Biến tần gây hỏng motor: nguyên nhân và giải pháp

Biến tần là thiết bị quan trọng để khởi động, điều khiển tốc độ động cơ điện và tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, nếu không được cấu hình, lắp đặt hoặc bảo trì đúng cách, biến tần có thể gây ra các sự cố nghiêm trọng, làm hỏng động cơ, tăng chi phí sửa chữa và dẫn đến thời gian ngừng hoạt động kéo dài.

Dưới đây là các nguyên nhân phổ biến khiến biến tần gây hỏng động cơ, cùng với các giải pháp hiệu quả để khắc phục, được tổng hợp từ kinh nghiệm thực tế và dữ liệu kỹ thuật.

Dòng điện trục làm hỏng vòng bi của motor

Nguyên nhân:
biến tần tạo ra dòng điện trục (shaft currents) chạy qua động cơ và phóng điện vào vòng bi, gây ra hiện tượng pitting (rỗ), frosting (sần) và fluting (rãnh). Những hư hỏng này làm vòng bi mất khả năng hoạt động, kéo theo chi phí sửa chữa (khoảng 1/3 chi phí quấn lại cuộn dây) và thời gian dừng máy.

• Lắp vòng nối đất trục (shaft grounding rings) hoặc dây đai nối đất để chuyển hướng dòng điện trục ra khỏi vòng bi.
• Sử dụng vòng bi gốm hoặc lớp cách điện cho vỏ động cơ để ngăn dòng điện chạy qua vòng bi.
• Áp dụng lớp phủ cách điện cho vòng bi để giảm thiểu phóng điện.
• Kết hợp nhiều giải pháp (ví dụ: vòng nối đất + lớp phủ cách điện) tùy theo ứng dụng cụ thể, sau khi tư vấn với kỹ sư hệ thống.

Lưu ý: Nếu không khắc phục nguyên nhân gốc rễ, vòng bi sẽ tiếp tục hỏng, gây thiệt hại lâu dài. Một số nhà sản xuất động cơ từ chối bảo hành lỗi vòng bi do biến tần.

Biến tần khiến động cơ bị cháy do quá nhiệt

Nguyên nhân:
Khi biến tần chạy động cơ ở tốc độ thấp, quạt làm mát gắn trên rô-to cũng quay chậm, làm giảm khả năng làm mát. Điều này khiến động cơ nóng hơn, giảm tuổi thọ và có thể gây cháy động cơ, yêu cầu thay mới hoàn toàn.

Việc sử dụng biến tần làm mất hiệu lực hệ số chịu quá tải của động cơ trong điều kiện thông thường, đặc biệt khi chạy dưới tốc độ định mức (dưới 50Hz, hoặc thấp hơn 20Hz trong thời gian dài).

Giải pháp:

• Chọn động cơ có hệ số quá tải ≥ 1.15 để có biên độ nhiệt tốt hơn, giúp động cơ chịu được nhiệt độ cao khi chạy chậm.
• Lắp quạt thổi tốc độ cố định để duy trì làm mát liên tục, bất kể tốc độ động cơ.
• Tránh chạy động cơ ở tốc độ quá thấp trong thời gian dài, trừ khi có hệ thống làm mát bổ sung.
• Giám sát nhiệt độ động cơ thường xuyên bằng cảm biến nhiệt để phát hiện sớm nguy cơ quá nhiệt.

Lưu ý: Động cơ quá nóng có thể gây hỏng hoàn toàn, đặc biệt trong các ứng dụng chạy tốc độ thấp kéo dài.

Dây dẫn dài làm tăng điện áp đỉnh

Nguyên nhân:
Trong các ứng dụng có dây dẫn dài (>100 feet hoặc 30 mét), xung PWM của biến tần tích lũy, tạo ra đỉnh điện áp cực cao (có thể vượt 1500V), đủ mạnh để phá hủy lớp cách điện và làm chập cuộn dây. Vấn đề này xảy ra ngay cả với động cơ định mức biến tần chất lượng cao (ví dụ: 8 động cơ Baldor 500 HP cháy trong 3 tháng với dây dẫn <400 feet). Các ứng dụng như bơm chìm (submersible pump) đặc biệt dễ bị ảnh hưởng do khó thay thế động cơ.

• Chọn biến tần có chế độ PWM mềm (soft PWM), tự động điều chỉnh công tắc transistor để giới hạn điện áp đỉnh trên động cơ đạt chuẩn NEMA MG1 Part 31.
• Lắp bộ lọc dV/dt tại đầu ra biến tần để giảm điện áp đỉnh xuống ~975V (hệ thống 480V), phù hợp cho động cơ đạt chuẩn NEMA MG1 Part 30 hoặc 31.
• Sử dụng bộ lọc sóng sin để chuyển PWM thành sóng sin sạch, giới hạn điện áp đỉnh dưới 800V (hệ thống 480V). Tuy chi phí cao, đây là giải pháp tối ưu cho các ứng dụng quan trọng.
• Kiểm tra kỹ hệ thống dây dẫn, đảm bảo tối ưu hóa độ dài và chất lượng dây, đặc biệt trong các ứng dụng dây dài hoặc môi trường khắc nghiệt.

Lưu ý: Chi phí thay thế động cơ ở các vị trí khó tiếp cận (như bơm chìm) rất cao, vì vậy cần cấu hình đúng ngay từ đầu để tránh rủi ro.

Các vấn đề bổ sung liên quan đến biến tần

Sóng hài do biến tần gây ra

• Nguyên nhân: biến tần tạo ra sóng hài làm ô nhiễm nguồn điện, có thể gây vấn đề với nhà cung cấp điện và làm hỏng thiết bị khác trong hệ thống. Tiêu chuẩn IEEE-519 quy định mức sóng hài cho phép.
• Giải pháp:
  • Lắp bộ lọc sóng hài thụ động, biến tần đa xung (12 hoặc 18 xung), hoặc bộ lọc sóng hài chủ động để giảm sóng hài.
  • Làm việc với kỹ sư hệ thống để đảm bảo tuân thủ IEEE-519 và bảo vệ hệ thống điện.

Rủi ro khi chạy quá tốc độ

• Chạy động cơ ở tốc độ cao hơn định mức (overspeeding) bằng biến tần có thể gây rung động mạnh, làm mòn vòng bi, mất cân bằng, và hỏng thiết bị được dẫn động.
• Giải pháp:
  • Tránh chạy quá tốc độ trừ khi động cơ được thiết kế cho mục đích này.
  • Tăng cường giám sát độ rung và căn chỉnh định kỳ.
  • Sử dụng động cơ chuyên dụng cho tốc độ cao nếu cần.

Làm thế nào để biết động cơ hỏng do biến tần?

Hỏng động cơ do biến tần có nhiều nguyên nhân khác nhau, và trừ khi xảy ra sự cố nghiêm trọng (như cháy động cơ), việc xác định nguyên nhân chính xác đòi hỏi kiểm tra chuyên sâu. Không tự ý tháo rời động cơ, vì điều này có thể làm mất khả năng thực hiện các bài kiểm tra tại xưởng sửa chữa, gây khó khăn cho việc chẩn đoán.

Khuyến nghị:

• Làm việc với kỹ thuật viên có kinh nghiệm để chẩn đoán và khắc phục vấn đề.
• Sử dụng động cơ định mức biến tần đạt chuẩn NEMA MG1 Part 31, cấu hình biến tần đúng cách, và lắp đặt các phụ kiện bảo vệ như:
  • Bộ lọc dV/dt hoặc sóng sin.
  • Vòng nối đất trục hoặc vòng bi gốm.
  • Quạt thổi tốc độ cố định.
• Thực hiện bảo trì định kỳ, bao gồm kiểm tra nhiệt độ, độ rung, và căn chỉnh động cơ.
• Nếu không rõ nguyên nhân hỏng hoặc cần ngăn ngừa sự cố, liên hệ với nhà cung cấp hoặc kỹ sư hệ thống để được tư vấn chi tiết.