Hiểu về tần số điện trong động cơ
Tần số điện — còn được gọi là tần số dòng điện, tần số dòng điện chính hoặc tần số điện nguồn — là tần số của dòng điện xoay chiều được cung cấp cho động cơ điện và các thiết bị điện khác. Hai tiêu chuẩn chiếm ưu thế trên thế giới: 60 Hz ở Bắc Mỹ, một số nơi ở Nam Mỹ và một số nước châu Á, và 50 Hz trên khắp Châu Âu, hầu hết châu Á, châu Phi và châu Đại Dương. Con số duy nhất này xác định tốc độ đồng bộ của mọi động cơ AC trên nguồn cấp và tạo ra một họ lực điện từ — và do đó rung động các thành phần — tại các bội số của tần số dòng điện.
Trong động cơ Phân tích rung động, tần số dòng điện và các sóng hài của nó, đặc biệt là hai lần tần số dòng điện (2×f), là những chỉ báo chẩn đoán chính cho các vấn đề điện từ, lỗi stato và sự không đều của khoảng cách. Đọc chúng một cách chính xác là cách cho phép một nhà phân tích phân biệt một lỗi điện với một lỗi cơ học trong cùng phổ.
1. Mối quan hệ với Tốc độ Động cơ
Tốc độ đồng bộ
Đối với động cơ cảm ứng AC, tốc độ đồng bộ của từ trường quay được xác định bằng tần số dòng điện và số cực:
Nđồng bộ hóa = (120 × f) / P — trong đó Nđồng bộ hóa là tốc độ đồng bộ tính bằng RPM, f là tần số điện tính bằng Hz, và P là số cực.
Giá trị thực tế tốc độ vận hành luôn thấp hơn một chút so với tốc độ đồng bộ vì rotor cảm ứng phải trượt để phát triển mô-men xoắn.
Tốc độ động cơ thông thường
Trên một 60 Hz cấp điện, tốc độ đồng bộ là 3600 RPM cho động cơ 2 cực (khoảng 3550 RPM khi hoạt động), 1800 RPM cho 4 cực (khoảng 1750 RPM), 1200 RPM cho 6 cực (khoảng 1170 RPM) và 900 RPM cho 8 cực (khoảng 875 RPM). Trên 50 Hz cấp điện, số cực tương tự cho kết quả 3000 RPM (khoảng 2950 RPM thực tế), 1500 RPM (khoảng 1450), 1000 RPM (khoảng 970) và 750 RPM (khoảng 730). Cái máy tính trượt động cơ và RPM thực tế chuyển đổi một tên sản phẩm và một tốc độ đo được thành các con số này.
Tần số trượt
Khoảng cách giữa tốc độ đồng bộ và tốc độ thực tế xác định tần số trượt:
fs = (Nđồng bộ hóa − Nthật sự) / 60
- Trượt điển hình chạy 1–5% của tốc độ đồng bộ.
- Tần số trượt kết quả thường chỉ là 1–3 Hz.
- Nó phụ thuộc vào tải—trượt tăng khi động cơ làm việc nặng hơn.
- Nó rất quan trọng để chẩn đoán lỗi điện rotor, vì lỗi thanh rotor điều chế độ rung ở tần số thông qua cực, đó là trượt nhân với số cực.
2. Các thành phần rung động điện từ
Hai lần tần số dòng điện (thành phần chiếm ưu thế)
Thành phần điện từ quan trọng nhất nằm ở 2×f—120 Hz trên cấp 60 Hz, 100 Hz trên cấp 50 Hz. Nó phát sinh vì lực hút từ giữa stator và rotor xung động hai lần mỗi chu kỳ điện. Một lượng nhỏ là bình thường trong mỗi động cơ AC, vì vậy sự hiện diện của nó không phải là lỗi; tuy nhiên, 2×f tăng cao và gia tăng trỏ đến vấn đề stat-or, một sự không đều khoảng trống không khí, hoặc mất cân bằng từ.
Tần số dòng điện (1×f)
Một thành phần ở tần số dòng điện itself—50 hoặc 60 Hz—thường có biên độ thấp hơn 2×f. Nó có thể bộc lộ sự mất cân bằng điện áp cấp và có thể đi kèm với lỗi cuộn dây stator.
Sóng hài bậc cao
Các thành phần ở 4×f, 6×f và cao hơn (240 Hz, 360 Hz trên hệ thống 60 Hz) thường thấp trong một động cơ khỏe mạnh. Khi chúng phát triển, chúng có thể chỉ ra vấn đề cuộn dây hoặc các vấn đề về lớp laminat lõi.
3. Ý nghĩa chẩn đoán
Biên độ 2×f bình thường
Trong một động cơ bình thường, thành phần 2×f thường dưới khoảng 10% của 1× tốc độ chạy mức, vẫn tương đối không đổi theo thời gian, và xuất hiện ở tất cả các hướng mặc dù thường mạnh nhất theo hướng xuyên tâm. Thiết lập mức bình thường đó là điều làm cho sự gia tăng sau này có ý nghĩa.
Tần số 2×f nâng cao và ý nghĩa của nó
- Vấn đề cuộn dây stat-or: Các sơ hở giữa cuộn dây hoặc sự mất cân bằng pha đẩy 2×f tăng lên theo thời gian, thường kèm theo tăng nhiệt độ và sự mất cân bằng dòng điện đo được giữa các pha.
- Độ lệch tâm khe hở: khe hở không đều từ rotor sự lập dị hoặc mòn ổ trục tạo ra rung động không cân bằng lực kéo từ tính, làm tăng 2×f và tần số đi qua cực cùng nhau — một sự kết hợp của các hiệu ứng cơ học và điện từ.
- Móng chân mềm hoặc cộng hưởng khung: nếu một chân mềm hoặc tần số tự nhiên nằm gần 2×f, cộng hưởng cấu trúc khuếch đại rung động điện từ; rung động khung khi đó vượt xa rung động ổ bi, và cách khắc phục là gia cố cấu trúc hoặc thêm cản chế động.
4. Các bộ điều khiển tần số thay đổi
Một VFD có ý định thay đổi tần số đầu ra — thông thường 0–120 Hz — và tốc độ động cơ tuân theo nó, vì vậy mọi tần số điện từ, bao gồm 2×f và các thành phần pole-pass, thay đổi tỷ lệ theo đầu ra ổ đĩa thay vì ở tần số cố định 50 hoặc 60 Hz. Tính động của nó có những hậu quả thực tế đối với rung động:
- Tần số chuyển mạch: sóng mang PWM tiêm các thành phần dải kHz lên trên tần số cơ bản.
- Dòng điện trên vòng bi: dòng điện tần số cao có thể làm hỏng và tạo rãnh trên ổ bi nếu trục không được tiếp địa đúng cách.
- Dao động xoắn: xung động lực xuất hiện ở các tần số khác nhau.
- Kích thích cộng hưởng: tốc độ biến thiên được quét có thể đi qua các cộng hưởng cấu trúc và tạm thời khuếch đại rung động.
5. Các ví dụ chẩn đoán thực tế
Trường hợp 1 — rung động 2×f cao
Một động cơ cực 4, 60 Hz hoạt động gần 1750 RPM cho thấy thành phần 120 Hz ở 6 mm/s, cao hơn nhiều so với mức chạy ở 1× của nó khoảng 2 mm/s. Vì năng lượng được tập trung ở tần số đường gấp đôi chứ không ở tốc độ chạy, chỉ báo là vấn đề cuộn dây ống hoặc độ lệch tâm khe hở chứ không phải cơ học mất cân bằng. Hình ảnh nhiệt khi đó tiết lộ một điểm nóng trong ống và sự mất cân bằng dòng điện được đo giữa các pha, xác nhận chẩn đoán; hành động khắc phục là quấn lại hoặc thay thế động cơ.
Trường hợp 2 — các dải xung quanh tốc độ chạy
Các đỉnh xuất hiện ở 1× ± khoảng cách liên quan đến trượt (vài Hz), chữ ký sách giáo khoa của thanh rôto bị hỏng. Phân tích chữ ký dòng điện động cơ cho thấy cùng dải bên mô hình trong dòng cung cấp, và theo dõi biên độ dải bên theo thời gian cung cấp thời gian dẫn để lên kế hoạch thay thế. Cả hai trường hợp nằm trong gia đình rộng hơn của sự cố điện mà phân tích rung động được đặt tốt để tách biệt với những cái cơ học.
6. Các Phương Pháp Hay Nhất Khi Giám Sát
Thiết lập phổ
Đặt tần số tối đa trên 500 Hz để phân tích bắt được 2×f và các sóng hài của nó, đồng thời chọn độ phân giải đủ để tách biệt các sideband sít nhau — tốt hơn khoảng 0,5 Hz để làm việc với tần số trượt. Đo theo phương ngang, phương dọc và phương trục, vì các thành phần điện từ và cơ học phân bố khác nhau giữa các phương.
Đường cơ sở và xu hướng
Ghi lại biên độ 2×f khi một động cơ mới hoặc vừa được cuộn dây lại, thiết lập mức bình thường cho mỗi loại động cơ trong cơ sở, và đặt giới hạn báo động — thường là hai đến ba lần đường cơ sở cho 2×f. Sau đó theo dõi xu hướng của các tham số quan trọng: biên độ tần số dòng điện 2×, các thành phần đi qua cực, biên độ và mẫu sideband, mức rung động tổng thể, và các chỉ báo điều kiện vòng bi thông thường. Quan sát cách những giá trị đó thay đổi theo thời gian, thông qua việc theo dõi kỷ luật phân tích xu hướng, là điều chuyển đổi một phổ đơn lẻ thành một cảnh báo sớm.
7. Đo lường Nó Tại Thực Địa
Tách biệt một chữ ký điện từ khỏi chữ ký cơ học bắt đầu bằng cách đo lường sạch sẽ về biên độ, tần số và pha tại máy. Một thiết bị hai kênh di động như Balanset-1A chụp phổ FFT và tham chiếu đồng bộ cần thiết để định vị chính xác những thành phần này so với tốc độ chạy và các sóng hài của nó, giúp xác nhận liệu một đỉnh gần 100 hoặc 120 Hz là điện từ hay chỉ là phản ứng của cấu trúc. Và khi một nguyên nhân điện từ đã bị loại trừ và mất cân bằng dư thừa mất cân bằng được xác định là tác nhân thực sự của rung động 1×, thiết bị tương tự thực hiện cân bằng tại hiện trường để khắc phục nó — giúp kiến thức tần số dòng điện trực tiếp có thể hành động trên sàn xưởng.
Tần số điện là cơ bản để hiểu cách một động cơ AC chạy và cách nó hỏng. Nhận biết các thành phần tần số dòng điện — đặc biệt là 2×f — trong phổ rung động, và biết các hiện tượng điện từ đằng sau chúng, cho phép một nhà phân tích vẽ đường ranh giới quan trọng giữa các lỗi cơ học và điện, và hướng dẫn hành động chẩn đoán và khắc phục phù hợp.
