Động cơ đồng bộ là gì? Cấu Tạo Và Ứng Dụng Của Nó

Động cơ đồng bộ (Synchronous motor) là một loại động cơ điện xoay chiều mà tốc độ quay của rotor luôn trùng khớp (đồng tốc) với tốc độ từ trường quay do stator tạo ra, vì vậy tốc độ vận hành gần như không đổi ngay cả khi tải biến thiên trong giới hạn cho phép. Do thường cần kích từ DC (với dòng kích từ ngoài) nên cấu tạo và điều khiển phức tạp hơn, bù lại hiệu suất cao và khả năng điều khiển tốc độ/vị trí chính xác. Cùng DOBACO tìm hiểu chi tiết trong bài viết.

Động cơ đồng bộ là gì?

Sự khác biệt giữa động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ

Động cơ đồng bộ (Synchronous motor) là loại động cơ có tốc độ rotor trùng với tốc độ quay của từ trường stator, nên vận tốc quay rất ổn định và chuẩn xác. Thông thường rotor cần kích từ DC (trừ dòng nam châm vĩnh cửu), vì vậy hiệu suất thường cao, nhưng giá thành cao hơn và hay dùng cho các ứng dụng đòi hỏi tốc độ giữ ổn định như máy CNC, máy phát điện.

Ngược lại, động cơ không đồng bộ (Asynchronous/Induction motor) có tốc độ rotor luôn thấp hơn tốc độ từ trường stator do tồn tại độ trượt, nên tốc độ có thể giảm nhẹ khi tải tăng. Rotor kiểu lồng sóc khá đơn giản, không cần nguồn kích từ ngoài, chi phí mềm và cực kỳ phổ biến, dùng rộng rãi trong bơm, quạt, băng tải. Ví dụ ở 50 Hz, động cơ 4 cực có tốc độ từ trường khoảng 1.500 vòng/phút; động cơ không đồng bộ thường chạy thấp hơn khoảng ~1–5% tùy tải và thiết kế.

Bảng so sánh chi tiết

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ về cơ bản gồm Stator (phần tĩnh tạo từ trường quay) và Rotor (phần quay tạo từ trường riêng, có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc dây quấn kích từ DC). Khi vận hành, từ trường quay của stator tương tác với từ trường gần như không đổi của rotor, khiến rotor quay đúng tốc độ đồng bộ theo tần số nguồn, nhờ đó tốc độ ổn định, ít dao động. Nguyên lý có thể tóm tắt theo 3 bước: tạo từ trường quay (stator) → tạo từ trường rotor (kích từ/PM) → đồng bộ hóa (rotor bị “khóa” theo từ trường quay). Ví dụ, với nguồn 3 pha 50 Hz, tốc độ đồng bộ thường gặp là ~1.500 vòng/phút (4 cực) hoặc ~3.000 vòng/phút (2 cực).

Cấu tạo cơ bản

1) Stator (phần ứng – phần tĩnh)

• Là bộ phận đứng yên, gồm lõi thép kỹ thuật điện ghép từ nhiều lá mỏng để giảm tổn hao do dòng xoáy và cuộn dây stator đặt trong các rãnh.

• Khi cấp điện AC 3 pha, stator tạo ra từ trường quay (Rotating Magnetic Field – RMF).

2) Rotor (phần cảm – phần quay)

• Nằm bên trong stator và quay theo trục, phổ biến có 2 dạng:

  • Rotor dây quấn kích từ: cấp nguồn DC qua vành trượt – chổi than để tạo từ trường (nam châm điện quay).

  • Rotor nam châm vĩnh cửu: dùng nam châm có từ tính ổn định, không cần cấp DC ngoài.

• Trên rotor có các cực từ Bắc/Nam để tương tác với từ trường quay của stator.

3) Bộ kích từ (Exciter)

• Cấp DC cho rotor nếu dùng rotor dây quấn (loại nam châm vĩnh cửu thì thường không cần bộ kích từ riêng).

Nguyên lý hoạt động

Bước 1: Tạo từ trường quay (Stator)

• Cấp điện 3 pha AC vào cuộn dây stator → hình thành từ trường quay với tốc độ đồng bộ nsn_sns​.

Bước 2: Tạo từ trường rotor (Kích từ/PM)

• Cấp DC cho cuộn kích từ (hoặc dùng nam châm vĩnh cửu) → rotor có từ trường riêng và tạo các cực từ rõ ràng.

Bước 3: Đồng bộ hóa và quay

• Các cực từ rotor bị hút – đẩy bởi từ trường quay stator → rotor bị “khóa” theo từ trường quay và quay với n=nsn = n_sn=ns​.

• Do quay đồng tốc nên hầu như không có trượt (slip) như động cơ không đồng bộ.

• Nếu mô-men tải vượt quá mô-men mà động cơ tạo ra (thường vượt quá một ngưỡng nhất định, ví dụ tăng tải đột ngột), rotor có thể mất đồng bộ và dừng/giật cho đến khi được khôi phục điều kiện đồng bộ.

Phân loại động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ thường được phân nhóm theo cách tạo từ trường rotor (kích từ) và theo cấu trúc, phổ biến gồm: động cơ kích từ độc lập (cuộn dây kích từ DC), động cơ nam châm vĩnh cửu – PMSM, động cơ đồng bộ từ trở – RSM, động cơ từ trở chuyển mạch – SRM, và động cơ bước (Stepper). Điểm chung của các dòng này là rotor quay đồng tốc với từ trường quay của stator, nên tốc độ ổn định và chính xác (ví dụ ở 50 Hz, loại 4 cực thường cho tốc độ đồng bộ khoảng 1.500 vòng/phút).

Phân loại theo phương pháp kích từ & cấu trúc

1) Động cơ đồng bộ kích từ độc lập (Excited Synchronous Motor)

• Rotor dùng cuộn dây kích từ DC và cấp nguồn từ bên ngoài (thường qua vành trượt/chổi than hoặc hệ kích từ).

• Dùng nhiều trong công nghiệp, có thể điều chỉnh hệ số công suất/công suất phản kháng tùy chế độ kích từ.

2) Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor – PMSM)

• Rotor gắn nam châm vĩnh cửu (thường là nam châm có lực từ mạnh), tạo từ trường mà không cần kích từ DC.

• Ưu điểm hay gặp: hiệu suất cao, gọn nhẹ, phản hồi tốt; ứng dụng nhiều trong xe điện, robot, tự động hóa (công suất có thể từ vài trăm W đến vài chục kW tùy hệ).

3) Động cơ đồng bộ từ trở (Reluctance Synchronous Motor – RSM)

• Rotor có kết cấu từ trở đặc biệt, tạo mô-men nhờ sự chênh lệch từ trở theo hướng quay.

• Không cần nam châm hoặc cuộn kích từ phức tạp → cấu tạo đơn giản hơn, chi phí thường dễ chịu.

4) Động cơ từ trở chuyển mạch (Switched Reluctance Motor – SRM)

• Có thể xem là một nhánh của nhóm từ trở, điều khiển theo kiểu đóng/cắt từng pha – từng cực.

• Ưu điểm nổi bật: bền, chịu môi trường khắc nghiệt tốt, kết cấu “khỏe”; đổi lại thường cần mạch điều khiển tối ưu để giảm ồn/rung.

5) Động cơ bước (Stepper Motor)

• Quay theo góc bước cố định (ví dụ phổ biến 1,8°/bước tương ứng 200 bước/vòng), thuận lợi cho điều khiển vị trí.

• Nhiều loại stepper có nguyên lý gần với PMSM hoặc từ trở ở kích thước nhỏ.

Phân loại theo nguồn cấp & ứng dụng

• Động cơ đồng bộ 1 pha / 3 pha: phân theo số pha nguồn điện (3 pha thường gặp trong công nghiệp).

• Động cơ đồng bộ Servo: tối ưu cho điều khiển tốc độ – vị trí độ chính xác cao, kết hợp cảm biến/driver trong các hệ truyền động tự động.

Ưu, nhược điểm của động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ nổi bật nhờ hiệu suất cao, tốc độ giữ ổn định gần như tuyệt đối, hệ số công suất tốt (có thể hỗ trợ bù phản kháng, giúp điện lưới “dễ thở” hơn) và mật độ công suất lớn nên thiết kế thường gọn mà vẫn mạnh, phù hợp với tải nặng hoặc ứng dụng cần độ chính xác. Dù vậy, nhược điểm là không tự khởi động, cấu trúc phức tạp hơn, chi phí đầu tư ban đầu cao, nhiều loại cần nguồn kích từ DC riêng, và đôi khi có thể dao động khi tải biến thiên đột ngột. Ví dụ ở hệ 50 Hz, động cơ 4 cực giữ tốc độ đồng bộ quanh 1.500 vòng/phút, gần như không đổi khi tải tăng trong giới hạn cho phép.

Ưu điểm của động cơ đồng bộ

• Tốc độ ổn định và chính xác: Rotor quay đúng tốc độ từ trường stator, hầu như không có trượt, nên tốc độ bám theo tần số nguồn rất tốt.

• Hiệu suất cao: Tổn hao do trượt gần như không đáng kể; ở dải công suất lớn, hiệu suất thường nhỉnh hơn so với động cơ không đồng bộ, giúp tiết kiệm điện khi vận hành lâu dài.

• Hệ số công suất cao (cos φ): Có thể vận hành gần cosφ ≈ 1, thậm chí điều chỉnh chế độ kích từ để bù công suất phản kháng, góp phần cải thiện chất lượng điện năng.

• Mật độ công suất lớn: Cùng mức công suất, động cơ đồng bộ thường nhỏ gọn hơn (đặc biệt dòng PMSM), thuận lợi khi không gian lắp đặt hạn chế.

• Khả năng chịu quá tải ngắn hạn: Có thể chịu quá tải tạm thời tốt hơn trong một số ứng dụng (miễn không vượt quá giới hạn làm mất đồng bộ).

Nhược điểm của động cơ đồng bộ

• Không tự khởi động: Thường cần giải pháp hỗ trợ như cuộn giảm chấn, biến tần, hoặc cơ cấu khởi động khác để đưa rotor lên gần tốc độ đồng bộ.

• Chi phí cao: Giá chế tạo, lắp đặt và bảo dưỡng thường cao hơn động cơ không đồng bộ; riêng dòng nam châm vĩnh cửu còn phụ thuộc giá vật liệu nam châm.

• Cấu tạo phức tạp: Nhất là loại rotor dây quấn kích từ, có thể cần vành trượt – chổi than và hệ kích từ, làm hệ thống “nhiều phần” hơn.

• Yêu cầu bảo trì: Nếu dùng chổi than/vành trượt thì phải kiểm tra – thay thế định kỳ (thường sau một số nghìn giờ chạy tùy môi trường bụi/nhiệt).

• Dễ dao động khi tải đổi đột ngột: Có thể xuất hiện hiện tượng hunting (dao động pha) nếu tải biến thiên nhanh; cần điều khiển và lựa chọn công suất phù hợp để hạn chế.

Ứng dụng động cơ đồng bộ