Động cơ điện đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta - nơi chúng ta sống, làm việc và vui chơi.Nói một cách đơn giản, họ làm cho hầu hết mọi thứ chuyển động, di chuyển.Gần 70% điện năng tiêu thụ của ngành công nghiệp được sử dụng bởi các hệ thống động cơ điện.1

Khoảng 75% động cơ công nghiệp đang hoạt động được sử dụng để chạy máy bơm, quạt và máy nén, một loại máy móc rất dễ bị ảnh hưởng bởi những cải tiến hiệu suất lớn2.Các ứng dụng này thường hoạt động với tốc độ không đổi, mọi lúc, ngay cả khi không cần thiết.Hoạt động liên tục này gây lãng phí năng lượng và tạo ra khí thải CO2 không cần thiết, nhưng bằng cách kiểm soát tốc độ của động cơ, chúng ta có thể giảm tiêu thụ điện năng, tiết kiệm năng lượng và giảm tác động đến môi trường.

Một cách để điều khiển tốc độ của động cơ là thông qua việc sử dụng bộ biến tốc (VSD), một thiết bị điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điện bằng cách thay đổi tần số và điện áp cung cấp cho động cơ.Bằng cách kiểm soát tốc độ của động cơ, bộ truyền động có thể giảm tiêu thụ điện năng (ví dụ: giảm 20% tốc độ thiết bị quay có thể giảm yêu cầu công suất đầu vào khoảng 50 %3) và cung cấp một cải tiến đáng kể trong việc kiểm soát quá trình và tiết kiệm chi phí vận hành đáng kể trong suốt cuộc đời của moA hữu ích như VSD là để tiết kiệm năng lượng trong nhiều ứng dụng, chúng có thể gây ra hỏng động cơ sớm nếu không được nối đất đúng cách.Trong khi có nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra lỗi động cơ điện, vấn đề phổ biến nhất khi sử dụng ổ trục là hỏng ổ trục do điện áp chế độ chung gây ra.

Thiệt hại do điện áp chế độ chung gây ra

Trong hệ thống xoay chiều ba pha, điện áp chế độ chung có thể được định nghĩa là sự mất cân bằng hiện diện giữa ba pha được tạo ra bởi công suất điều chế độ rộng xung của biến tần hoặc chênh lệch điện áp giữa nguồn điện mặt đất và điểm trung tính của ba pha tải pha.Điện áp chế độ chung dao động này tạo ra điện áp tĩnh điện trên trục của động cơ và điện áp trục này có thể phóng qua các cuộn dây hoặc qua các ổ trục.Thiết kế kỹ thuật hiện đại, cách điện pha và dây chống tăng đột biến biến tần có thể giúp bảo vệ các cuộn dây;tuy nhiên, khi rôto nhìn thấy sự tích tụ của các xung đột biến điện áp, thì dòng điện sẽ tìm kiếm con đường có điện trở ít nhất so với mặt đất.Trong trường hợp của động cơ điện, đường dẫn này chạy trực tiếp qua các ổ trục.

Vì các ổ trục động cơ sử dụng mỡ để bôi trơn, dầu trong mỡ tạo thành một màng hoạt động như một chất điện môi, có nghĩa là nó có thể truyền lực điện mà không cần dẫn điện.Tuy nhiên, theo thời gian, chất điện môi này bị hỏng.Nếu không có đặc tính cách điện của mỡ, điện áp trục sẽ phóng qua các ổ trục, sau đó qua vỏ động cơ, để đạt được điện nối đất.Sự chuyển động này của dòng điện gây ra hồ quang trong vòng bi, thường được gọi là gia công phóng điện (EDM).Khi sự phóng điện liên tục này xảy ra theo thời gian, các khu vực bề mặt trong ổ trục trở nên giòn và các mảnh kim loại nhỏ có thể bị vỡ bên trong ổ trục.Cuối cùng, vật liệu bị hư hỏng hoạt động theo cách của nó giữa các viên bi và rãnh của ổ trục, gây ra hiệu ứng mài, có thể tạo ra vết rỗ có kích thước cỡ micrômet, được gọi là sương giá, hoặc các đường gờ giống như tấm ván rửa trong rãnh ổ trục, được gọi là rãnh.

Một số động cơ có thể tiếp tục chạy khi hư hỏng ngày càng nặng hơn mà không có bất kỳ vấn đề đáng chú ý nào.Dấu hiệu đầu tiên của sự hư hỏng ổ trục thường là một tiếng ồn có thể nghe được, do các viên bi ổ trục di chuyển qua các khu vực bị rỗ và đóng băng.Nhưng vào thời điểm tiếng ồn này xảy ra, thiệt hại thường đã trở nên nghiêm trọng đến mức có thể xảy ra hỏng hóc.

Có căn cứ để phòng ngừa

Các ứng dụng công nghiệp thường không gặp phải những khó khăn này đối với động cơ có tốc độ thay đổi, nhưng trong một số cài đặt, chẳng hạn như các tòa nhà thương mại và xử lý hành lý ở sân bay, không phải lúc nào cũng có sẵn hệ thống nối đất chắc chắn.Trong những trường hợp này, phải sử dụng một phương pháp khác để chuyển hướng dòng điện này ra khỏi ổ trục.Giải pháp phổ biến nhất là thêm thiết bị nối đất trục vào một đầu của trục động cơ, đặc biệt là trong các ứng dụng mà điện áp chế độ chung có thể phổ biến hơn.Nối đất trục thực chất là một phương tiện để nối rôto quay của động cơ với đất nối đất thông qua khung của động cơ.Việc thêm một thiết bị nối đất trục vào động cơ trước khi lắp đặt (hoặc mua một động cơ đã được lắp đặt sẵn) có thể là một cái giá nhỏ phải trả khi so sánh với giá của chi phí bảo trì liên quan đến việc thay thế ổ trục, chưa kể chi phí cao của thời gian chết trong một cơ sở.

Có một số loại thiết bị nối đất trục phổ biến trong ngành công nghiệp ngày nay, chẳng hạn như chổi than, chổi sợi kiểu vòng và bộ cách ly ổ trục tiếp đất, và các phương pháp bảo vệ ổ trục khác cũng có sẵn.

Chổi than đã được sử dụng hơn 100 năm và tương tự như chổi than được sử dụng trên cổ góp động cơ DC.Chổi nối đất cung cấp kết nối điện giữa các phần quay và phần tĩnh của mạch điện của động cơ và đưa dòng điện từ rôto xuống đất để điện tích không tích tụ trên rôto đến điểm nó phóng điện qua các ổ trục.Chổi nối đất cung cấp một phương tiện thiết thực và kinh tế để cung cấp một đường dẫn trở kháng thấp tới mặt đất, đặc biệt là đối với động cơ khung lớn hơn;tuy nhiên, chúng không phải là không có nhược điểm của chúng.Cũng như đối với động cơ điện một chiều, chổi than có thể bị mài mòn do tiếp xúc cơ học với trục, và bất kể thiết kế của giá đỡ chổi than như thế nào, việc lắp ráp phải được kiểm tra định kỳ để đảm bảo chổi và trục tiếp xúc thích hợp.

Vòng nối đất trục hoạt động giống như một chổi than, nhưng chúng chứa nhiều sợi sợi dẫn điện được sắp xếp bên trong một vòng quanh trục.Bên ngoài của vòng đệm, thường được gắn vào tấm cuối của động cơ, vẫn đứng yên, trong khi chổi chạy trên bề mặt của trục động cơ, hướng dòng điện qua chổi và tiếp đất an toàn.Các vòng nối đất trục có thể được gắn bên trong động cơ, cho phép chúng được sử dụng cho động cơ làm nhiệm vụ rửa và làm bẩn.Tuy nhiên, không có phương pháp nối đất trục nào là hoàn hảo và các vòng nối đất gắn bên ngoài có xu hướng tích tụ các chất gây ô nhiễm trên lông của chúng, điều này có thể làm giảm hiệu quả của chúng.

Bộ cách ly ổ trục tiếp đất kết hợp hai công nghệ: tấm chắn cách ly không tiếp xúc gồm hai phần, sử dụng thiết kế mê cung để ngăn chặn sự xâm nhập của chất gây ô nhiễm và rôto kim loại và vòng dây dẫn cách ly để chuyển hướng dòng trục ra khỏi ổ trục.Vì các thiết bị này cũng ngăn ngừa sự mất mát và nhiễm bẩn của chất bôi trơn, chúng thay thế các vòng đệm tiêu chuẩn và bộ cách ly ổ trục truyền thống.

Một cách khác để ngăn chặn dòng điện phóng qua vòng bi là sản xuất vòng bi từ vật liệu không dẫn điện.Trong ổ trục bằng sứ, bi phủ sứ bảo vệ ổ trục bằng cách ngăn dòng trục chạy qua ổ trục đến động cơ.Vì không có dòng điện nào chạy qua các ổ trục của động cơ, nên có rất ít khả năng xảy ra hiện tượng mài mòn do dòng điện gây ra;tuy nhiên, dòng điện sẽ tìm đường xuống đất, có nghĩa là nó sẽ đi qua thiết bị kèm theo.Vì vòng bi gốm sẽ không loại bỏ dòng điện khỏi rôto, nên chỉ các ứng dụng truyền động trực tiếp cụ thể mới được khuyến nghị cho động cơ có vòng bi sứ.Những hạn chế khác là chi phí cho kiểu vòng bi động cơ này và thực tế là các vòng bi thường chỉ có đến cỡ 6311.

Đối với động cơ lớn hơn 100 mã lực, thường nên lắp ổ trục cách điện ở đầu đối diện của động cơ có lắp thiết bị nối đất trục, bất kể kiểu nối đất trục nào được sử dụng.

Ba mẹo cài đặt ổ đĩa tốc độ thay đổi

Ba lưu ý đối với kỹ sư bảo trì khi cố gắng giảm điện áp chế độ chung trong các ứng dụng tốc độ thay đổi là:

1. Đảm bảo rằng động cơ (và hệ thống động cơ) được nối đất đúng cách.
2. Xác định cân bằng tần số sóng mang phù hợp, điều này sẽ giảm thiểu mức độ nhiễu cũng như sự mất cân bằng điện áp.
3. Nếu thiết bị nối đất trục được cho là cần thiết, hãy chọn một thiết bị hoạt động tốt nhất cho ứng dụng.

Khi có dòng điện ổ trục, không có một kích thước nào phù hợp với tất cả các giải pháp.Điều quan trọng là khách hàng và nhà cung cấp động cơ và ổ đĩa phải làm việc cùng nhau để xác định giải pháp thích hợp nhất cho ứng dụng cụ thể.