động thấp hơn kiểu split-phase. Khi đạt khoảng 70–80% tốc độ, công tắc ly tâm ngắt tụ và cuộn phụ; động cơ chạy chỉ với cuộn chính. Dùng cho máy nén khí piston, bơm cánh dương, máy rửa xe, máy xay xát nhỏ.

b. Tụ thường trực (PSC)

Cuộn phụ nối tiếp một tụ ngâm màng dầu, luôn làm việc, không có công tắc ly tâm. Tụ được chọn tối ưu cho lúc chạy, nên mô-men khởi động thấp (khoảng 0,3–0,6 lần định mức), nhưng động cơ chạy êm, hiệu suất và cos φ tốt, ít hỏng vì không có tiếp điểm. Dùng cho quạt, máy hút khói, bơm ly tâm nhỏ, máy nén điều hòa (kèm thiết kế riêng).

c. Tụ đề + tụ ngâm (hai tụ, CSCR)

Tụ ngâm luôn nối với cuộn phụ; tụ đề mắc song song với tụ ngâm qua công tắc ly tâm hoặc rơ-le, chỉ đóng lúc khởi động. Động cơ có cả mô-men khởi động lớn (khoảng 1,8–3 lần) và hiệu suất chạy tốt. Đây là kiểu phổ biến nhất cho motor 1 pha công nghiệp 1,5–3,7 kW: máy nén khí, máy cưa bàn, máy nghiền thức ăn chăn nuôi, máy trộn.

4. Khởi động bằng vòng chập (cực từ chia)

Stator có cực lồi; một phần mỗi cực được ôm bởi vòng đồng ngắn mạch (vòng chập). Từ thông qua phần cực có vòng chập bị dòng cảm ứng trong vòng làm chậm pha, tạo ra từ trường "dịch" từ phần không có vòng sang phần có vòng, đủ để rotor lồng sóc tự quay. Không có tụ, không có công tắc, rất bền và rẻ, nhưng mô-men khởi động thấp (0,3–0,5 lần), hiệu suất chỉ 10–30%, không đảo chiều bằng điện được (chiều quay cố định theo vị trí vòng chập). Dùng cho quạt nhỏ, quạt tủ lạnh, máy sấy tóc, bơm xả máy giặt, động cơ dưới khoảng 100 W.

5. Thiết bị ngắt mạch khởi động: công tắc ly tâm, rơ-le, PTC

• Tụ đề làm việc quá vài giây sẽ nóng, phồng, nổ.
• PTC chưa nguội thì cuộn phụ không được cấp, động cơ không khởi động lại.
• Rơ-le dòng, rơ-le áp chỉ đúng khi cùng mã với máy nén hoặc động cơ.

6. Bảng so sánh các phương pháp khởi động

• Số liệu là giá trị điển hình; thông số thực theo catalog từng động cơ.
• Mô-men khởi động tỉ lệ bình phương điện áp: điện áp thấp làm mọi phương pháp yếu đi.

7. Chọn tụ khởi động và tụ ngâm

• Luôn ưu tiên giá trị trên nhãn động cơ. Các con số dưới đây chỉ để tham khảo khi nhãn đã mất.
• Tụ ngâm: khoảng 25–35 µF cho mỗi kW với động cơ hai tụ (ví dụ 2,2 kW khoảng 50–60 µF); điện áp 400–450 V AC, loại màng polypropylene CBB60/CBB65.
• Tụ đề: khoảng 150–300 µF cho mỗi kW (ví dụ 1,5 kW khoảng 250–400 µF); điện áp 250–330 V AC, loại tụ hóa không phân cực CD60.
• Kiểm tra sau khi thay: đo dòng cuộn chính và cuộn phụ khi chạy; dòng cuộn phụ không nên vượt dòng ghi cho nó, động cơ không nóng bất thường sau 30 phút.

Các lưu ý khi thay tụ và vận hành hằng ngày có thêm trong bài lưu ý khi sử dụng động cơ điện 1 pha.

8. Đảo chiều quay và giảm dòng khởi động

• Đảo chiều: đổi hai đầu cuộn phụ (Z1–Z2) hoặc hai đầu cuộn chính (U1–U2), không đổi cả hai. Đổi dây L và N không làm đổi chiều quay. Động cơ có công tắc ly tâm chỉ đảo chiều khi đã dừng hẳn; động cơ PSC đảo chiều được nhanh hơn bằng công tắc ba vị trí hoặc hai contactor có khóa chéo.
• Giảm dòng khởi động: động cơ 1 pha công suất lớn có thể dùng bộ khởi động mềm 1 pha (soft starter) để hạn chế dòng đề và nháy đèn; khi dùng phải giữ đủ mô-men khởi động cho tải. Cách khác là giảm tải lúc đề: van xả tải máy nén, mở van xả bơm.
• Khởi động bằng tay: đẩy tay cho quay khi tụ đề hỏng chỉ là cách thử chẩn đoán, không dùng làm cách khởi động thường xuyên vì rất nguy hiểm và động cơ quá dòng khi kẹt.

Sơ đồ đấu và thao tác khởi động hằng ngày có trong bài cách sử dụng động cơ điện 1 pha.

9. Lỗi khởi động thường gặp và cách xử lý

10. Câu hỏi thường gặp về phương pháp khởi động động cơ 1 pha

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

• Động cơ khởi động bằng phương pháp nào? Hỏi rõ là một tụ ngâm, tụ đề có công tắc ly tâm hay hai tụ. Máy nén khí piston, máy xay, máy nghiền cần mô-men khởi động 2–3 lần định mức, chỉ loại tụ đề hoặc hai tụ đáp ứng; loại PSC chỉ khoảng 0,3–0,6 lần.
• Mô-men khởi động ghi trong catalog là bao nhiêu? Tỉ số Mkđ/Mđm (hoặc Tst/Tn) là con số quyết định có kéo được tải lúc đứng yên không. So với mô-men cần để khởi động tải, cộng dự phòng khoảng 20–30%.
• Dòng khởi động bao nhiêu ampe? Tỉ số Ikđ/Iđm (thường 4–7) giúp kiểm tra dây, aptomat, ổn áp hoặc máy phát có kéo nổi không. Động cơ 2,2 kW có dòng khởi động có thể vượt 60 A.
• Công tắc ly tâm hay rơ-le điện tử? Công tắc ly tâm nằm trong động cơ, khi hỏng phải tháo nắp; rơ-le ngoài dễ thay hơn. Hỏi phụ tùng thay thế có sẵn không.
• Thông số tụ đi kèm? Ghi lại µF và điện áp của cả tụ đề, tụ ngâm ngay khi nhận hàng, vì nhãn trên tụ có thể mờ sau vài năm.
• Số lần khởi động cho phép mỗi giờ? Với bơm tự động, máy nén chạy theo áp, hỏi giới hạn số lần khởi động để chỉnh rơ-le và phao phù hợp.

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

• Đấu tụ đề và tụ ngâm thế nào cho đúng? Tụ ngâm nối tiếp cuộn phụ và luôn trong mạch; tụ đề mắc song song với tụ ngâm qua công tắc ly tâm. Đấu nhầm tụ đề làm việc liên tục thì vài phút là tụ nóng phồng.
• Làm sao biết công tắc ly tâm đã ngắt? Kẹp ampe kìm vào dây tụ đề: lúc đề có dòng lớn, sau 1–3 giây dòng phải về 0. Nếu vẫn còn dòng, công tắc ly tâm hoặc rơ-le không ngắt.
• Khởi động tải nặng thế nào cho nhẹ? Mở van xả tải máy nén, đóng bớt van đẩy bơm ly tâm, tháo dây đai nếu cần thử; khởi động ở điện áp đủ, tránh lúc cả khu dùng điện cao điểm.
• Thời gian nghỉ giữa hai lần khởi động? Động cơ có PTC cần 3–5 phút; động cơ tụ đề nên nghỉ ít nhất vài chục giây đến vài phút để tụ đề và cuộn phụ nguội, đặc biệt khi khởi động liên tiếp nhiều lần.
• Dùng bộ khởi động mềm có lợi gì? Giảm dòng đề, giảm nháy đèn và giật cơ khí cho băng tải, máy trộn. Với máy nén piston khởi động khi còn áp, khởi động mềm có thể làm động cơ không đủ mô-men, nên cần giảm tải trước.
• Có cần thay cả tụ đề khi thay công tắc ly tâm? Nếu công tắc đã dính khiến tụ đề làm việc lâu, tụ thường đã suy giảm; đo lại dung lượng và thay luôn nếu lệch quá 10%.

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

• Nối tắt công tắc ly tâm cho "khỏi hỏng". Tụ đề và cuộn phụ làm việc liên tục, nổ tụ, cháy cuộn phụ. Cách sửa: thay công tắc ly tâm mới hoặc dùng rơ-le khởi động điện tử.
• Dùng tụ ngâm thay cho tụ đề cùng số µF. Tụ ngâm dung lượng lớn đắt và to; ngược lại dùng tụ đề làm tụ ngâm thì tụ đề nổ sau vài phút. Cách sửa: đúng loại tụ cho đúng vị trí.
• Tăng tụ đề quá lớn để khởi động tải nặng. Dòng cuộn phụ tăng mạnh, cuộn phụ nóng nhanh, mô-men không tăng tương ứng. Cách sửa: giữ giá trị nhãn, giảm tải khởi động hoặc chọn động cơ lớn hơn.
• Đảo chiều động cơ có công tắc ly tâm khi đang quay. Công tắc ly tâm đang mở, cuộn phụ không có điện, động cơ vẫn quay chiều cũ. Cách sửa: dừng hẳn rồi mới đảo.
• Dùng aptomat đặc tính B. Aptomat cắt ngay khi đề dù động cơ tốt. Cách sửa: dùng aptomat đặc tính C, đúng dòng.
• Đẩy tay cho động cơ chạy hằng ngày. Nguy hiểm và động cơ quá dòng mỗi lần kẹt. Cách sửa: thay tụ đề hoặc sửa công tắc ly tâm.

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

• Nên học khái niệm nào trước? Lệch pha dòng – áp trong mạch R-L và R-C, giản đồ vectơ (phasor). Vẽ được vectơ dòng cuộn chính, cuộn phụ khi có và không có tụ là hiểu được vì sao tụ cho mô-men khởi động lớn hơn điện trở.
• Lý thuyết máy điện nào cần đọc? Lý thuyết hai từ trường quay và mạch tương đương động cơ một pha; so sánh với từ trường quay tròn của động cơ 3 pha.
• Nên biết thiết bị nào trước khi thực hành? Tụ CBB60/CBB65 (tụ ngâm), CD60 (tụ đề), công tắc ly tâm, rơ-le dòng, rơ-le áp, PTC khởi động máy nén tủ lạnh; đồng hồ đo điện dung.
• Bài thực hành gợi ý? Trên một động cơ hai tụ: đo điện trở cuộn chính, cuộn phụ; khởi động lần lượt chỉ với tụ ngâm, với tụ ngâm + tụ đề; đo dòng khởi động bằng ampe kìm có chức năng inrush và thời gian lên tốc; quan sát lúc công tắc ly tâm ngắt.
• Bài thực hành điều khiển? Lắp mạch đảo chiều động cơ PSC bằng hai contactor có khóa chéo, nút dừng và rơ-le thời gian trễ trước khi cho đảo chiều.
• Học tiếp gì sau đó? Các phương pháp khởi động động cơ 3 pha (trực tiếp, sao – tam giác, khởi động mềm, biến tần), rồi điện tử công suất trong bộ khởi động mềm và rơ-le khởi động điện tử.

Mỗi phương pháp khởi động động cơ 1 pha là một sự đánh đổi giữa mô-men khởi động, độ bền và chi phí. Chọn đúng kiểu theo tải, giữ tụ đúng giá trị và bảo đảm mạch khởi động ngắt đúng lúc là ba điều quyết định động cơ đề khỏe và không cháy cuộn phụ.