PHÂN TÍCH VÀ KHẮC PHỤC SỰ CỐ ĐỘNG CƠ DC

Việc đánh giá tình trạng của động cơ điện một chiều (DC) đòi hỏi sự hiểu biết cơ bản về thiết kế và các đặc tính vận hành của các loại động cơ phổ biến hiện nay: động cơ kích từ nối tiếp, động cơ kích từ song song (shunt), và động cơ kích từ hỗn hợp (compound). Mỗi loại đều có những đặc tính vận hành và ứng dụng riêng biệt, cho phép người vận hành thực hiện được nhiều nhiệm vụ đa dạng.

Việc phân tích vùng lỗi (fault zone analysis) của động cơ DC là một phần quan trọng trong bất kỳ chương trình bảo trì nào. Kiểm tra trực quan và thử nghiệm điện đối với phần ứng (armature) và các cuộn dây kích từ giúp nhân viên bảo trì hiểu rõ tình trạng của động cơ. Việc triển khai chương trình bảo trì dự đoán (predictive maintenance) sẽ nâng tầm chương trình bảo trì phòng ngừa (PM) hiện có. Chúng ta sẽ xem xét một số nghiên cứu điển hình để minh họa cho hiệu quả của một chương trình bảo trì dự đoán thành công.

Động cơ DC kích từ nối tiếp (Series DC Motor)

Các thành phần của động cơ nối tiếp bao gồm phần ứng (ký hiệu là A1 và A2) và cuộn dây kích từ (S1 và S2). Cùng một cường độ dòng điện sẽ chạy qua cả phần ứng và cuộn kích từ nối tiếp. Các cuộn dây kích từ nối tiếp được cấu tạo từ một vài vòng dây có thiết diện lớn để chịu được dòng điện cao. Điều này giúp động cơ có mô-men khởi động cao, gấp khoảng 2,25 lần mô-men tải định mức.

Phần ứng của động cơ nối tiếp thường được quấn kiểu xếp (lap wound). Kiểu quấn này phù hợp cho các ứng dụng dòng điện cao, điện áp thấp vì chúng có thêm các nhánh song song cho dòng điện chạy qua. Tuy nhiên, động cơ nối tiếp có khả năng kiểm soát tốc độ rất kém: chạy chậm khi tải nặng và chạy rất nhanh khi tải nhẹ. Tuyệt đối không bao giờ cho động cơ nối tiếp truyền động qua dây đai; nếu dây đai bị đứt, tải sẽ bị mất khiến động cơ tăng tốc quá mức (quán tính lớn) và tự phá hủy chỉ trong vài giây.

Ứng dụng phổ biến: Động cơ nối tiếp thường được dùng cho cơ cấu nâng hạ của cần trục (nơi các tải trọng lớn được nâng lên hạ xuống) hoặc các bộ truyền động cầu trục và xe con. Chúng cung cấp mô-men khởi động cần thiết để di chuyển các tải trọng lớn. Các động cơ kéo (traction motors) trên tàu hỏa cũng là loại nối tiếp để cung cấp mô-men và công suất đủ lớn nhằm di chuyển khối lượng khổng lồ. Ngay cả trong những ngày đông lạnh giá nhất, động cơ khởi động (động cơ đề) trên xe hơi của bạn chính là động cơ nối tiếp, giúp thắng được nhiệt độ cực thấp và dầu nhớt đặc để khởi động máy.

Động cơ DC kích từ song song (Shunt DC Motor)

Động cơ kích từ song song có lẽ là loại động cơ DC phổ biến nhất trong công nghiệp hiện nay. Các thành phần gồm phần ứng (A1, A2) và cuộn dây kích từ (F1, F2). Cuộn kích từ song song gồm nhiều vòng dây nhỏ, dẫn đến dòng kích từ thấp và dòng phần ứng ở mức trung bình. Loại động cơ này có mô-men khởi động thay đổi theo tải và có khả năng điều chỉnh tốc độ tốt bằng cách kiểm soát điện áp cuộn kích từ.

Nếu động cơ song song bị mất từ trường kích từ, nó sẽ tăng tốc nhẹ cho đến khi sức điện động phản hồi (CEMF) tăng đến giá trị đủ để ngắt dòng điện tạo mô-men. Nói cách khác, động cơ song song sẽ không tự phá hủy khi mất từ trường, nhưng nó sẽ không còn đủ mô-men để thực hiện công việc được thiết kế.

Ứng dụng phổ biến: Máy tiện trong xưởng cơ khí, các dây chuyền sản xuất công nghiệp nơi việc kiểm soát tốc độ và lực căng là yếu tố then chốt.

Động cơ DC kích từ hỗn hợp (Compound DC Motor)

Khi so sánh ưu điểm của hai loại trên, động cơ nối tiếp có khả năng tạo mô-men lớn hơn, trong khi động cơ song song có tốc độ ổn định và dễ kiểm soát hơn dưới các mức tải khác nhau. Hai đặc tính ưu việt này có thể kết hợp trên cùng một động cơ bằng cách đặt cả cuộn dây kích từ nối tiếp và song song trên cùng một cực từ. Đó chính là động cơ hỗn hợp.

Động cơ hỗn hợp phản ứng với sự thay đổi tải nặng tốt hơn động cơ song song vì dòng điện tăng qua các cuộn kích từ nối tiếp sẽ làm tăng cường độ từ trường, cung cấp thêm mô-men và tốc độ. Nếu một cuộn dây song song được thêm vào động cơ nối tiếp, khi ở chế độ tải nhẹ (lúc động cơ nối tiếp có xu hướng quá tốc), từ thông của cuộn song song sẽ giới hạn tốc độ tối đa, ngăn chặn sự tự phá hủy.

Ứng dụng phổ biến: Thang máy, máy nén khí, băng tải, máy ép và máy cắt sấn. Nhiều dây chuyền sản xuất được thiết kế để vận hành động cơ hỗn hợp như động cơ song song bằng cách ngắt cuộn kích từ nối tiếp. Lý do là hầu hết các động cơ có sẵn trên thị trường là loại hỗn hợp, và cuộn nối tiếp luôn có thể được kết nối sau đó để tăng thêm mô-men nếu cần.

Cách kết nối: Động cơ hỗn hợp có hai cách đấu nối: kích từ cộng (cumulative) và kích từ sai biệt/trừ (differential).

Kích từ cộng: Cuộn nối tiếp hỗ trợ cuộn song song, giúp phản ứng nhanh hơn động cơ song song thuần túy.
Kích từ sai biệt: Cuộn nối tiếp chống lại cuộn song song. Loại này đôi khi được gọi là “động cơ tự sát” vì xu hướng tự phá hủy của chúng. Nếu mạch kích từ song song đột ngột bị hở khi đang có tải, cuộn nối tiếp sẽ chiếm quyền điều khiển và làm đảo ngược cực tính của tất cả các từ trường. Kết quả là động cơ dừng lại rồi quay ngược chiều, vận hành như một động cơ nối tiếp không tải và sẽ tự phá hủy. Chúng cũng có thể khởi động ngược chiều nếu tải quá nặng, do đó rất ít khi được dùng trong công nghiệp.

Bảo trì phòng ngừa vùng lỗi (Fault Zone PM)

Chương trình PM cho động cơ DC bao gồm thử nghiệm điện và kiểm tra trực quan phần ứng, cổ góp (commutator), chổi than và các cuộn dây kích từ.

Thử nghiệm điện trở cách điện: Việc thử nghiệm cách điện với đất giúp đánh giá tình trạng ẩm ướt và bụi bẩn. Tuy nhiên, giá trị điện trở cách điện cao không nhất thiết đồng nghĩa với độ bền điện môi (dielectric strength) cao. Lớp cách điện bị hư hỏng cơ học có thể cho điện trở cao nhưng vẫn hỏng khi gặp điện áp thử nghiệm thấp. Điện trở cách điện thay đổi nghịch biến với nhiệt độ: nhiệt độ tăng từ 8 đến 15°C sẽ làm điện trở giảm đi một nửa.
Kiểm tra chổi than và cổ góp: Đây là phần rất quan trọng. Tình trạng mặt tiếp xúc của chổi than và bề mặt cổ góp cung cấp thông tin giá trị về cách động cơ phản ứng với tải và điều kiện môi trường.

Phần ứng (Armature): Cần tìm kiếm lớp cách điện bị nứt hoặc giòn, các đai quấn bị lỏng hoặc đứt, và sự nhiễm bẩn của dầu mỡ hoặc bụi đất. Kiểm tra điện trở giữa các phiến góp (bar-to-bar) sẽ phát hiện các cuộn dây bị ngắn mạch hoặc mối hàn hỏng tại các phiến nhô (risers). Kiểm tra bằng tia hồng ngoại có thể phát hiện quá nhiệt ở chổi than, cổ góp hoặc các mối nối lỏng. Nhiệt độ lý tưởng để quá trình đổi chiều diễn ra tốt là từ 120-140 °F.

Các cuộn dây kích từ (Fields): Thử nghiệm sụt áp (drop test) là phương pháp phổ biến nhất để kiểm tra ngắn mạch giữa các vòng dây. Một điện áp xoay chiều (thường là 110V) được đặt vào các đầu dây kích từ, và điện áp sụt trên mỗi cực từ được đo bằng vôn kế. Ở một động cơ khỏe mạnh, độ sụt áp trên tất cả các cực phải bằng nhau.

Cổ góp (Commutator)

Lớp màng cổ góp (film) được hình thành do phản ứng hóa học giữa bề mặt đồng, chổi than graphite và không khí xung quanh. Lớp màng này rất mỏng manh và có thể bị phá hủy do thay đổi tải hoặc môi trường. Khi quá trình đổi chiều kém, hiện tượng mòn vật lý quá mức sẽ xảy ra trên cả cổ góp và chổi than.

Các dấu hiệu nguy hiểm cần lưu ý:

Mi-ca cao (High Mica): Mi-ca là vật liệu cách điện giữa các phiến góp, thường thấp hơn bề mặt phiến khoảng 1/16 inch. Nếu phiến góp bị mòn hoặc mi-ca bị lỏng và nhô cao hơn phiến góp, sẽ gây ra hiện tượng rung chổi than (brush chatter). Có thể kiểm tra bằng cách dùng một vật cách điện (như đầu tẩy bút chì) tì lên chổi than khi động cơ đang quay để cảm nhận độ rung.
Phiến góp nhô cao (High Commutator Bars): Thường do nêm giữ các phiến góp bị lỏng. Tình trạng này gây ra tiếng ồn rung chổi than đặc trưng.

Kết luận: Vì động cơ DC rất tốn kém để thay thế và sửa chữa, việc bảo trì đúng cách là một sự cần thiết. Sử dụng phân tích vùng lỗi, kết hợp cả thử nghiệm điện và kiểm tra trực quan sẽ đảm bảo hiểu rõ tình trạng tổng thể của động cơ, cung cấp kiến thức cần thiết để duy trì hoạt động bền bỉ cho các thiết bị này.