Sự ra đời của bộ truyền động tần số thay đổi (VFD) đã cách mạng hóa việc điều khiển tự động hóa công nghiệp và hiệu quả sử dụng năng lượng của động cơ. VFD hầu như không thể thiếu trong sản xuất công nghiệp và ngay cả trong cuộc sống hàng ngày, chúng đã trở thành bộ phận không thể thiếu trong thang máy và máy điều hòa không khí có tần số-có thể thay đổi. VFD đã thâm nhập vào mọi ngóc ngách của sản xuất và đời sống hàng ngày. Tuy nhiên, họ cũng đặt ra những thách thức chưa từng có, trong đó hư hỏng động cơ là một trong những vấn đề nổi bật nhất.
Nhiều người đã quan sát thấy hiện tượng động cơ VFD làm hỏng động cơ. Ví dụ, một nhà sản xuất máy bơm gần đây thường xuyên phải đối mặt với các báo cáo từ khách hàng về các lỗi máy bơm xảy ra trong thời gian bảo hành. Trước đây, sản phẩm của nhà sản xuất này nổi tiếng về độ tin cậy. Điều tra cho thấy tất cả các máy bơm bị hư hỏng đều được dẫn động bằng bộ truyền động tần số thay đổi.
Mặc dù vấn đề hư hỏng động cơ do VFD-gây ra đang được chú ý nhưng các cơ chế cơ bản vẫn chưa rõ ràng và các biện pháp phòng ngừa phần lớn chưa được biết đến. Bài viết này nhằm mục đích giải quyết những điều không chắc chắn này.
Thiệt hại cho động cơ do VFD gây ra
Hư hỏng động cơ do VFD biểu hiện theo hai cách chính: hư hỏng cuộn dây stato và hư hỏng ổ trục, như minh họa trong Hình 1. Những hư hỏng như vậy thường xảy ra trong khoảng thời gian từ vài tuần đến hơn một năm. Khoảng thời gian cụ thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nhãn hiệu VFD, nhãn hiệu động cơ, định mức công suất động cơ, tần số sóng mang VFD, chiều dài cáp giữa VFD và động cơ cũng như nhiệt độ môi trường. Động cơ hỏng sớm gây thiệt hại kinh tế đáng kể cho doanh nghiệp. Những tổn thất này không chỉ bao gồm chi phí sửa chữa và thay thế mà quan trọng hơn là tác động tài chính do thời gian ngừng sản xuất ngoài dự kiến. Vì vậy, khi sử dụng biến tần để điều khiển động cơ, vấn đề hư hỏng động cơ cần được quan tâm đặc biệt.
Sự khác biệt giữa Ổ tần số thay đổi và Ổ tần số đường dây
Để hiểu tại sao động cơ tần số đường dây dễ bị hỏng hơn trong điều kiện biến tần, trước tiên người ta phải nắm được sự khác biệt giữa điện áp được cung cấp bởi biến tần và điện áp tần số đường dây. Sau đó, người ta phải hiểu những khác biệt này ảnh hưởng xấu đến động cơ như thế nào.
Để hiểu lý do tại sao động cơ dễ bị hư hỏng hơn trong điều kiện truyền động VFD so với vận hành tần số đường dây, trước tiên chúng ta phải kiểm tra sự khác biệt giữa điện áp do VFD cung cấp và điện áp tần số đường dây. Sau đó chúng ta phải hiểu những khác biệt này tác động tiêu cực đến động cơ như thế nào.
Cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển tần số thay đổi được thể hiện trên Hình 2, bao gồm hai phần chính: mạch chỉnh lưu và mạch biến tần. Mạch chỉnh lưu tạo thành mạch đầu ra điện áp DC sử dụng điốt và tụ lọc tiêu chuẩn. Mạch biến tần chuyển đổi điện áp DC này thành dạng sóng điện áp điều chế độ rộng xung (điện ápPWM). Do đó, dạng sóng điện áp điều khiển động cơ từ VFD là dạng sóng xung có độ rộng xung khác nhau, không phải dạng sóng điện áp hình sin. Dẫn động động cơ với điện áp xung này là nguyên nhân cơ bản gây hư hỏng động cơ.
Cơ chế hư hỏng của biến tần đối với cuộn dây Stator động cơ
Khi điện áp xung truyền qua cáp, trở kháng không khớp giữa cáp và tải sẽ gây ra phản xạ ở đầu tải. Những phản xạ này dẫn đến sự chồng chất của sóng tới và sóng phản xạ, tạo ra điện áp cao hơn đáng kể. Biên độ của chúng có thể đạt tới gấp đôi điện áp bus DC-xấp xỉ ba lần điện áp đầu vào biến tần-như minh họa trong Hình 3. Điện áp tăng đột biến quá cao đặt vào cuộn dây stato của động cơ gây ra hiện tượng tăng điện áp. Tăng điện áp thường xuyên có thể dẫn đến hỏng động cơ sớm.
Tuổi thọ thực tế của động cơ được điều khiển bởi bộ truyền động tần số thay đổi sau khi bị điện áp tăng đột biến phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ, chất bẩn, độ rung, điện áp, tần số sóng mang và quy trình sản xuất cuộn dây cách điện.
Tần số sóng mang của bộ biến tần càng cao thì dạng sóng dòng điện đầu ra càng gần với sóng hình sin. Điều này làm giảm nhiệt độ vận hành của động cơ, từ đó kéo dài tuổi thọ cách điện. Tuy nhiên, tần số sóng mang cao hơn có nghĩa là nhiều điện áp xung được tạo ra mỗi giây hơn, dẫn đến tác động lên động cơ thường xuyên hơn. Hình 4 minh họa tuổi thọ cách điện thay đổi như thế nào theo chiều dài cáp và tần số sóng mang. Biểu đồ chỉ ra rằng đối với cáp dài 200 feet, việc tăng tần số sóng mang từ 3 kHz lên 12 kHz (tăng gấp bốn lần) sẽ làm giảm tuổi thọ cách điện từ khoảng 80.000 giờ xuống 20.000 giờ (giảm bốn lần).
Ảnh hưởng của tần số sóng mang đến cách điện
Nhiệt độ động cơ càng cao thì tuổi thọ cách điện càng ngắn. Như trong Hình 5, khi nhiệt độ tăng lên 75 độ, tuổi thọ của động cơ giảm xuống chỉ còn 50%. Động cơ được điều khiển bằng bộ truyền động tần số thay đổi (VFD) có nhiệt độ cao hơn đáng kể so với động cơ được điều khiển bằng điện áp tần số tiện ích, do điện áp điều khiển có chứa tỷ lệ thành phần tần số cao-cao hơn.
Cơ chế hư hỏng của bộ truyền động tần số thay đổi đối với vòng bi động cơ
Nguyên nhân dẫn đến hư hỏng ổ trục động cơ có tần số thay đổi là do dòng điện chạy qua ổ trục xảy ra ở trạng thái kết nối không liên tục. Các mạch kết nối không liên tục sẽ tạo ra các hồ quang và các hồ quang này sẽ đốt cháy các vòng bi.
Hai nguyên nhân chính tạo ra dòng điện chạy qua vòng bi động cơ AC: thứ nhất, điện áp cảm ứng do mất cân bằng trường điện từ bên trong; thứ hai, đường dẫn dòng điện tần số cao-được tạo ra bởi điện dung tạp tán.
Trong một động cơ cảm ứng xoay chiều lý tưởng, từ trường bên trong là đối xứng. Khi dòng điện trong cuộn dây ba pha-bằng nhau và lệch pha-120 độ thì không có điện áp nào được tạo ra trên trục động cơ. Tuy nhiên, khi điện áp đầu ra từ bộ biến tần tạo ra sự bất đối xứng từ trường bên trong động cơ, điện áp sẽ xuất hiện trên trục. Điện áp này thường dao động từ 10 đến 30V, tùy thuộc vào điện áp truyền động-điện áp truyền động cao hơn dẫn đến điện áp trục cao hơn. Nếu điện áp này vượt quá cường độ cách điện của dầu bôi trơn bên trong ổ trục thì đường dẫn điện sẽ được hình thành. Khi trục quay, lớp cách điện của dầu bôi trơn sẽ định kỳ làm gián đoạn dòng điện. Quá trình này giống như hoạt động chuyển mạch của một công tắc cơ học, tạo ra hồ quang làm xói mòn bề mặt của trục, bi và vòng bi, tạo thành các hố. Nếu không có rung động bên ngoài, các vết rỗ nhỏ sẽ gây ra tác động tối thiểu. Tuy nhiên, khi kết hợp với rung động bên ngoài sẽ tạo ra các rãnh làm giảm đáng kể khả năng hoạt động của động cơ.
Ngoài ra, các thí nghiệm chỉ ra rằng điện áp trên trục cũng liên quan đến tần số cơ bản của điện áp đầu ra của bộ biến tần. Tần số cơ bản càng thấp thì điện áp trên trục càng cao, dẫn đến hư hỏng vòng bi nghiêm trọng hơn.
Trong giai đoạn vận hành ban đầu khi nhiệt độ chất bôi trơn thấp, biên độ dòng điện nằm trong khoảng từ 5 đến 200 mA. Dòng điện thấp như vậy không gây hư hỏng vòng bi. Tuy nhiên, sau khi vận hành kéo dài, khi nhiệt độ chất bôi trơn tăng lên, dòng điện cực đại có thể đạt tới 5 đến 10 A. Điều này gây ra hồ quang, hình thành các vết rỗ cực nhỏ trên bề mặt ổ trục.
Bảo vệ cuộn dây Stator động cơ
Khi chiều dài cáp vượt quá 30 mét, các bộ biến tần hiện đại (VFD) chắc chắn sẽ tạo ra điện áp tăng đột biến ở các đầu cực của động cơ, làm giảm tuổi thọ của động cơ. Hai phương pháp ngăn ngừa hư hỏng động cơ: sử dụng động cơ có cường độ đánh thủng cách điện cuộn dây cao hơn (thường được gọi là động cơ tương thích VFD) hoặc thực hiện các biện pháp để giảm điện áp tăng đột biến. Cái trước phù hợp cho các dự án mới, trong khi cái sau lý tưởng để trang bị thêm động cơ hiện có.
Hiện nay, có bốn phương pháp bảo vệ động cơ phổ biến được sử dụng:
(1) Lắp đặt cuộn kháng ở đầu ra biến tần: Đây là phương pháp được sử dụng thường xuyên nhất. Tuy nhiên, lưu ý rằng mặc dù hiệu quả đối với cáp ngắn hơn (dưới 30 mét), hiệu suất của nó đôi khi có thể dưới mức tối ưu, như trong Hình 6(c).
(2) Lắp đặt bộ lọc dv/dt ở đầu ra biến tần: Điều này phù hợp với chiều dài cáp dưới 300 mét. Mặc dù đắt hơn một chút so với lò phản ứng nhưng nó mang lại kết quả được cải thiện đáng kể, như trong Hình 6(d).
(3) Lắp đặt bộ lọc sóng sin ở đầu ra biến tần: Đây là giải pháp lý tưởng nhất. Bằng cách chuyển đổi điện áp xungPWM thành điện áp sóng hình sin, động cơ hoạt động trong các điều kiện giống hệt với điều kiện của điện áp tần số đường dây. Cách tiếp cận này giải quyết hoàn toàn vấn đề điện áp tăng vọt (điện áp tăng vọt sẽ không xảy ra bất kể chiều dài cáp).
(4) Lắp đặt bộ hấp thụ điện áp tăng đột biến ở giao diện động cơ-cáp: Hạn chế của các biện pháp trước đó là cuộn kháng hoặc bộ lọc trở nên cồng kềnh, nặng nề và tốn kém đối với động cơ-công suất cao. Ngoài ra, cả cuộn kháng và bộ lọc đều gây sụt áp làm giảm mô-men xoắn đầu ra của động cơ. Sử dụng bộ hấp thụ điện áp tăng đột biến biến tần sẽ khắc phục được những hạn chế này. Bộ hấp thụ điện áp tăng áp SVA được phát triển bởi Viện 706 của Học viện CASIC thứ hai sử dụng công nghệ điện tử công suất tiên tiến và công nghệ điều khiển thông minh, khiến nó trở thành giải pháp lý tưởng để ngăn ngừa hư hỏng động cơ. Hơn nữa, bộ giảm chấn SVA còn bảo vệ vòng bi động cơ.