Lỗi Gãy Thanh Dẫn Rotor Qua Phân Tích Rung Động

LỖI ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Tác giả: Jason Tranter | Người sáng lập & CEO, Mobius Institute Ngày 15 tháng 6 năm 2018

Trong bài viết này, chúng ta sẽ phân tích một case study thực tế về lỗi gãy thanh dẫn rotor trên động cơ điện và cách ứng dụng phân tích phổ rung động để chẩn đoán chính xác sự cố.

Đầu tiên, hãy cùng quan sát một động cơ tại một nhà máy thép ở Ấn Độ.

Đó là một động cơ cảm ứng xoay chiều (AC induction motor) bốn cực, chạy ở tốc độ 1500 vòng/phút (rpm), sử dụng ổ trượt (sleeve bearings). Động cơ dẫn động một máy hút khí gas thông qua một hộp số tăng tốc (speed-increasing gearbox).
Tôi nhận được một số phổ rung động và được yêu cầu giải thích tại sao độ rung lại thay đổi. Bạn có thể thấy các phổ bên dưới được đo với tần số tối đa (Fmax) là 30.000 CPM. Rõ ràng, có một chuỗi các hài bậc của tốc độ quay (1X harmonics). Theo bạn điều đó có nghĩa là gì?

Tất nhiên, suy nghĩ đầu tiên là lỗi lỏng cơ khí (looseness). Hay liệu có thể là thứ gì khác? Hãy cùng tìm hiểu kỹ trước khi vội vã đưa ra kết luận.
Tôi đã yêu cầu đo một phổ có độ phân giải cao với Fmax thấp hơn, vì điều này thường không được thu thập trong lộ trình kiểm tra định kỳ. Phổ bên dưới có Fmax là 12.000 CPM và 6400 dòng phân giải (lines). Bây giờ bạn có thể thấy rằng những đỉnh phổ đó không phải là các đỉnh đơn lẻ – chúng rộng ra do có các dải biên (sidebands) xung quanh mỗi đỉnh. Với độ phân giải hạn chế, không có cách nào để phát hiện ra sự hiện diện của các dải biên đó.

Vậy bây giờ bạn nghĩ tình trạng lỗi là gì? Chà, tôi nghĩ chắc chắn phải có một thanh dẫn rotor bị gãy (broken rotor bar) hoặc vòng ngắn mạch (end rings) bị hỏng hoặc một loại lỗi tương tự. Nói cách khác, dòng điện không thể chạy qua các thanh dẫn rotor một cách bình thường. Có thể là do điện trở cao hoặc một vết nứt khiến dòng điện hoàn toàn không thể chạy qua thanh dẫn rotor. Thật không may, vào lúc đó không thể thực hiện phân tích đặc trưng dòng điện động cơ (MCSA) vì phương pháp đó sẽ cho chúng ta biết chính xác điều gì đang xảy ra. Nếu bạn không chắc chắn ý tôi là gì, thì bạn sẽ thấy thú vị với phần còn lại của bài viết này.
Dù sao, tôi đã gửi gợi ý của mình cho người bạn ở Ấn Độ và họ quyết định dừng động cơ để kiểm tra rotor. Bạn có thể thấy những bức ảnh bên dưới.

Rất dễ dàng để thấy những hư hại cần phải được khắc phục.
Đó là một nghiên cứu tình huống khá nhanh gọn, nhưng như mọi khi trong phân tích rung động, bạn có hai lựa chọn để xử lý các dạng phổ như thế này. Bạn có thể đơn giản ghi nhớ rằng các dải biên nằm xung quanh vài hài bậc đầu tiên của tốc độ quay đại diện cho lỗi gãy thanh dẫn rotor (hoặc một số hư hại khác liên quan đến dòng điện chạy qua các thanh rotor); hoặc bạn có thể cố gắng hiểu điều gì thực sự đang diễn ra, từ đó hiểu tại sao các dải biên xuất hiện (và chuẩn bị tốt hơn cho lỗi này cũng như các tình trạng lỗi khác của động cơ cảm ứng).
Hãy thử làm điều đó. Hãy “thâm nhập” vào bên trong động cơ điện, trải nghiệm từ trường và tìm hiểu lý do tại sao chúng ta gặp phải hiện tượng điều biến biên độ (amplitude modulation) – suy cho cùng, đó chính là lý do tại sao chúng ta thấy các dải biên.
Điều đầu tiên bạn cần hiểu về động cơ cảm ứng là stator thực sự đang quay. Chà, không phải về mặt vật lý, mà là về mặt từ tính. Nếu bạn có một động cơ hai cực thì từ trường quay với tốc độ 3000 vòng/phút. Nếu có nhiều thời gian hơn, tôi sẽ giải thích chính xác tại sao lại như vậy, nhưng trong bài viết ngắn này, hãy tạm chấp nhận điều đó. Bạn có thể coi stator của một động cơ xoay chiều quay với tốc độ đồng bộ (synchronous speed) của nó.

Từ trường được tạo ra vì điện áp xoay chiều (có dạng sóng hình sin) được đặt vào một bộ cuộn dây. Hãy coi các cuộn dây như một ống dây (solenoid). Khi một nguồn điện áp dao động được đặt vào ống dây, một từ trường sẽ được tạo ra. Nhưng hóa ra nếu bạn đặt một cuộn dây gần một từ trường biến thiên, dòng điện sẽ được cảm ứng (induced) trong cuộn dây đó. Sự dao động là do điện áp xoay chiều hình sin – nó tăng và giảm 50 lần mỗi giây (hoặc 60 lần mỗi giây ở Mỹ và một số nơi khác) – hoặc bất kỳ tần số nào mà biến tần (VFD) cấp cho động cơ.
Vì vậy, hãy tưởng tượng một stator đã được cấp điện áp, nhưng chưa lắp rotor. Nếu bạn đưa một chiếc la bàn vào vị trí lắp rotor, kim la bàn sẽ quay với tốc độ đồng bộ (kim la bàn là một nam châm – nó có cực Bắc ở một đầu và cực Nam ở đầu kia).

Nhưng đó là một từ trường rất mạnh. Vì vậy, nếu chúng ta thay thế la bàn bằng một cuộn dây, nó sẽ chịu tác động từ trường mạnh đó và dòng điện sẽ được cảm ứng trong cuộn dây. Và điều gì xảy ra khi dòng điện chạy qua một cuộn dây? Đúng vậy, chúng ta tạo ra một từ trường. Nhưng từ trường đó sẽ bị hút bởi từ trường quay bao quanh nó – vì vậy nó quay theo. Và đó là cách động cơ hoạt động – bạn có thể coi rotor như một cuộn dây hoặc ống dây khác có dòng điện cảm ứng bên trong (đó là lý do tại sao nó được gọi là động cơ cảm ứng).

Khi dòng điện chạy qua rotor tạo ra từ trường, nó sẽ quay vì các cực Bắc và Nam của rotor sẽ “đuổi theo” từ trường quay. Nhưng bạn nghĩ điều gì sẽ xảy ra nếu rotor quay cùng tốc độ với từ trường quay của stator; tức là ở tốc độ đồng bộ? Từ góc nhìn của rotor, nó không còn nằm trong một từ trường biến thiên nữa vì nó đang quay cùng tốc độ với từ trường đó. Do đó, dòng điện không còn được cảm ứng trong rotor và không còn từ trường nữa – vì vậy nó chậm lại. Nhưng khi nó chậm lại, nó lại trải nghiệm từ trường quay một lần nữa. Khi sự khác biệt giữa tốc độ của từ trường quay và rotor nhỏ, chỉ có một dòng điện nhỏ được cảm ứng và một từ trường yếu hơn được tạo ra. Điều đó thực sự giải thích một vài hiện tượng chúng ta chứng kiến ở động cơ cảm ứng:
1. Rotor quay chậm hơn tốc độ đồng bộ. Sự chênh lệch này được gọi là tần số trượt (slip frequency).
2. Nếu tải trên rotor càng lớn thì tần số trượt sẽ càng lớn, vì bạn cần nhiều dòng điện chạy qua rotor hơn để tạo ra từ trường đủ mạnh nhằm quay rotor đang chịu tải nặng.
3. Bạn phải có tải trên động cơ để kiểm tra các thanh dẫn rotor bị gãy – nếu không có tải, sẽ hầu như không có dòng điện chạy qua các thanh rotor (và độ trượt sẽ rất nhỏ).
4. Khi khởi động động cơ, dòng điện rất mạnh cho đến khi rotor “đuổi kịp” từ trường quay. Chúng được gọi là dòng khởi động (inrush currents). Đó là lý do tại sao các động cơ khởi động và dừng thường xuyên dễ gặp các vấn đề về thanh dẫn rotor và vòng ngắn mạch hơn, và tại sao biến tần (VFD) thường được sử dụng để “khởi động mềm” động cơ (chúng tăng dần tốc độ của từ trường quay).
Vậy là bây giờ chúng ta đã biết nhiều hơn về stator, rotor, tần số trượt và từ trường. Nhưng tại sao chúng ta lại thấy hiện tượng điều biến biên độ?
Hãy tưởng tượng bạn là một thanh dẫn rotor đang quay chậm hơn một chút so với từ trường quay. Để đơn giản, hãy coi từ trường quay thực sự là một nam châm quay, với một cực Bắc lớn ở một bên động cơ và một cực Nam lớn đối diện – nhưng quay ở tốc độ đồng bộ. Vì bạn quay chậm hơn nam châm, sẽ có lúc bạn nằm trực tiếp dưới cực Bắc hoặc cực Nam. Tại thời điểm đó, bạn trải nghiệm từ trường mạnh nhất. Nhưng lúc khác, bạn nằm cách đều cực Bắc và cực Nam, đó là lúc từ trường yếu nhất.
Và mất bao lâu để đi từ vị trí dưới cực Bắc vòng quanh cho đến khi bạn lại nằm dưới cực Bắc? Có phải là tần số đồng bộ không? Không. Có phải là tốc độ quay không? Không. Đó chính là tần số trượt. Nếu tần số trượt là 1 Hz, thì cứ mỗi giây một lần bạn sẽ nằm dưới cực Bắc. Nhưng bạn đi ngang qua một trong các cực (nơi cường độ từ trường cao nhất) bao nhiêu lần? Là hai lần mỗi giây đối với động cơ hai cực, và bốn lần mỗi giây đối với động cơ bốn cực.
Nếu bạn là một thanh dẫn rotor khỏe mạnh và dòng điện có ít điện trở giữa bạn và vòng ngắn mạch, thì trong khi bạn cảm nhận được cường độ từ trường tăng và giảm, luôn có một thanh dẫn rotor khỏe mạnh khác nằm ở phần mạnh nhất của từ trường, và mọi thứ vẫn ổn định.
Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu bạn không “khỏe mạnh”? Nếu dòng điện không thể chạy qua bạn một cách bình thường? Khi đó sẽ có một sự gián đoạn trong mô hình hoạt động bình thường. Mỗi khi bạn đi ngang qua một cực, sẽ có một sự dao động. Và đó chính là nguồn gốc của rung động mà chúng ta đo được. Sự tăng và giảm khi thanh dẫn rotor bị hỏng đi ngang qua một trong các cực. Điều đó xảy ra bao nhiêu lần? Như đã thảo luận, đó là số cực nhân với tần số trượt – và nó được gọi là “tần số lướt cực” (pole-pass frequency).
Hy vọng bài viết này đã giúp bạn hiểu rõ hơn tại sao chúng ta quan sát thấy các dải biên tần số lướt cực khi có vấn đề với một hoặc nhiều thanh dẫn rotor hoặc vòng ngắn mạch.