Ảnh hưởng của nhiệt độ lên cả điện trở của đồng và điện trở cách điện có thể là đáng kể. Kiến thức về nhiệt độ đặc biệt quan trọng nếu dữ liệu thử nghiệm được so sánh với các phép đo trước đó. Để bù nhiệt độ, hãy nhập nhiệt độ tại đó phép đo động cơ được thực hiện. Thiết bị sẽ hiệu chỉnh các thử nghiệm điện trở cuộn dây thành 25°C (theo IEEE 118) và giá trị đọc điện trở cách điện (IR) thành 40°C (theo IEEE 43). Ảnh hưởng của nhiệt độ sẽ được thảo luận thêm trong mỗi phần dưới đây vì nó áp dụng cho từng thử nghiệm.
Thử nghiệm điện trở cuộn dây rất đơn giản để thực hiện và là một dấu hiệu tức thời về tình trạng của các dây dẫn trong cuộn dây. Thử nghiệm điện trở cuộn dây, cần đưa một dòng điện không đổi đã biết qua cuộn dây, sau đó đo điện áp rơi trên cuộn dây. Điện trở của cuộn dây sau đó được tính bằng định luật Ohm. Nếu một cuộn dây bị đoản mạch, điện trở sẽ thấp hơn bình thường. Bạn có thể so sánh kết quả thử nghiệm điện trở cuộn dây với các phép đo trước đó của cùng một cuộn dây.
Sự thay đổi độ dẫn điện của dây kết hợp với nhiệt độ của cuộn dây có thể ảnh hưởng đến điện trở đo được. Các giá trị điện trở đo được phải được hiệu chỉnh về nhiệt độ chung, thường là 25°C (77 °F), trước khi thực hiện so sánh giữa hai phép đo.
Cuộn dây có thể được làm bằng cả đồng và nhôm. Sự biến đổi của điện trở suất theo nhiệt độ là khác nhau đối với từng vật liệu. Do đó, vật liệu dây phải được biết trước khi bù điện trở và được đưa vào máy phân tích.
Một trong những khó khăn gặp phải khi đo điện trở cuộn dây là ảnh hưởng của điện trở tiếp xúc của các dây dẫn kẹp được sử dụng để kết nối với cuộn dây của động cơ. Điện trở tiếp xúc có thể tương đương hoặc thậm chí lớn hơn điện trở của một số cuộn dây. Đảm bảo sử dụng kết nối bốn dây (Kelvin) để có kết quả tốt nhất.
Nếu giá trị điện trở đo được khác biệt đáng kể so với dữ liệu trên mác của động cơ hoặc nếu một dây dẫn đơn chênh lệch nhiều hơn vài phần trăm so với các dây dẫn khác, thì có thể có một hoặc nhiều cuộn dây của động cơ bị ngắn mạch. Nếu một trong các giá trị cao hơn đáng kể, có thể có các vấn đề khác, chẳng hạn như sau:
- Kết nối đai ốc dây bị lỏng hoặc bị ăn mòn.
- Số vòng của cuộn dây không chính xác hoặc thước đo chiều dài không chính xác.
- Kỹ thuật hàn kém hoặc không chính xác được sử dụng để kết nối các pha.
- Các pha/ nhóm cuộn dây bị kết nối sai.
Các cuộn dây trong động cơ tạo thành các cực từ, cho phép động cơ tạo ra mô-men xoắn. Đối với động cơ cảm ứng xoay chiều, từ trường từ cuộn dây stato tương tác với từ trường của rôto lồng sóc để tạo ra mômen xoắn. Đối với động cơ điện một chiều, sự tương tác của từ trường từ dây quấn kích từ stato và dây quấn phần ứng quay cũng sinh ra mômen xoắn. Tương tự như vậy, sự tương tác của trường được tạo ra bởi các cuộn dây của động cơ đồng bộ tạo ra mô-men xoắn. Tác nhân phổ biến trong các thiết kế khác nhau của những động cơ này là cuộn dây – các vòng dây, cùng với dòng điện, tạo ra từ trường.
Các cuộn dây – các vòng dây có các đặc tính vật lý về độ tự cảm và điện trở. Mỗi cuộn dây sẽ có một độ tự cảm cũng như điện trở đặc trưng. Lý do này cho thấy rằng vấn đề trong cuộn dây sẽ biểu hiện dưới dạng thay đổi độ tự cảm và điện trở.
Do đó, các phép đo điện cảm và điện trở được thực hiện để đánh giá tình trạng chung của cuộn dây; cụ thể hơn là đánh giá khả năng tạo từ trường của cuộn dây.
Nói chung, nếu một cuộn dây có N vòng dây được kích thích với nguồn điện áp V, thì sẽ có dòng điện I.
Hình 1. Sơ đồ cuộn dây cơ bản
Cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây và mối quan hệ góc pha giữa điện áp và dòng điện phụ thuộc vào điện trở của dây cuộn dây, dạng hình học của cuộn dây, số vòng quay của cuộn dây cũng như độ từ thẩm của vật liệu trong cuộn dây.
Một đồ thị của điện áp và dòng điện được biểu thị bên dưới:
Hình 2. Biểu diễn điện áp và dòng điện theo thời gian
Lưu ý sự lệch pha giữa hiệu điện thế và dòng điện. Tỷ lệ giữa biên độ điện áp và dòng điện cùng với độ lệch pha này được sử dụng để xác định trở kháng của cuộn dây.
Điện áp và dòng điện có liên quan với nhau bởi một trở kháng Z “phức tạp” – Complex được định nghĩa là:
Trở kháng Z sẽ có một thành phần cùng pha với điện áp (gọi là phần thực) và một thành phần lệch pha (gọi là phần điện kháng).
Z = RThực + jXPhản kháng
Phần thực của trở kháng không chỉ đại diện cho thành phần của dòng điện cùng pha với điện áp đặt vào, nó còn đại diện cho phần trở kháng của cuộn dây hấp thụ năng lượng. Phần phản kháng của trở kháng thể hiện khả năng tạo ra từ trường của cuộn dây. Vì vậy, lý do để đo trở kháng của cuộn dây rất rõ ràng: khả năng tạo ra từ trường của cuộn dây, điều rất quan trọng đối với hoạt động của động cơ, được biểu thị bằng thành phần phản kháng của trở kháng của cuộn dây.
Cụ thể, phép đo độ tự cảm, tỷ lệ thuận với trở kháng phản kháng, thường được sử dụng nhất khi đo các đặc tính từ hoặc cảm của cuộn dây. Trở kháng phản kháng (X) và độ tự cảm của cuộn dây (L) có liên quan như sau:
Trong đó: f là tần số của nguồn.
Bằng cách đo sự thay đổi của độ tự cảm L, người ta xác định được những thay đổi về khả năng tạo từ trường của cuộn dây. Từ quan điểm vật lý, số vòng trong cuộn dây, đặc tính vật liệu xung quanh cuộn dây (tức là lõi động cơ) và hình dạng của cuộn dây đều kết hợp để xác định độ tự cảm của cuộn dây. Phương trình sau đây cho thấy cách các tham số này kết hợp để xác định độ tự cảm của cuộn dây:
L = AHình dạng vật lý * BTính chất vật liệu * N2
Trong đó: Hằng số A mô tả hình dạng vật lý của cuộn dây, Hằng số B mô tả các đặc tính vật chất của lõi cuộn dây và N mô tả số vòng dây trong cuộn dây.
Ví dụ, độ tự cảm của cuộn dây điện từ là:
Trong đó μ0 là độ từ thẩm của không khí; μr là độ từ thẩm tương đối của lõi cuộn dây (xấp xỉ 1000 đối với thép kỹ thuật điện); N là số vòng dây; A là diện tích cuộn dây điện từ, và l là chiều dài điện từ.
Có các công thức khác cho độ tự cảm của cuộn dây, nhưng điều quan trọng cần rút ra từ các công thức này là sự đóng góp vào giá trị điện cảm từ hình dạng vật lý của cuộn dây, từ các đặc tính của vật liệu và từ số vòng dây (bình phương).
Nhà thiết kế mô-tơ cẩn thận lựa chọn hình dạng và số vòng quay của cuộn dây cùng với vật liệu lõi để tạo ra từ trường cần thiết nhằm tạo ra mô-men xoắn trục mô-tơ mong muốn. Những thay đổi về độ tự cảm thể hiện những thay đổi về số vòng quay hoặc những thay đổi về đặc tính của lõi động cơ.
Tóm lại, độ tự cảm của động cơ có thể được sử dụng để “đo lường” khả năng hoạt động của động cơ. Trong một thế giới hoàn hảo, phép đo điện cảm sẽ là một cách tuyệt vời để thực hiện chẩn đoán động cơ một cách chính xác. Tuy nhiên, thế giới của một động cơ thực sự không đơn giản như mô tả của chúng tôi có thể khiến bạn tin tưởng; chúng ta sẽ thảo luận thêm về thực tế của thử nghiệm điện cảm sau.
Để thực hiện phép đo độ tự cảm của cuộn dây, người ta đo điện áp trên cuộn dây và cường độ dòng điện qua cuộn dây. Tuy nhiên, chỉ biên độ của điện áp và dòng điện là không đủ để có được độ tự cảm của cuộn dây; sự lệch pha giữa điện áp và dòng điện cũng được yêu cầu. Trên thực tế, phép đo biên độ điện áp và góc pha của điện áp đối với một số tham chiếu của góc pha cố định được đo. Mô tả cosin điện áp của biên độ và góc pha nhất định được thể hiện trong công thức sau:
Trong đó VO là điện áp danh định, ω là tần số góc, t là thời gian và α là góc pha của điện áp đối với tham chiếu. Để thuận tiện trong ký hiệu, điện áp thường được viết dưới dạng ký hiệu vectơ là:
Dòng điện qua cuộn dây được mô tả là:
Trong đó Io là dòng điện danh định, ω và t như trước đối với điện áp và β là góc pha của dòng điện đối với cùng tham chiếu là điện áp. Một lần nữa, để thuận tiện về ký hiệu, dòng điện được viết bằng ký hiệu véc tơ là:
Trở kháng của một cuộn dây được mô tả hoàn toàn bằng tỷ lệ giữa điện áp và dòng điện cùng với mối quan hệ góc pha giữa hai yếu tố này. Trở kháng được viết là:
Sử dụng ký hiệu ở trên, phép đo trở kháng hoặc điện cảm thích hợp sẽ yêu cầu đo bốn mục sau:
V0, α, I0, β
Từ bốn tham số này, trở kháng AC thực và L của mạch được đo chính xác như được mô tả trong các phương trình ở trên.
Không giống như các thử nghiệm điện trở cuộn dây DC trong đó sự thay đổi điện trở suất của dây được biết rõ, sự thay đổi độ tự cảm khi nhiệt độ thay đổi không được biết rõ. Các tính chất của vật liệu lõi, có ảnh hưởng mạnh mẽ đến các phép đo điện cảm. Phép đo điện cảm trở nên không chính xác, một phần là do tính thấm từ của thép điện cũng thay đổi từ một phần của tấm cán sang phần khác, do cách chế tạo tấm cán. Do đó, không có tùy chọn điều chỉnh nhiệt độ trong phép đo điện cảm.
Tìm sự cố ngắn mạch giữa các vòng dây
Ứng dụng đơn giản nhất của phép đo điện cảm là xác định xem cuộn dây có bị chập cứng không. Ý tưởng này khá đơn giản: một cuộn dây có thể sử dụng được sẽ có điện cảm bình thường – hoặc danh định – liên quan đến số vòng dây trong cuộn dây:
Một cuộn dây bị ngắn mạch giữa hai vòng liền kề sẽ có độ tự cảm giảm là:
Ví dụ, một stato làm bằng các cuộn dây quấn định hình (tám vòng trên mỗi cuộn, năm cuộn trên mỗi nhóm và bốn nhóm trên mỗi pha) có 8x5x4= 160 vòng trong một chân pha. Chỉ cần rút ngắn một vòng, chân pha sẽ có 159 lượt. Phần trăm thay đổi trong điện cảm sẽ là:
Để xác định một đoạn ngắn mạch vòng dây, các giá trị điện cảm phải giống nhau. Ví dụ, đo điện cảm pha-pha của ba pha stato của máy điện cảm ứng xoay chiều (không lắp rôto). Nếu stato kiểu quấn định hình, cả ba giá trị điện cảm sẽ rất gần giống nhau. Nếu không, có khả năng xảy ra ngắn mạch ở một trong các cuộn dây.
Từ ví dụ trên, rõ ràng phép đo điện cảm phải rất chính xác. Trong thực tế, phép đo độ tự cảm bị ảnh hưởng bởi các đặc tính vật liệu của lõi, trạng thái bão hòa của lõi, hiệu ứng nhiệt độ… Thật khó để tuyên bố một cuộn dây xấu khi các phép đo điện cảm nằm trong một vài điểm phần trăm của nhau. Nếu stato được quấn ngẫu nhiên, nhưng thuộc loại Lap Winding, thì các giá trị điện cảm phải gần sát nhau nếu cuộn dây không bị ngắn mạch. Với sự ngắn mạch sảy ra trong cuộn dây quấn ngẫu nhiên, có thể quan sát thấy sự thay đổi rất lớn về độ tự cảm do có khả năng các vòng đầu tiên và cuối cùng bị đoản mạch. Nếu stato làm bằng các cuộn dây đồng tâm, sẽ có sự thay đổi độ tự cảm đã biết vì các cuộn dây đồng tâm không hoàn toàn giống nhau về hình dạng. Thật không may, sự chênh lệch về giá trị điện cảm do chiều dài cuộn dây hơi khác nhau khiến cho rất khó để tuyên bố cuộn dây có ngắn hay không.
Tóm lại, các giá trị điện cảm có thể được sử dụng để xác định độ ngắn mạch cứng trong một số cuộn dây của động cơ, nhưng không phải tất cả. Kiến thức về các cuộn dây rất quan trọng trước khi đưa ra đánh giá về tính toàn vẹn của cuộn dây.
Ví dụ: độ tự cảm của stato GE 350HP 1750RPM 7kV với một vòng dây được đo ở 60Hz và 1000Hz. Dữ liệu được thể hiện dưới đây:
Biểu đồ thanh bên dưới cho thấy tỷ lệ phần trăm thay đổi của độ tự cảm giữa các pha của động cơ được nối sao. Cùng với các giá trị phần trăm điện cảm, các giá trị thử nghiệm xung tỷ lệ diện tích sai số line-to-line (L-L EAR) cho cùng một động cơ cũng được thể hiện.
Hình 3. Phần trăm thay đổi độ tự cảm giữa các pha động cơ nối sao
Rõ ràng, có một sự thay đổi về độ tự cảm có thể đo được đối với stato khi bị đoản mạch. Sự thay đổi thể hiện trong các phép đo điện cảm ở cả 60Hz và 1000Hz. Từ biểu đồ này cũng có thể thấy rõ ràng rằng có sự thay đổi lớn hơn nhiều về giá trị LL EAR của stato với thử nghiệm xung, làm cho thử nghiệm xung trở thành một phương pháp nhạy hơn nhiều để tìm ra các điểm ngắn mạch trong cuộn dây.
Lý thuyết của thử nghiệm RIC dựa trên các nguyên tắc cơ bản của động cơ cảm ứng AC. Động cơ cảm ứng xoay chiều được cấu tạo với một cuộn dây cố định quấn trên stato với một rôto chứa “lồng sóc”. Cuộn dây lồng sóc hoạt động giống như một cuộn dây thứ cấp của máy biến áp, nơi sẽ có dòng điện chạy qua; nhưng trong trường hợp này, thứ cấp được phép quay. Sự tương tác của từ trường gây ra bởi dòng điện lồng sóc và dòng điện stato tạo ra một mô-men xoắn trên rôto làm cho rôto quay. Điểm đặc biệt của thiết kế này là dòng điện stato là tác nhân, thông qua hiệu ứng máy biến áp, tạo ra dòng điện trong lồng sóc.
Hình 4. Roto lồng sóc
Động cơ cảm ứng xoay chiều tương tự như máy biến áp, vì vậy cần nhắc lại về cách thức hoạt động của máy biến áp. Một máy biến áp bình thường sẽ hoạt động sao cho trở kháng của mạch thứ cấp sẽ xuất hiện dưới dạng trở kháng trong mạch sơ cấp. Ví dụ, nếu thứ cấp của máy biến áp bị đoản mạch, thì sơ cấp cũng sẽ bị đoản mạch. Tương tự như vậy, nếu phần thứ cấp của máy biến áp được hở mạch, thì phần sơ cấp cũng sẽ hở mạch. Nói chung, nếu một số điện trở được đặt ở cuộn thứ cấp, thì điện trở sẽ xuất hiện ở cuộn sơ cấp; nhưng giá trị sẽ khác với giá trị điện trở thứ cấp thực tế. (Giá trị điện trở sơ cấp là tỷ số của số vòng dây sơ cấp và thứ cấp bình phương nhân với điện trở thứ cấp thực tế).
Hình 5. Bản vẽ cơ bản của máy biến áp
Bởi vì lồng sóc là thứ cấp của máy biến áp, lý do là trở kháng của lồng sóc phải “chuyển đổi” sang sơ cấp (stator) của động cơ. Rõ ràng, lồng sóc trông giống như ngắn mạch, vì vậy ngắn mạch cũng nên “xuất hiện” trong mạch stato. Nhưng nếu cuộn dây thứ cấp (rôto) bị đứt, mạch sơ cấp sẽ không bị đoản mạch. Có một số thanh trong lồng sóc, vì vậy nếu chỉ một thanh bị hỏng, trở kháng của stato sẽ giống như “hơi ngắn một chút”.
Hình 6. Mô hình máy biến áp rôto trong ACIM
Sự thay đổi nhỏ này trong trở kháng stato là khái niệm đằng sau việc sử dụng các phép đo stato để tìm ra các vấn đề trong rôto.
Ngoài các thanh rôto bị hỏng, những người ủng hộ thử nghiệm RIC cho rằng có thể xác định được các vấn đề khác với rôto. Nếu rôto được đặt trong lỗ khoan của stato sao cho rôto không ở giữa, thì sẽ có sự khác biệt về trở kháng “biến đổi” được quan sát thấy ở các dây dẫn của stato cho mỗi trong ba pha. Ngoài ra, nếu rôto “lắc lư” bên trong lỗ khoan của stato, thì cũng sẽ quan sát thấy sự khác biệt về trở kháng của stato.
Tóm lại, thử nghiệm RIC được cho là có thể tìm thấy ba vấn đề về rôto:
- Độ lệch tâm của khe hở không khí tĩnh.
- Các thanh rotor bị hỏng.
- Độ lệch tâm của khe hở không khí động.
Để thực hiện thử nghiệm RIC, các phép đo điện cảm tại các đầu nối của stato được thực hiện theo các bước góc trục là 5 hoặc 10 độ. Các phép đo điện cảm thu được sau đó được vẽ: điện cảm trên trục Y và góc trục trên trục X. Một đồ thị điển hình được biểu thị dưới đây:
Hình 7. Đường cong thử nghiệm RIC điển hình
Sơ đồ của một động cơ có thanh bị hỏng được thể hiện bên dưới:
Hình 8. Dayton 5hp (B2) với thanh khoan: phép đo điện cảm
Có vấn đề với thử nghiệm RIC. Cụ thể, thử nghiệm khá không đáng tin cậy và bỏ sót các vấn đề về rotor hoặc tuyên bố có một vấn đề mà thực sự không có. Ví dụ: các đường cong thử nghiệm RIC hiển thị bên dưới là từ một động cơ có thanh được khoan ở một số vị trí như trong ảnh theo sau biểu đồ.
Hình 9. Delco 3hp sau khi chạy đầy tải. Các đường cong không chỉ ra thanh rôto bị hỏng
Hình 10. Delco 3hp hiển thị các thanh rô-to được khoan hoàn toàn
Phải hết sức cẩn thận trước khi sử dụng thử nghiệm RIC để kết luận động cơ. Tải của động cơ ở lần dừng máy cuối cùng, độ lệch tâm và đặc tính vật liệu thép đều ảnh hưởng đến thử nghiệm RIC, đến mức khó phát hiện thanh rôto đáng tin cậy.
Điện trở DC và trở kháng AC của các thanh liền kề của phần ứng động cơ DC có thể xác định các vòng bị đoản mạch trong cuộn dây phần ứng. Tuy nhiên, phần ứng là một cuộn dây rất độc đáo. Nghĩa là mọi thanh trên cổ góp đều song song với tất cả các thanh khác. Bởi vì tất cả các thanh đều song song, nên điện trở DC giữa các thanh sẽ rất thấp: miliohm hoặc thậm chí nhỏ hơn. Tương tự như vậy, độ tự cảm giữa các thanh sẽ rất thấp: microhenries hoặc nhỏ hơn.
Do điện trở DC thấp và độ tự cảm thấp được quan sát thấy, nên cần thực hiện phép đo bốn dây khi thực hiện phép đo giữa các thanh. Nếu một phép đo hai dây đơn giản được thực hiện, sẽ có sai số nghiêm trọng trong dữ liệu – với sai số có thể lên tới 100 phần trăm.
Các dấu hiệu của một cuộn dây bị đoản mạch trong phần ứng là sự sụt giảm điện trở DC giữa các thanh liền kề và giảm độ tự cảm giữa các thanh. Một ví dụ về một đoạn ngắn mạch như vậy được cung cấp dưới đây. Hai biểu đồ được hiển thị về điện trở và điện cảm từ thanh này sang thanh khác. Lưu ý điện trở về 0 khi kiểm tra thanh bị chập. Ngoài ra, giá trị điện cảm giảm xuống 0. Nói chung, các biểu đồ điện trở/ điện cảm so với số thanh sẽ có một số thay đổi, như được hiển thị bên dưới. Tuy nhiên, các thanh bị ngắn mạch sẽ hiển thị rất rõ ràng.
Hình 11. Đồ thị điện trở và điện cảm được thực hiện trên PC
Hình 12. Ví dụ về cuộn dây bị cháy
Giống như bất kỳ cuộn dây nào khác, điện trở và độ tự cảm của các cực từ phụ (từ động cơ DC) có thể được sử dụng để phát hiện ngắn mạch trong cuộn dây. Thông thường, có hai, bốn hoặc sáu cực từ phụ trong động cơ DC. Ý tưởng chung là tất cả các cuộn dây giữa các cực từ phụ phải có giá trị điện trở và điện cảm gần như giống nhau.
Hình 13. Cuộn dây của cực từ phụ
LƯU Ý: Thông thường, các cực từ phụ được tháo ra khỏi stato trong quá trình tân trang động cơ DC. Các cực từ phụ được đặt trên xe đẩy hoặc bề mặt làm việc, nơi chúng được tân trang lại. Khi thực hiện phép đo điện cảm, môi trường của cuộn dây có ảnh hưởng đáng kể đến giá trị điện cảm. Tất cả các cuộn dây phải được đặt ở cùng một vị trí trên bề mặt làm việc không có thép trong khu vực. Ngay cả một cái đinh hoặc đinh trên mặt bàn gỗ cũng có thể thay đổi giá trị điện cảm của cuộn dây.
Kết quả kiểm tra dưới đây cho thấy dữ liệu điện trở và điện cảm từ bốn cực giống hệt nhau.
Bảng 3. Kết quả kiểm tra từ bốn cực nội giống hệt nhau
Các phép đo điện trở cho thấy cả bốn cuộn dây về cơ bản đều giống nhau. Tuy nhiên, các giá trị điện cảm cho thấy một số thay đổi, điều này cho thấy có vấn đề với cuộn dây. Trong trường hợp này, sự khác nhau là do các tool nằm gần các cuộn dây và chân bằng thép của bàn làm việc bằng gỗ gây ra. Nếu các phép đo thích hợp được thực hiện, sự thay đổi độ tự cảm sẽ kéo theo sự thay đổi điện trở DC; xác định sảy ra ngắn mạch trong cuộn dây.
LƯU Ý: Nếu các cực từ phụ được lắp trong stato và các phép đo độ tự cảm được thực hiện trên từng cuộn dây riêng lẻ, thì có thể quan sát thấy sự khác biệt về giá trị L gây ra bởi sự thay đổi trong thép của stato. Trước khi đánh giá một cuộn dây cụ thể, hãy đảm bảo rằng bạn tin tưởng vào tính toàn vẹn của các phép đo.
