Động cơ điện hoạt động như thế nào: Lựa chọn, tính toán và khắc phục sự cố

Động cơ điện AC hoạt động như thế nào

Động cơ điện xoay chiều chuyển đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành chuyển động quay cơ học thông qua cảm ứng điện từ. Nguyên lý hoạt động dựa trên hai thành phần cốt lõi: stato (bộ phận bên ngoài cố định của cuộn dây đồng quấn) và cánh quạt (cụm trục quay bên trong). Khi đặt điện áp xoay chiều vào cuộn dây stato, nó sẽ tạo ra một từ trường quay. Rôto - dù là lồng sóc, rôto quấn hay cụm nam châm vĩnh cửu - đều phản ứng với từ trường quay này và được kéo vào chuyển động.

Trong động cơ cảm ứng (loại AC phổ biến nhất), trường stato quay tạo ra dòng điện trong dây dẫn rôto theo định luật cảm ứng điện từ Faraday. Dòng điện cảm ứng này tạo ra từ trường riêng, từ trường này tương tác với từ trường stato để tạo ra mômen quay. Rôto không bao giờ bắt kịp từ trường quay của stato - sự khác biệt về tốc độ được gọi là trượt , thường là 2–5% tốc độ đồng bộ. Chính sự trượt này duy trì dòng điện cảm ứng và do đó duy trì mô-men xoắn. Ở tốc độ đồng bộ chính xác, cảm ứng sẽ dừng và mô-men xoắn sẽ giảm về không.

Tốc độ đồng bộ (tính bằng vòng/phút) được xác định bởi tần số nguồn và số cực từ: N = (120 × f) → P , trong đó f là tần số tính bằng Hz và P là số cực. Động cơ 4 cực trên nguồn điện 60 Hz chạy ở tốc độ đồng bộ 1.800 vòng/phút; với độ trượt thông thường, tốc độ trục thực tế là khoảng 1.725–1.760 vòng/phút.

Động cơ 3 pha hoạt động như thế nào

Động cơ ba pha là đặc trưng của các ứng dụng công nghiệp. Chúng hoạt động theo nguyên lý cảm ứng giống như động cơ một pha, nhưng có ưu điểm quan trọng: ba điện áp xoay chiều riêng biệt, lệch nhau 120° theo thời gian, được cấp tới ba bộ cuộn dây stato được bố trí đối xứng xung quanh lỗ stato. Điều này tạo ra một từ trường quay tự nhiên không có bất kỳ bộ phận khởi động phụ trợ nào - ba pha vốn đã tạo ra chuyển động quay trơn tru, tự khởi động kể từ thời điểm cấp nguồn.

Kết quả là một động cơ khởi động đáng tin cậy khi có tải, chạy với độ gợn sóng mô-men xoắn rất thấp (tổng của dạng sóng ba pha gần như không đổi) và mang lại hiệu suất cũng như mật độ công suất cao hơn so với thiết kế một pha tương đương. Động cơ ba pha chiếm khoảng 70% tổng lượng điện tiêu thụ công nghiệp trên toàn cầu, chủ yếu là do sự kết hợp giữa độ tin cậy, hiệu suất (thường là 90–97% khi đầy tải trong các lớp hiệu suất IE3/IE4) và khả năng kiểm soát tốc độ đơn giản thông qua các bộ truyền động tần số thay đổi (VFD).

Động cơ cảm ứng lồng sóc ba pha không có chổi than, không có cổ góp và các bộ phận chuyển động tối thiểu ngoài rôto và vòng bi — đó là lý do tại sao chúng hoạt động thường xuyên trong 20.000–40.000 giờ giữa các khoảng thời gian bảo dưỡng chính trong hệ thống lắp đặt được bảo trì tốt.

Động cơ không chổi than hoạt động như thế nào

Động cơ DC không chổi than (BLDC) thay thế bộ chuyển mạch cơ khí và cụm chổi than của động cơ DC truyền thống bằng chuyển mạch điện tử. Rôto mang nam châm vĩnh cửu; stator mang các cuộn dây. Bộ điều khiển - sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall hoặc cảm biến EMF ngược để phát hiện vị trí rôto - chuyển dòng điện sang các pha stato thích hợp theo trình tự, duy trì trường điện từ quay mà rôto nam châm vĩnh cửu tuân theo. Vì không có sự tiếp xúc vật lý giữa chổi than và cổ góp nên động cơ không chổi than không tạo ra tia lửa điện, tạo ra ít nhiệt hơn và không cần thay chổi than. Chúng đạt được hiệu suất 85–95% và là tiêu chuẩn trong các bộ truyền động servo, hệ thống kéo EV, máy nén HVAC và tự động hóa chính xác trong đó yêu cầu độ chính xác của việc kiểm soát tốc độ và tuổi thọ lâu dài.

Cách tính mô-men xoắn, mã lực và hiệu suất của động cơ

Tính toán mô-men xoắn

Mô-men xoắn của động cơ (T) là lực quay mà trục cung cấp, được đo bằng Newton-mét (Nm) hoặc pound-feet (lb·ft). Mối quan hệ giữa mô men xoắn, công suất và tốc độ là:

T (Nm) = P (watt) ω (rad/s) — hoặc tương đương — T (Nm) = (9.550 × P tính bằng kW) ÷ N (RPM)

Ví dụ: một động cơ 7,5 kW chạy ở tốc độ 1.450 vòng/phút tạo ra T = (9.550 × 7,5) 1.450 = 49,4 Nm của mô men xoắn trục. Theo đơn vị hệ Anh: T (lb·ft) = (5.252 × HP) `RPM. Một động cơ 10 HP ở tốc độ 1.750 vòng/phút mang lại T = (5.252 × 10) 1.750 = 30 lb·ft .

Tính toán mã lực

Công suất đầu ra của động cơ điện có thể được tính từ mômen trục và tốc độ đo được: HP = (T tính bằng lb·ft × RPM) ÷ 5,252 . Từ đầu vào điện, đầu ra HP = (V × I × PF × η × 1,732 cho 3 pha) ÷ 746, trong đó V là điện áp đường dây, I là dòng điện đường dây, PF là hệ số công suất và η là hiệu suất. Hệ số 1.732 (√3) giải thích mối quan hệ ba pha giữa đại lượng đường và pha.

Tính toán hiệu quả

Hiệu suất của động cơ điện (η) là tỷ số giữa công suất đầu ra cơ học và công suất điện đầu vào: η (%) = (Công suất đầu ra ` Công suất đầu vào) × 100 . Trong thực tế: đo công suất đầu vào (W) bằng máy phân tích công suất và công suất đầu ra trục (mô-men xoắn × vận tốc góc); chia. Tổn hao trong động cơ bao gồm tổn hao đồng (làm nóng I2R trong cuộn dây), tổn hao sắt (dòng điện xoáy và hiện tượng trễ trong lõi), tổn hao cơ học (ma sát vòng bi, gió) và tổn hao do tải tạp tán. Một động cơ chạy dưới mức tải định mức đáng kể - chẳng hạn ở mức 30–40% công suất định mức - hoạt động với hiệu suất giảm do tổn thất sắt và cơ khí cố định không đổi trong khi phần đầu ra hữu ích giảm xuống.

Cách đảo hướng động cơ

Đảo chiều động cơ 3 pha

Đảo chiều động cơ cảm ứng ba pha rất đơn giản: hoán đổi bất kỳ hai trong số ba dây dẫn giai đoạn cung cấp tại hộp đầu cuối hoặc bộ khởi động động cơ. Hoán đổi hai pha sẽ đảo ngược trình tự pha (ví dụ: từ A-B-C sang A-C-B), đảo ngược hướng của từ trường quay của stato - và do đó đảo ngược hướng quay của rôto. Điều này có thể được thực hiện bằng cách hoán vị L1 và L2 trong khi giữ nguyên L3 hoặc bất kỳ hoán đổi hai pha nào khác. Động cơ không cần phải sửa đổi bên trong. Công tắc tơ đảo chiều trong mạch khởi động động cơ sẽ tự động hóa việc này bằng cách cấp điện cho các bộ tiếp điểm đổi pha thay thế.

Cách đảo chiều động cơ một pha

Động cơ một pha không thể đảo ngược chỉ bằng cách hoán đổi dây cung cấp - chúng không có góc quay vốn có để đảo ngược. Hướng được xác định bởi cực tính tương đối của cuộn dây chính và cuộn dây khởi động (phụ). Để đảo chiều động cơ một pha, đảo ngược các kết nối của cuộn dây chính hoặc cuộn dây khởi động - nhưng không phải cả hai . Trong thực tế, hầu hết các động cơ một pha đều có dây quấn khởi động được đưa ra bảng đầu cuối dành riêng cho mục đích này, được dán nhãn T5/T8 trên các loại khởi động bằng tụ điện và chạy bằng tụ điện. Tham khảo sơ đồ nối dây của động cơ (thường được in trên vỏ bảng tên hoặc bên trong vỏ hộp thiết bị đầu cuối) để xác định đúng dây dẫn trước khi hoán đổi. Đảo chiều khi động cơ đang chạy sẽ làm hỏng tụ điện khởi động và công tắc khởi động - luôn dừng động cơ hoàn toàn trước khi đổi hướng.

Cách kiểm tra động cơ DC

Kiểm tra động cơ DC xác định một cách có hệ thống xem các vấn đề có nằm ở cuộn dây, cách điện, chổi than hoặc cổ góp hay không trước khi động cơ được ngừng hoạt động hoặc gửi đi để tua lại. Sử dụng đồng hồ vạn năng kỹ thuật số (DMM) và để kiểm tra cách điện, megohmmeter (megger) có điện áp định mức 500V hoặc 1.000V DC.

Kiểm tra điện trở cuộn dây

Ngắt kết nối tất cả các tụ điện và xả. Đo điện trở trên các cực phần ứng bằng DMM. So sánh kết quả đọc với bảng tên hoặc thông số thiết kế của động cơ. Mạch hở (điện trở vô hạn) cho biết cuộn dây bị hỏng hoặc chổi than bị nhấc lên ; điện trở rất thấp (gần bằng 0) cho thấy một vòng quay ngắn. Chỉ số điện trở phải nhất quán trên tất cả các phân đoạn cổ góp khi được đo tuần tự - chỉ số phân khúc cao hơn hoặc thấp hơn đáng kể cho thấy có lỗi cục bộ.

Kiểm tra điện trở cách điện

Sử dụng megger 500V hoặc 1.000V, đo điện trở cách điện giữa mỗi cuộn dây và khung động cơ (mặt đất). Tối thiểu 1 MΩ trên mỗi kV điện áp hoạt động là tiêu chí chấp nhận cơ bản (tiêu chuẩn IEEE 43); các giá trị dưới 1 MΩ biểu thị sự nhiễm ẩm, hư hỏng cách điện hoặc hư hỏng cuộn dây sẽ dẫn đến sự cố chạm đất khi vận hành. Động cơ mới thường đo được 100 MΩ trở lên. Bất kỳ giá trị đọc nào dưới 5 MΩ trên động cơ đang hoạt động đều cần được điều tra trước khi đưa nó trở lại hoạt động.

Kiểm tra chổi than và cổ góp

Kiểm tra trực quan chiều dài của chổi (thay thế khi mòn ít hơn một nửa chiều dài ban đầu hoặc mức tối thiểu của nhà sản xuất) và kiểm tra xem giá đỡ chổi có cho phép di chuyển tự do mà không bị ràng buộc hay không. Bề mặt cổ góp phải nhẵn và có màu đều (lớp gỉ đồng đều, sẫm màu là bình thường; vết rỗ, vết cháy hoặc mòn không đều cho thấy phóng điện hồ quang từ đoạn phần ứng bị chập hoặc cấp chổi than không chính xác). Đo áp suất lò xo bàn chải bằng máy đo lò xo - áp suất thấp gây ra hồ quang và mài mòn nhanh; áp suất quá cao gây mòn cổ góp.

Cách khắc phục sự cố động cơ điện

Việc xử lý sự cố có hệ thống tuân theo logic triệu chứng lỗi - xác định xem động cơ đang làm gì (hoặc không làm) và tìm hiểu các nguyên nhân có thể xảy ra nhất để dễ kiểm tra.

Động cơ không khởi động được

• Kiểm tra điện áp nguồn tại các cực của động cơ — điện áp thấp (dưới 90% trên nhãn) ngăn cản đủ mô-men xoắn khởi động. Sụt áp khi tải là một vấn đề phổ biến ở hiện trường.
• Kiểm tra cầu chì, cầu dao và trạng thái ngắt rơle quá tải. Chỉ đặt lại sau khi xác định được nguyên nhân quá dòng.
• Trên động cơ một pha, tụ điện khởi động bị hỏng là nguyên nhân phổ biến - động cơ kêu vo vo nhưng không quay. Kiểm tra điện dung bằng DMM có khả năng tụ điện.
• Kiểm tra liên kết cơ học trong tải được dẫn động - ngắt kết nối tải và cố gắng xoay trục bằng tay trước khi cấp điện.

Động cơ chạy nhưng bị ngắt khi quá tải

• Đo dòng điện chạy trên tất cả các pha bằng đồng hồ kẹp. So sánh với cường độ dòng điện đầy tải trên bảng tên (FLA). Quá dòng từ 10–15% so với FLA ở mức tải bình thường cho thấy động cơ có kích thước không đủ cho ứng dụng.
• Kiểm tra sự mất cân bằng pha - sự mất cân bằng điện áp lớn hơn 2% giữa các pha sẽ làm tăng sự mất cân bằng dòng điện khoảng 6–10×, nhanh chóng làm quá tải cuộn dây.
• Xác minh cài đặt rơle quá tải khớp với FLA thực tế của động cơ và hệ số dịch vụ.

Rung hoặc ồn quá mức

• Hỏng vòng bi tạo ra tiếng kêu hoặc tiếng ầm ầm the thé đặc trưng tăng theo tốc độ. Kiểm tra nhiệt độ vòng bi bằng nhiệt kế hồng ngoại - vòng bi chạy trên 90°C (194°F) sắp hỏng.
• Sự mất cân bằng của rôto tạo ra rung động ở tần số chạy 1×. Khớp nối lệch thường tạo ra rung động ở tần số chạy 1× và 2×.
• Bu lông lắp lỏng hoặc đế mềm (bề mặt lắp không bằng phẳng) sẽ khuếch đại tất cả các dấu hiệu rung và cần được sửa trước khi chẩn đoán thêm.

Nhiệt độ quá cao là nguyên nhân chính gây hỏng động cơ

Sự suy giảm nhiệt của cách điện cuộn dây là nguyên nhân lớn nhất gây ra hỏng động cơ , chiếm khoảng 30–40% tổng số lỗi động cơ trong các cuộc khảo sát công nghiệp. Quy tắc Arrhenius được trích dẫn rộng rãi về cách điện nói rằng mỗi lần tăng 10°C so với mức nhiệt độ định mức của lớp cách nhiệt sẽ làm giảm một nửa tuổi thọ hoạt động của nó . Động cơ cách điện Loại F (được định mức ở 155°C) hoạt động ổn định ở 165°C sẽ tồn tại được một nửa miễn là động cơ hoạt động trong giới hạn nhiệt của nó.

Các nguồn nhiệt động cơ quá mức bao gồm: quá tải vượt quá hệ số hoạt động, luồng khí làm mát bị chặn hoặc hạn chế (cánh tản nhiệt bẩn, đầu vào bị tắc, thông gió không đủ trong khu vực vỏ động cơ), nhiệt độ môi trường cao, mất cân bằng điện áp gây ra dòng điện tăng cao trong một hoặc nhiều pha, khởi động thường xuyên mỗi giờ vượt quá định mức nhiệt của động cơ và hỏng ổ trục làm tăng ma sát cơ học. Động cơ được trang bị cảm biến nhiệt độ cuộn dây nhiệt điện trở hoặc RTD có thể kích hoạt tắt máy trước khi tích lũy hư hỏng do nhiệt — trang bị thêm tính năng bảo vệ nhiệt độ trên các động cơ quan trọng là thước đo độ tin cậy hiệu quả về mặt chi phí.

Để bảo trì, hãy đo nhiệt độ cuộn dây trong quá trình vận hành bằng cách sử dụng nhiệt kế hồng ngoại trên khung động cơ làm thước đo và so sánh với mức tăng nhiệt độ đã điều chỉnh theo môi trường xung quanh của động cơ. Động cơ chạy ổn định ở hoặc gần giới hạn nhiệt của nó trong điều kiện tải bình thường cần được kiểm tra về hạn chế làm mát, kích thước không chính xác hoặc các vấn đề về chất lượng nguồn cung cấp trước khi xảy ra lỗi.

Cách chọn động cơ

Lựa chọn động cơ là một quá trình đa biến. Chỉ chọn mã lực - lối tắt phổ biến nhất - thường tạo ra động cơ quá khổ, kém phù hợp với cấu hình tải hoặc không tương thích với hệ thống điều khiển. Hãy thực hiện theo thứ tự các tiêu chí sau:

1. Xác định loại tải và chu kỳ làm việc

Tải mô-men xoắn không đổi (băng tải, máy bơm chuyển vị dương, máy trộn) yêu cầu động cơ cung cấp mô-men xoắn định mức trên toàn dải tốc độ. Tải mô-men xoắn thay đổi (bơm ly tâm, quạt, máy thổi) tuân theo định luật khối - nhu cầu điện năng giảm mạnh ở tốc độ giảm, khiến chúng trở thành ứng cử viên VFD tuyệt vời với tiềm năng tiết kiệm năng lượng đáng kể. Các ứng dụng làm việc không liên tục (cần cẩu, máy ép, máy nén) yêu cầu động cơ có xếp hạng cấp làm việc thích hợp (S1 đến S9 theo IEC 60034-1) để xử lý chu kỳ nhiệt mà không làm suy giảm cách điện sớm.

2. Xác định mô-men xoắn và tốc độ cần thiết

Tính toán yêu cầu mô-men xoắn của tải ở tốc độ vận hành (xem công thức mô-men xoắn ở trên). Thêm giới hạn an toàn 10–25% cho mô-men xoắn khởi động, tổn thất cơ học và khả năng thay đổi ứng dụng. Chọn động cơ có mômen định mức ở tốc độ vận hành đáp ứng hoặc vượt quá giá trị này. Tránh kích thước quá lớn bằng nhiều hơn một kích thước khung tiêu chuẩn — động cơ quá lớn chạy ở hệ số công suất thấp, làm giảm hiệu suất và lãng phí chi phí vốn.

3. Chọn loại động cơ cho ứng dụng

• Cảm ứng AC ba pha - lựa chọn đầu tiên cho các ứng dụng điều khiển tốc độ cố định hoặc điều khiển VFD trong công nghiệp. Mạnh mẽ, ít phải bảo trì, có sẵn rộng rãi ở các cấp hiệu quả IE3/IE4.
• Cảm ứng AC một pha - đối với các ứng dụng không có nguồn điện ba pha. Có sẵn các biến thể khởi động bằng tụ điện, chạy bằng tụ điện và PSC tùy thuộc vào yêu cầu mô-men xoắn khởi động.
• DC không chổi than (BLDC) — dành cho các ứng dụng có độ chính xác có tốc độ thay đổi, hệ thống servo hoặc khi tuổi thọ sử dụng lâu dài với mức bảo trì tối thiểu là rất quan trọng.
• DC shunt/vết thương phức hợp - nơi yêu cầu điều chỉnh tốc độ tốt dưới tải thay đổi và có sẵn nguồn DC; ít phổ biến hơn trong các cài đặt mới do bảo trì bàn chải.
• Động cơ chống cháy nổ (Ex) — Cần có vỏ bọc được chứng nhận ATEX hoặc UL/CSA trong môi trường khí, bụi hoặc hơi dễ cháy. Phân loại khu vực và nhóm phải phù hợp với chỉ định khu vực nguy hiểm.

4. Chỉ định lớp vỏ và lớp cách nhiệt

Lựa chọn bao vây được xác định bởi môi trường hoạt động. TEFC (Làm mát bằng quạt hoàn toàn kèm theo, IP55) là tiêu chuẩn cho hầu hết các ứng dụng công nghiệp ngoài trời và trong nhà bụi bặm. ODP (Open Drip Proof, IP23) phù hợp với môi trường trong nhà khô ráo, sạch sẽ và mang lại khả năng làm mát tốt hơn ở nhiệt độ môi trường cao. Đối với môi trường ẩm ướt hoặc bị rửa trôi, cần có xếp hạng IP66 hoặc IP67. Lớp cách điện - F (155°C) là tiêu chuẩn cho hầu hết các động cơ công nghiệp; Loại H (180°C) được chỉ định cho các ứng dụng đạp xe trong môi trường có cường độ cao hoặc tải nặng.

5. Kiểm tra giá đỡ, khung và điện áp nguồn

Xác nhận khả năng tương thích của kích thước khung IEC hoặc NEMA với cách bố trí lắp đặt (B3 gắn chân, B5 gắn mặt bích hoặc kết hợp B35). Xác minh điện áp và tần số trên bảng tên phù hợp với nguồn cung cấp sẵn có - và xác nhận động cơ có xếp hạng VFD (chế độ biến tần) nếu sử dụng bộ điều khiển tần số thay đổi. Động cơ tiêu chuẩn hoạt động trên VFD không có lớp cách điện hoạt động bằng biến tần đã làm tăng tốc độ suy giảm cuộn dây do ứng suất tăng đột biến của điện áp.