Động cơ điện xoay chiều là gì, cách thức hoạt động và cách khắc phục sự cố động cơ điện

một là gì Động cơ xoay chiều ?

Một động cơ xoay chiều là một động cơ điện chuyển đổi năng lượng điện xoay chiều (AC) thành năng lượng quay cơ học. Không giống như động cơ DC cần nguồn điện một chiều và thường bao gồm chổi than và cổ góp để quản lý hướng dòng điện, động cơ AC hoạt động trực tiếp từ điện áp hình sin do lưới điện cung cấp — khiến chúng trở thành loại động cơ chiếm ưu thế trong các ứng dụng công nghiệp, thương mại và dân dụng trên toàn thế giới.

Cơ sở lắp đặt toàn cầu của động cơ AC chiếm khoảng 45–50% tổng lượng điện tiêu thụ ở các nước công nghiệp phát triển, theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế. Chúng cung cấp năng lượng cho mọi thứ từ máy bơm ly tâm, máy nén và hệ thống băng tải trong công nghiệp nặng đến quạt HVAC, máy giặt và các dụng cụ điện trong cuộc sống hàng ngày.

Động cơ xoay chiều chia thành hai họ chính dựa trên nguyên lý cấu tạo và vận hành rôto:

• Động cơ cảm ứng (động cơ không đồng bộ) - rôto không được nối điện với nguồn điện; dòng điện được tạo ra trong rôto bởi từ trường quay của stato. Loại động cơ được triển khai rộng rãi nhất trên toàn cầu.
• Động cơ đồng bộ - rôto quay với tốc độ chính xác bằng tốc độ quay của từ trường quay của stato; yêu cầu nguồn kích thích bên ngoài (nam châm vĩnh cửu, cuộn dây kích từ DC hoặc hình học từ trở) để duy trì tính đồng bộ.

Trong hai họ này, các loại phụ khác bao gồm động cơ cảm ứng lồng sóc, động cơ cảm ứng rôto dây quấn, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM), động cơ từ trở đồng bộ (SynRM) và động cơ cảm ứng một pha - mỗi loại phù hợp với một phạm vi cụ thể của xếp hạng công suất, yêu cầu về tốc độ và chu kỳ làm việc.

Động cơ AC hoạt động như thế nào: Nguyên lý hoạt động

Hoạt động của động cơ điện xoay chiều dựa trên Định luật cảm ứng điện từ Faraday và định luật lực Lorentz. Hiểu các nguyên tắc này theo trình tự sẽ giải thích được năng lượng điện trở thành mô men xoắn của trục như thế nào.

Bước 1 - Tạo từ trường quay

Khi dòng điện xoay chiều ba pha chạy qua cuộn dây stato - chúng dịch chuyển nhau 120° quanh lỗ stato - mỗi cuộn dây tạo ra một từ trường thay đổi hình sin ở tần số nguồn (50 hoặc 60 Hz). Tổng vectơ của ba từ trường dịch chuyển theo thời gian và dịch chuyển trong không gian này tạo ra một từ trường quay (RMF) quay quanh lỗ stato với tốc độ đồng bộ, được tính như sau:

Ns = (120×f)/P

Trong đó Ns là tốc độ đồng bộ tính bằng RPM, f là tần số nguồn tính bằng Hz và P là số cực của stato. Động cơ 4 cực trên nguồn điện 50 Hz chạy ở tốc độ đồng bộ 1.500 vòng/phút; trên nguồn cung cấp 60 Hz, cùng một động cơ có tốc độ đồng bộ 1.800 vòng/phút.

Bước 2 - Dòng điện cảm ứng rôto (Động cơ cảm ứng)

Trong động cơ cảm ứng, từ trường quay quét qua các dây dẫn rôto đứng yên, tạo ra một suất điện động (EMF) trong chúng bằng tác động của máy biến áp. Do các dây dẫn rôto tạo thành các mạch kín (hoặc các thanh nhôm đúc của rôto lồng sóc hoặc cuộn dây quấn của động cơ rôto dây quấn), EMF cảm ứng sẽ truyền dòng điện qua rôto. Dòng điện rôto này tạo ra từ trường riêng, từ trường này tương tác với RMF của stato để tạo ra mômen xoắn làm tăng tốc rôto theo hướng quay của từ trường.

Bước 3 - Vận hành ở trạng thái ổn định và trượt

Khi rôto tăng tốc, tốc độ tương đối giữa dây dẫn rôto và từ trường quay của stato - gọi là trượt - giảm. Nếu rôto đạt tốc độ đồng bộ thì sẽ không có chuyển động tương đối, không có EMF cảm ứng, không có dòng điện rôto và do đó không có mômen quay. Do đó, rôto luôn chạy ở tốc độ đồng bộ thấp hơn một chút khi có tải. Độ trượt toàn tải trong động cơ cảm ứng tiêu chuẩn thường là 2–8% , nghĩa là động cơ 4 cực, 50 Hz có tốc độ đồng bộ 1.500 vòng/phút thường chạy ở tốc độ 1.380–1.470 vòng/phút dưới tải định mức.

Độ trượt tăng theo tải: khi tải cơ học trên trục tăng, rôto chậm lại so với RMF, tạo ra dòng điện rôto cao hơn và mô men xoắn cao hơn để phù hợp với nhu cầu tải — lên đến giới hạn mô men xoắn đánh thủng của động cơ. Hành vi tự điều chỉnh này làm cho động cơ cảm ứng vốn có khả năng đáp ứng tải mà không cần điều khiển bên ngoài trong các ứng dụng tốc độ cố định.

Vận hành động cơ đồng bộ

Trong động cơ đồng bộ, rôto mang nam châm vĩnh cửu hoặc cuộn dây kích thích DC tạo ra từ trường riêng. Từ trường rôto này khóa vào từ trường quay của stato và chạy theo nó với tốc độ đồng bộ chính xác - không có hiện tượng trượt. Do đó, động cơ đồng bộ cung cấp tốc độ chính xác không đổi bất kể sự thay đổi tải , khiến chúng trở thành lựa chọn ưu tiên cho các bộ truyền động chính xác, các ứng dụng tốc độ biến đổi hiệu suất cao sử dụng VFD và hiệu chỉnh hệ số công suất trong các nhà máy công nghiệp.

Các lớp hiệu suất động cơ AC và tiêu chuẩn năng lượng

Hiệu suất của động cơ AC được phân loại quốc tế theo tiêu chuẩn IEC 60034-30-1, xác định bốn mức hiệu suất — IE1 đến IE4 — trong đó IE5 ("Siêu cao cấp") được giới thiệu là cấp hướng dẫn cho các thiết kế hiệu suất cao mới nổi. Mỗi lớp IE cao hơn sẽ giảm tổn thất điện khoảng 20% ​​so với lớp bên dưới nó.

• IE1 (Tiêu chuẩn) — không còn được phép lắp đặt mới ở EU, Vương quốc Anh hoặc nhiều khu vực pháp lý khác theo Quy định về thiết kế sinh thái 2019/1781
• IE2 (Hiệu suất cao) - yêu cầu tối thiểu đối với động cơ 0,75–1.000 kW ở nhiều thị trường khi sử dụng mà không có VFD; vẫn được cài đặt rộng rãi trên toàn cầu
• IE3 (Hiệu quả cao cấp) — mức tối thiểu bắt buộc ở EU từ tháng 7 năm 2021 đối với động cơ 0,75–1.000 kW; đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn trong mua sắm công nghiệp Bắc Mỹ
• IE4 (Siêu cao cấp) - thường đạt được bằng thiết kế từ trở đồng bộ hoặc PMSM; ngày càng được chỉ định cho các bộ truyền động máy bơm, quạt và máy nén chu kỳ cao

Sự khác biệt về hiệu suất giữa IE2 và IE3 có thể có vẻ khiêm tốn trên cơ sở tỷ lệ phần trăm trên bảng tên — thường là 1–3 điểm phần trăm — nhưng chuyển thành tiết kiệm chi phí năng lượng đáng kể trong vòng đời sử dụng 15–20 năm của động cơ. Đối với động cơ 75 kW chạy 6.000 giờ mỗi năm, việc cải thiện hiệu suất 2% sẽ tiết kiệm được khoảng 9.000 kWh hàng năm , với khả năng hoàn vốn đơn giản đối với phần bù hiệu suất thường dưới 2 năm theo giá điện công nghiệp.

Cách khắc phục sự cố động cơ điện: Phương pháp chẩn đoán có hệ thống

Hiệu quả khắc phục sự cố động cơ điện tuân theo trình tự chẩn đoán có cấu trúc, chuyển từ việc kiểm tra đơn giản nhất, chi phí thấp nhất sang thử nghiệm cơ và điện phức tạp hơn. Phần lớn các lỗi động cơ rơi vào một trong bốn loại nguyên nhân gốc rễ: các vấn đề về nguồn điện, suy giảm chất cách điện, hỏng ổ trục và quá tải cơ học . Việc xác định chính xác danh mục trước khi tháo rời sẽ tiết kiệm đáng kể thời gian và tránh chẩn đoán sai.

Bước 1 - Kiểm tra nguồn điện trước

Trước khi nghi ngờ động cơ, hãy xác minh nguồn cung cấp. Đo điện áp nối dây tại các cực của động cơ (không phải ở bảng điều khiển) khi có tải. Mất cân bằng điện áp vượt quá 1% gây ra mất cân bằng dòng điện không cân xứng từ 6–10% , tạo ra nhiệt quá mức trong cuộn dây stato và làm tăng tốc độ lão hóa cách điện. Xác minh rằng cả ba pha đều có mặt, cầu chì còn nguyên vẹn và các công tắc tơ đã đóng hoàn toàn. Thiếu pha (một pha) là nguyên nhân phổ biến nhất khiến động cơ phát ra tiếng kêu nhưng không khởi động được hoặc bị ngắt ngay lập tức khi khởi động lại.

Bước 2 - Đo dòng điện chạy theo FLA trên bảng tên

Các phép đo bằng đồng hồ kẹp trên cả ba pha sẽ hiển thị các dòng điện cân bằng cách nhau trong khoảng 5% và nằm trong định mức trên bảng tên ampe đầy tải (FLA) của động cơ. Quá dòng cho thấy tình trạng quá tải cơ học, tình trạng rôto bị khóa hoặc lỗi cuộn dây đang phát triển. Dòng điện ngầm có độ rung hoặc tiếng ồn bất thường có thể cho thấy thanh rôto bị hỏng trong động cơ lồng sóc - một lỗi thường bị bỏ qua vì động cơ tiếp tục chạy với công suất mô-men xoắn giảm. Lỗi thanh rôto được xác nhận bằng phân tích dấu hiệu dòng điện động cơ (MCSA) hoặc kiểm tra thanh rôto bằng đồng hồ kẹp trong quá trình tăng tốc có kiểm soát.

Bước 3 - Kiểm tra điện trở cách điện (Megger)

Ngắt điện và khóa động cơ, sau đó đo điện trở cách điện (IR) giữa từng pha cuộn dây và mặt đất bằng cách sử dụng megohmmeter (Megger) ở điện áp thử nghiệm thích hợp - thường là 500 V DC đối với động cơ có định mức dưới 1.000 V. Theo IEEE 43-2013, giá trị IR tối thiểu là 1 MΩ trên mỗi kV điện áp định mức cộng thêm 1 MΩ là mức tối thiểu tuyệt đối đối với động cơ đang hoạt động; động cơ khỏe mạnh thường đọc 100 MΩ hoặc cao hơn. Các giá trị dưới 1 MΩ biểu thị sự xâm nhập đáng kể của hơi ẩm hoặc sự cố cách điện - không nên cấp lại năng lượng cho động cơ cho đến khi xác định và giải quyết được nguyên nhân.

Để có hình ảnh chẩn đoán rõ hơn, hãy thực hiện kiểm tra chỉ số phân cực (PI) : chia số đọc IR 10 phút cho số đọc IR 1 phút. PI trên 2,0 cho thấy khả năng cách nhiệt tốt; dưới 1,0 cho thấy sự ô nhiễm hoặc suy thoái nghiêm trọng. Thử nghiệm PI đặc biệt hữu ích để phân biệt giữa cách điện ướt (khô và cải thiện theo thời gian) và cách điện bị suy giảm về mặt hóa học (không phục hồi).

Bước 4 - Kiểm tra cân bằng điện trở cuộn dây

Sử dụng ôm kế hoặc vi ôm kế có điện trở thấp, đo điện trở DC giữa mỗi cặp pha (T1-T2, T2-T3, T1-T3 đối với động cơ ba pha). Bài đọc nên được cân bằng trong 2% của nhau . Điện trở thấp hơn đáng kể trong một cặp pha cho thấy vòng dây hoặc nhóm cuộn dây bị ngắn mạch. Điện trở hoặc mạch hở cao hơn đáng kể cho thấy dây quấn bị đứt, cuộn dây bị cháy hoặc kết nối lỏng ở khối đầu cực.

Bước 5 - Kiểm tra vòng bi và cơ khí

Hư hỏng vòng bi chiếm khoảng 40–50% tổng số lỗi động cơ cảm ứng trong dịch vụ công nghiệp, theo nghiên cứu của IEEE và EPRI. Chẩn đoán bắt đầu bằng phân tích rung động: dấu hiệu tần số khiếm khuyết của vòng bi (vòng trong, vòng ngoài, tần số quay của quả bóng hoặc lồng) hiển thị trong phổ rung động xác nhận hư hỏng vòng bi trước khi hỏng hóc nghiêm trọng. Trong trường hợp không có công cụ phân tích quang phổ, kỹ thuật gia tốc kế tiếp xúc hoặc kỹ thuật ống nghe bắt vít có thể phát hiện tiếng ồn bất thường của vòng bi — tiếng mài, tiếng rít hoặc độ nhám không liên tục — cần phải thay thế vòng bi.

Đồng thời kiểm tra trục hết và lệch trục : biên độ rung tổng thể ở tần số chạy 1× (1X) biểu thị sự mất cân bằng; độ rung mạnh 2× biểu thị độ lệch. Cả hai điều kiện đều làm tăng đáng kể độ mòn của ổ trục và cần được khắc phục bằng cách căn chỉnh chính xác bằng laser và cân bằng động trước khi đưa động cơ trở lại hoạt động.

Bước 6 - Kiểm tra nhiệt

Đo nhiệt độ hồng ngoại của khung động cơ, hộp đấu nối và cáp kết nối trong quá trình hoạt động bình thường cho thấy các điểm nóng gây ra bởi các pha không cân bằng, cuộn dây quá tải, kết nối điện trở cao hoặc đường dẫn làm mát bị chặn. Nhiệt độ khung động cơ không được vượt quá nhiệt độ môi trường định mức cộng với mức tăng nhiệt độ lớp cách điện của động cơ. Các lớp cách điện thông thường và nhiệt độ cuộn dây tối đa của chúng là: Loại B — 130°C, Loại F — 155°C, Loại H — 180°C. Hoạt động liên tục trên các giới hạn này sẽ giảm một nửa tuổi thọ cách điện khi nhiệt độ vượt quá 10°C, theo mô hình lão hóa Arrhenius được sử dụng trong IEC 60085.

Các lỗi, triệu chứng và nguyên nhân thường gặp của động cơ AC

Ma trận lỗi-triệu chứng-nguyên nhân sau đây bao gồm các sự cố động cơ AC thường gặp nhất trong môi trường dịch vụ tại hiện trường:

• Motor không khởi động được, không kêu - nguyên nhân có thể xảy ra: hở mạch nguồn, đứt cầu chì hoặc ngắt cầu dao, công tắc tơ hở hoặc cuộn dây stato bị đứt. Kiểm tra điện áp cung cấp tại các thiết bị đầu cuối đầu tiên.
• Motor kêu to nhưng không quay - nguyên nhân có thể xảy ra: một pha (thiếu một pha nguồn), rôto bị khóa do ổ trục bị kẹt hoặc kẹt cơ khí hoặc tải khởi động quá mức. Đo ngay cả điện áp ba pha.
• Động cơ khởi động nhưng liên tục bị quá tải - nguyên nhân có thể xảy ra: rơle quá tải được đặt quá thấp, quá tải cơ học từ thiết bị được dẫn động, ổ trục bị mòn làm tăng mômen ma sát hoặc điện áp nguồn quá thấp làm giảm mômen khả dụng.
• Động cơ chạy nóng trên nhiệt độ hoạt động bình thường - nguyên nhân có thể xảy ra: quá tải, mất cân bằng điện áp, thông gió bị chặn, chu kỳ làm việc không đúng hoặc cách điện kém, làm tăng tổn thất điện môi.
• Rung quá mức - nguyên nhân có thể: rôto mất cân bằng (kiểm tra sau khi sửa chữa hoặc vệ sinh rôto), lệch trục với máy được dẫn động, lỏng bu lông lắp, hư hỏng ổ trục hoặc cộng hưởng giữa động cơ và tấm đế ở tần số chạy.
• Tiếng ồn bất thường (tiếng mài, tiếng rít) - nguyên nhân có thể xảy ra: hỏng ổ trục (xác nhận bằng phân tích độ rung hoặc ống nghe), vòng đầu rôto bị lỏng, vật lạ trong khe hở không khí hoặc cánh quạt tiếp xúc với vỏ bọc.
• Chỉ số megohm thấp (<1 MΩ) — nguyên nhân có thể xảy ra: hơi ẩm xâm nhập (làm khô trong lò ở nhiệt độ 90–110°C và thử lại), nhiễm bẩn do dầu hoặc chất làm mát, hoặc cách điện bị suy giảm nhiệt cần phải quấn lại.