So Sánh Motor Đồng Bộ Và Motor Không Đồng Bộ: Cấu Tạo, Hiệu Suất, Ứng Dụng

Motor đồng bộ có rotor quay đúng bằng tốc độ từ trường quay của stator (n = 60f/p), còn motor không đồng bộ (motor cảm ứng) luôn quay chậm hơn vài phần trăm vì cần độ trượt để sinh dòng cảm ứng trong rotor. Motor không đồng bộ rẻ, bền, tự khởi động, là lựa chọn phổ thông cho bơm, quạt, băng tải; motor đồng bộ đắt hơn nhưng giữ tốc độ chính xác, hiệu suất cao và chỉnh được hệ số công suất, hợp với máy nén lớn, máy nghiền, servo, motor nam châm vĩnh cửu IE4–IE5.

1) Motor đồng bộ và motor không đồng bộ là gì

a) Motor không đồng bộ (motor cảm ứng)

Mọi motor làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ (induction motor) đều là motor không đồng bộ. Từ trường quay của stator quét qua thanh dẫn rotor, sinh dòng cảm ứng và kéo rotor quay. Rotor luôn chậm hơn từ trường một khoảng gọi là độ trượt, thường 2–6% khi chạy đủ tải. Rotor lồng sóc là kiểu phổ biến nhất của motor điện 3 pha.

b) Motor đồng bộ

Rotor có từ trường riêng – tạo bằng cuộn kích từ cấp điện một chiều, bằng nam châm vĩnh cửu, hoặc nhờ hình dạng lõi thép có từ trở thay đổi (motor đồng bộ từ trở). Từ trường rotor "bám" vào từ trường quay của stator nên rotor quay đúng tốc độ đồng bộ, không phụ thuộc tải (trong giới hạn momen cho phép). Motor bước, servo AC, motor PMSM đều thuộc họ đồng bộ.

Nhờ điện tử công suất phát triển, motor đồng bộ không còn chỉ dành cho máy công suất rất lớn mà đã có mặt ở quạt, bơm hiệu suất cao, máy nén khí biến tần, xe điện.

2) So sánh cấu tạo

a) Cấu tạo motor không đồng bộ

• Stator: lõi thép lá có rãnh, cuộn dây 3 pha (hoặc 1 pha có tụ).
• Rotor lồng sóc: thanh nhôm/đồng trong rãnh lõi thép, hai đầu nối tắt bằng vành ngắn mạch. Số rãnh rotor thường khác và không là ước của số rãnh stator để tránh hiện tượng bám kẹt từ (rotor không chịu khởi động, kêu rè) khi đề.
• Rotor dây quấn: cuộn dây 3 pha nối ra vành trượt, khởi động bằng điện trở phụ nối tiếp mỗi pha để giảm dòng khởi động, khi đạt tốc độ thì nối tắt và chạy như lồng sóc.

b) Cấu tạo motor đồng bộ

• Stator: giống motor không đồng bộ – lõi thép lá, cuộn dây 3 pha.
• Rotor kích từ điện: cực lồi (nhiều cực, tốc độ thấp) hoặc cực ẩn (ít cực, tốc độ cao), cuộn kích từ cấp DC qua vành trượt – chổi than hoặc qua máy kích từ không chổi than. Rotor thường có thêm cuộn cản (lồng sóc phụ) để khởi động không đồng bộ.
• Rotor nam châm vĩnh cửu: nam châm gắn bề mặt hoặc chôn trong lõi, không cần nguồn kích từ – xem bài động cơ nam châm vĩnh cửu.
• Rotor từ trở (SynRM): lõi thép có các rãnh tạo hướng từ thông, không cuộn dây, không nam châm, chạy bằng biến tần.

3) So sánh nguyên lý và hiệu suất làm việc

Motor đồng bộ: stator cấp 3 pha tạo từ trường quay tốc độ Ns = 120f/P (P là số cực). Rotor phải được đưa lên gần tốc độ đồng bộ (bằng cuộn cản hoặc biến tần) rồi mới "bắt" vào từ trường stator; từ đó tốc độ N = Ns. Quá tải vượt momen cực đại, rotor tuột đồng bộ và motor dừng hoặc dao động mạnh.

Motor không đồng bộ: từ trường quay sinh dòng cảm ứng trong rotor; theo định luật Lenz, dòng này chống lại chuyển động tương đối nên rotor bị kéo theo từ trường nhưng luôn có N < Ns. Tải tăng thì độ trượt tăng, tốc độ giảm nhẹ.

4) Hệ số công suất, dòng điện, điện áp và biến tần

• Motor không đồng bộ luôn chạy ở cosφ trễ (0,75–0,88 đủ tải, thấp hơn nhiều khi non tải) vì phải lấy công suất phản kháng từ lưới để từ hóa.
• Motor đồng bộ kích từ điện chỉnh được cosφ trễ, bằng 1 hoặc sớm bằng dòng kích từ; chạy quá kích từ còn bù công suất phản kháng cho cả nhà máy (máy bù đồng bộ).
• Dòng điện: motor không đồng bộ 3 pha 380V khoảng 2A/kW (15kW khoảng 30A); motor đồng bộ nam châm vĩnh cửu cùng công suất thấp hơn khoảng 5–10% do cosφ cao (15kW khoảng 26–28A).
• Điện áp: motor nhỏ và trung bình 220/380V hoặc 380/660V; motor đồng bộ công suất lớn thường dùng trung thế 3,3kV, 6kV, 10kV.
• Biến tần: motor không đồng bộ chạy được V/f đơn giản; motor đồng bộ nam châm vĩnh cửu và từ trở cần biến tần có chế độ điều khiển motor đồng bộ (PM/SynRM vector) và tự dò thông số.

5) Độ bền, tiết kiệm năng lượng và chi phí

Motor không đồng bộ không cần nguồn phụ, không vành trượt, không chổi than (loại lồng sóc), tự khởi động – rẻ, bền, sửa dễ. Motor đồng bộ kích từ điện cần nguồn DC cho rotor, vành trượt – chổi than hoặc máy kích từ, cơ cấu khởi động riêng; bù lại hiệu suất cao hơn và giữ tốc độ chính xác.

Về tiết kiệm điện, motor đồng bộ (nhất là PMSM) có hiệu suất cao hơn 2–5% so với motor không đồng bộ cùng cỡ, đặc biệt khi chạy non tải. Nhưng giá đầu tư cao hơn, nên với tải chạy ít giờ, motor không đồng bộ IE3 vẫn có tổng chi phí thấp hơn.

6) Ứng dụng của motor đồng bộ và không đồng bộ

a) Motor đồng bộ

• Máy nén khí piston, trục vít công suất lớn; máy nghiền bi, máy nghiền xi măng tốc độ thấp công suất cao.
• Servo AC trong máy CNC, máy phay, robot cần tốc độ, vị trí chính xác; motor servo chính là motor đồng bộ nam châm vĩnh cửu có encoder.
• Máy giặt, máy sấy, điều hòa inverter dùng motor đồng bộ nam châm vĩnh cửu/BLDC.
• Đồng hồ, bộ hẹn giờ, đĩa quay lò vi sóng dùng motor đồng bộ nhỏ 220V.
• Bơm, quạt hiệu suất IE4–IE5 dùng motor PMSM hoặc SynRM chạy biến tần.

b) Motor không đồng bộ

• Máy bơm nước, quạt công nghiệp, máy nén lạnh, máy nén khí cỡ vừa và nhỏ.
• Băng tải, máy kéo, máy khuấy, máy trộn, động cơ giảm tốc cho cơ cấu chạy chậm.
• Máy công cụ thông dụng: máy tiện, máy khoan bàn, máy cưa, máy chế biến gỗ.
• Hầu hết thiết bị gia dụng chạy điện 1 pha có tụ.

7) Ưu điểm và nhược điểm của hai loại motor

• Motor không đồng bộ gắn biến tần cũng chỉnh tốc độ rất tốt, sai số tốc độ chỉ vài phần trăm (điều khiển vector có bù trượt còn nhỏ hơn).
• Motor đồng bộ quá tải vượt momen cực đại sẽ tuột đồng bộ, khác với motor không đồng bộ chỉ chậm lại và tăng dòng.
• Chi phí bảo trì motor đồng bộ kích từ điện cao hơn do có vành trượt, chổi than, bộ kích từ.

8) Câu hỏi thường gặp về motor đồng bộ và không đồng bộ

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

• Nhìn tem thế nào để biết motor đồng bộ hay không đồng bộ? Tốc độ trên tem là manh mối nhanh nhất: ghi tròn 1.500, 3.000, 1.000 vòng/phút ở 50Hz thường là motor đồng bộ; ghi 1.440, 2.880, 960 vòng/phút là motor không đồng bộ. Motor đồng bộ nam châm vĩnh cửu còn ghi sức phản điện động, tần số định mức có thể khác 50Hz.
• Motor đồng bộ có cắm thẳng lưới được không? Hỏi rõ: loại nam châm vĩnh cửu thường và từ trở cần biến tần; loại LSPM có lồng sóc khởi động mới chạy trực tiếp được; loại kích từ điện cần bộ kích từ và quy trình khởi động riêng.
• Cần xác minh hiệu suất thế nào? Đối chiếu hiệu suất ghi trên tem với cấp IE (IE3, IE4, IE5). Yêu cầu tài liệu kỹ thuật ghi hiệu suất ở 50%, 75%, 100% tải – motor đồng bộ thường hơn rõ ở 50–75% tải.
• So giá giữa hai loại thế nào cho công bằng? Theo giá trung bình thị trường Việt Nam, motor đồng bộ cộng biến tần chuyên dụng đắt hơn motor không đồng bộ cộng biến tần thông dụng. Tính hoàn vốn theo số giờ chạy mỗi năm và giá điện; tải chạy 2 ca trở lên mới thấy rõ lợi ích.
• Nên hỏi gì về bảo hành, sửa chữa? Motor nam châm vĩnh cửu sửa chữa cần dụng cụ rút rotor chuyên dụng; motor kích từ điện cần thay chổi than, kiểm tra bộ kích từ. Hỏi có phụ tùng, có đơn vị sửa gần không.

b) Người đã mua: lắp đúng, vận hành tối ưu

• Lắp motor không đồng bộ cần lưu ý gì? Đấu sao/tam giác đúng điện áp lưới, căn chỉnh khớp nối, chỉnh rơ le nhiệt 1,0–1,1 lần dòng tem, kiểm tra chiều quay trước khi nối tải.
• Cài biến tần cho motor đồng bộ nam châm vĩnh cửu? Chọn chế độ PM, nhập đủ thông số tem (công suất, dòng, điện áp, tần số, tốc độ, số cực, sức phản điện động), chạy auto-tune. Thông số sai là motor giật, mất đồng bộ, báo lỗi quá dòng.
• Muốn cải thiện cosφ xưởng nhiều motor không đồng bộ? Chọn công suất motor sát tải để tránh non tải, lắp tủ tụ bù tự động; nhà máy lớn có thể dùng motor đồng bộ chạy quá kích từ cho tải lớn nhất để bù luôn cho cả hệ thống.
• Vận hành motor đồng bộ kích từ điện thế nào cho ổn? Khởi động không đồng bộ bằng cuộn cản, khi tốc độ đạt khoảng 95% mới đóng kích từ; theo dõi dòng kích từ để giữ cosφ mong muốn; kiểm tra vành trượt, chổi than định kỳ.
• Theo dõi gì khi chạy dài hạn? Dòng ba pha, nhiệt độ vỏ và bạc đạn, độ rung. Motor không đồng bộ dòng tăng dần với cùng tải là dấu hiệu bạc đạn, quạt làm mát hoặc điện áp có vấn đề.

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

• Thay motor không đồng bộ bằng motor đồng bộ nhưng giữ biến tần cũ chỉ có V/f. Motor rung, mất đồng bộ. Thay biến tần có chế độ điều khiển motor đồng bộ.
• Kỳ vọng motor không đồng bộ chạy đúng tốc độ tem ở mọi tải. Tốc độ thay đổi theo tải là bình thường. Cần tốc độ ổn định thì dùng biến tần điều khiển vector có bù trượt hoặc encoder.
• Chọn motor không đồng bộ quá dư công suất. Chạy non tải, cosφ thấp, tốn điện phản kháng. Chọn công suất sao cho tải thường xuyên ở 70–100% định mức.
• Motor đồng bộ quá tải bị tuột đồng bộ, rung mạnh. Giảm tải, kiểm tra dòng kích từ (motor kích từ điện) hoặc giới hạn dòng biến tần (motor PM); chọn motor có momen cực đại đủ cho đỉnh tải.
• Motor lồng sóc kêu rè, không chịu khởi động sau khi quấn lại. Quấn sai bước, sai số cực, hoặc điện áp thấp. Kiểm tra sơ đồ quấn so với motor gốc, đo điện áp khi khởi động.

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

• Khái niệm cần vững? Từ trường quay, tốc độ đồng bộ Ns = 120f/P, độ trượt, momen cực đại, công suất tác dụng – phản kháng, cosφ trễ và sớm, góc tải của máy đồng bộ.
• Học loại nào trước? Motor không đồng bộ rotor lồng sóc trước (đọc động cơ điện không đồng bộ và motor cảm ứng), sau đó máy phát đồng bộ, motor đồng bộ kích từ điện, cuối cùng PMSM, SynRM, servo.
• Thí nghiệm gì để thấy khác biệt? Đo tốc độ motor không đồng bộ khi không tải và có tải để tính độ trượt; với motor đồng bộ nhỏ (hoặc servo), thay đổi tải trong giới hạn và thấy tốc độ không đổi.
• Đường cong V của motor đồng bộ là gì, sao cần học? Đó là quan hệ dòng stator theo dòng kích từ ở một mức tải: thiếu kích từ thì cosφ trễ, quá kích từ thì cosφ sớm. Hiểu đường cong V là hiểu vì sao motor đồng bộ bù được công suất phản kháng.
• Dụng cụ cần thành thạo? Ampe kìm, đồng hồ đo cosφ/công suất, tachometer, megomet; đọc được tem cả hai loại motor.

Nội Dung Có Thể Bạn Quan Tâm:

• Động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc: nguyên lý làm việc và sơ đồ khởi động
• Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ 3 pha, cách phân loại
• Motor điện 3 pha: cấu tạo, ký hiệu, tiêu chuẩn thiết kế
• Giá motor 3 pha Hitachi, Toshiba, Mitsubishi, ABB, Siemens, giá quấn lại motor
• Biến tần điều khiển tốc độ motor 3 pha, lợi ích, khái niệm
• Động cơ Parma và chất lượng motor điện
• Cách đấu điện motor 1 pha, đấu tụ, đảo chiều