Kiến thức cơ bản về bus DC trong bộ truyền động động cơ công nghiệp

Khi một bộ biến tần hoặc bộ truyền động servo không chuyển sang trạng thái sẵn sàng, ngắt ngay sau khi cấp điện hoặc liên tục báo lỗi trong quá trình khởi động, người ta thường lập tức tập trung vào động cơ.

Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, động cơ vẫn chưa trở thành một phần của vấn đề.

Sự cố có thể đã hình thành từ sớm hơn nhiều trong đường công suất của bộ truyền động.

Bộ chỉnh lưu, các tụ điện liên kết DC và mạch nạp trước đều hoạt động trước khi bộ nghịch lưu có thể cung cấp công suất được điều khiển cho động cơ.

Hiểu rõ trình tự ở phần đầu vào này giúp việc diễn giải nhiều lỗi khởi động trở nên dễ dàng hơn đáng kể.

Điều này cũng giúp kỹ thuật viên tránh thay thế các mô-đun bộ truyền động đắt tiền chỉ dựa trên mã lỗi.

Hình 1. Mặt trước đơn giản hóa của một bộ truyền động công nghiệp, cho thấy quá trình chỉnh lưu, lưu trữ năng lượng trong liên kết DC và tầng nghịch lưu. Hình ảnh do Wake Industrial cung cấp.

Thanh cái DC thực sự làm gì

Một bộ truyền động AC thông thường bao gồm một số tầng chuyển đổi công suất chính.

Bộ chỉnh lưu đầu vào chuyển đổi nguồn AC đầu vào thành DC.

Liên kết DC, thường được gọi là thanh cái DC, lưu trữ và làm phẳng năng lượng đó bằng một cụm tụ điện.

Sau đó, bộ nghịch lưu đóng cắt nguồn DC bằng điện tử để tạo ra đầu ra có tần số biến thiên và điện áp biến thiên theo yêu cầu của động cơ.

Đối với một bộ truyền động ba pha điển hình, điện áp thanh cái DC cao hơn đáng kể so với điện áp RMS dây-dây của nguồn AC đầu vào.

Một hệ thống 480 VAC thường tạo ra thanh cái DC đã nạp điện trong khoảng 650–680 VDC.

Giá trị chính xác phụ thuộc vào điện áp đầu vào, cấu trúc bộ truyền động, tải và các điều kiện điện khác.

Mức điện áp đó là một lý do khiến liên kết DC cần được đặc biệt thận trọng trong quá trình khắc phục sự cố.

Thanh cái lưu trữ năng lượng điện đáng kể và có thể vẫn gây nguy hiểm sau khi đã ngắt nguồn điện đầu vào.

Vì sao việc cấp điện cho bộ truyền động tạo ra dòng khởi động

Các tụ điện liên kết DC bắt đầu quá trình khởi động trong tình trạng đã xả hết hoặc xả một phần.

Ngay tại thời điểm đầu tiên cấp điện, chúng có trở kháng nạp rất thấp.

Nếu không giới hạn dòng điện, bộ chỉnh lưu sẽ cố gắng nạp gần như ngay lập tức một cụm tụ điện lớn.

Dòng khởi động hình thành có thể cao hơn dòng điện vận hành bình thường nhiều lần.

Trở kháng máy biến áp, trở kháng đường cấp, hệ thống cáp và các linh kiện phía nguồn khác giúp hạn chế dòng điện phần nào.

Thông thường, chúng không được thiết kế để làm cơ chế kiểm soát dòng khởi động chính của bộ truyền động.

Dòng sạc quá lớn có thể gây quá tải cho các linh kiện chỉnh lưu, cầu chì, bộ ngắt mạch và thiết bị đóng cắt.

Việc đóng cắt dòng điện cao lặp lại cũng có thể đẩy nhanh quá trình hao mòn các tiếp điểm điện.

Đó là lý do nhiều biến tần lớn sử dụng mạch nạp trước chuyên dụng.

Nạp trước kiểm soát những giây đầu tiên khi khởi động

Khái niệm cơ bản đằng sau quá trình nạp trước rất đơn giản.

Thay vì nối trực tiếp dãy tụ điện đã phóng điện vào đường nạp đầy đủ, ban đầu biến tần định tuyến dòng điện qua một điện trở hoặc mạch nạp có điều khiển khác.

Điều này giới hạn dòng điện trong khi điện áp bus DC tăng lên.

Hình 2. Trình tự nạp trước điển hình giới hạn dòng điện ban đầu của tụ điện trước khi thiết lập đường cấp nguồn bình thường. Hình ảnh do Wake Industrial cung cấp.

Trong trình tự bình thường, điện áp bus sẽ tăng đến gần mức dự kiến trong khoảng thời gian do thiết kế của biến tần quy định.

Khi đạt đến ngưỡng điện áp yêu cầu, nhiều biến tần sẽ bỏ qua điện trở nạp trước bằng rơ-le hoặc công tắc tơ.

Ở một số thiết bị, kỹ thuật viên có thể nghe thấy quá trình chuyển đổi này qua tiếng tách.

Cách triển khai chính xác khác nhau giữa các nhà sản xuất và dòng biến tần.

Một số biến tần nhỏ hơn tích hợp các chức năng này vào mạch điện tử thay vì sử dụng công tắc tơ bên ngoài dễ nhận thấy.

Nguyên tắc vẫn tương tự: trước tiên kiểm soát quá trình nạp tụ điện, sau đó thiết lập đường cấp nguồn vận hành bình thường.

Nếu trình tự này không hoàn tất đúng cách, biến tần có thể vẫn ở trạng thái nạp, báo thiếu áp, thông báo hết thời gian chờ nạp trước hoặc đơn giản là không chuyển sang trạng thái sẵn sàng.

Vì sao biến tần lưu kho cần được chú ý đặc biệt

Các tụ điện liên kết DC thường là tụ điện điện phân.

Khoảng thời gian dài không có điện áp có thể ảnh hưởng đến tình trạng điện môi bên trong của chúng.

Đó là lý do các nhà sản xuất biến tần lớn công bố quy trình định hình lại tụ điện cho thiết bị được lưu kho trong thời gian dài.

Quá trình định hình lại khôi phục dần các đặc tính điện của tụ điện trước khi vận hành bình thường.

Phương pháp và khoảng thời gian lưu kho cần thiết phụ thuộc vào nhà sản xuất biến tần và dòng sản phẩm.

Do đó, kỹ thuật viên nên tuân theo quy trình OEM áp dụng được thay vì áp dụng một quy tắc định hình lại chung chung.

Điều này đặc biệt quan trọng khi đưa vào vận hành các biến tần dự phòng đã được lưu kho lâu ngày hoặc thiết bị lỗi thời lấy từ kho.

Bộ chỉnh lưu là cổng vào của bus DC

Bộ chỉnh lưu điốt thông thường thường là một trong những tầng bán dẫn chính đầu tiên mà nguồn điện đi vào gặp phải.

Một điốt chỉnh lưu hoặc cầu chỉnh lưu bị ngắn mạch có thể gây ra sự cố nghiêm trọng ở phía đầu vào.

Một triệu chứng có thể gặp là cầu chì hoặc bộ ngắt mạch tác động ngay khi biến tần được cấp điện.

Tuy nhiên, triệu chứng đó không chỉ xảy ra ở bộ chỉnh lưu.

Các linh kiện liên kết DC bị chập, thiết bị chống xung hoặc các linh kiện bán dẫn công suất khác bị hỏng có thể gây ra biểu hiện tương tự.

Đường chỉnh lưu bị hở có thể tạo ra một dạng biểu hiện khác.

Bộ điều khiển vẫn có thể hiển thị dấu hiệu có nguồn điều khiển trong khi thanh cái DC không đạt hoặc không duy trì được mức bình thường.

Hiện tượng chỉnh lưu bất thường cũng có thể làm tăng độ gợn thanh cái và khiến linh kiện nóng lên.

Vì lý do này, hiện tượng ngắt đầu vào ngay lập tức nên được xem là bằng chứng của một vấn đề nghiêm trọng ở tầng công suất, chứ không phải bằng chứng chắc chắn rằng một thiết bị cụ thể đã hỏng.

Tụ liên kết DC hỏng theo những cách khác nhau khi lão hóa

Hỏng tụ điện không phải lúc nào cũng đồng nghĩa với hiện tượng nổ vỡ rõ rệt.

Một lỗi nghiêm trọng bên trong có thể làm ngắn mạch liên kết DC và khiến thiết bị bảo vệ tác động ngay lập tức.

Sự suy giảm dần dần khó nhận biết hơn.

Tụ điện phân có thể mất điện dung hiệu dụng và phát sinh điện trở nối tiếp tương đương cao hơn khi lão hóa.

Bộ điều khiển vẫn có thể tiếp tục hoạt động trong khi khả năng lưu trữ năng lượng của nó dần suy giảm.

Các triệu chứng có thể bao gồm độ gợn thanh cái tăng, độ ổn định khi có tải giảm, các sự kiện sụt áp không liên tục hoặc hiện tượng nạp bất thường.

Nhiệt độ, số giờ vận hành và ứng suất điện đều ảnh hưởng đến tuổi thọ của tụ điện.

Việc lưu kho lâu ngày tạo ra một mối lo ngại khác và không nên mặc nhiên được xem là hao mòn trong quá trình vận hành bình thường.

Mạch nạp trước có thể bị lỗi ngay cả khi tầng công suất chính vẫn hoạt động tốt

Bộ điều khiển có thể có bộ chỉnh lưu và cụm tụ vẫn tốt nhưng vẫn bị lỗi khi khởi động vì trình tự nạp không thể hoàn tất.

Điện trở nạp trước bị đứt có thể làm gián đoạn đường nạp có kiểm soát.

Rơ-le hoặc công tắc tơ bypass bị hỏng có thể cho phép thanh cái được nạp nhưng ngăn bộ điều khiển chuyển sang hoạt động bình thường.

Mạch điều khiển thiết bị đó trong bộ điều khiển cũng có thể bị hỏng.

Mạch cảm biến điện áp thanh cái tạo thêm một điểm có thể phát sinh lỗi.

Nếu điện áp thanh cái thực tế đạt mức yêu cầu nhưng hệ thống điều khiển không phát hiện chính xác, bộ điều khiển có thể hoạt động như thể quá trình nạp chưa bao giờ hoàn tất.

Sự phân biệt này rất hữu ích trong quá trình khắc phục sự cố.

Điện áp thanh cái DC thấp và điện áp thanh cái DC được báo cáo sai là hai vấn đề khác nhau, ngay cả khi lỗi khởi động phát sinh có vẻ tương tự.

Ngắt tức thời khi bật nguồn cho thấy lỗi nghiêm trọng ở tầng đầu vào

Thời điểm xảy ra lỗi là một trong những manh mối chẩn đoán hữu ích nhất.

Nếu cầu chì đầu vào bị đứt gần như ngay lập tức khi cấp nguồn, thì chưa có đủ thời gian để bộ điều khiển bắt đầu hoạt động bình thường.

Vì vậy, trước tiên cần tập trung kiểm tra tầng công suất đầu vào và liên kết DC.

Các nguyên nhân có thể bao gồm bộ chỉnh lưu bị chập, tụ liên kết DC bị chập, linh kiện chống xung bị hỏng hoặc một điểm chập khác trong phần công suất của bộ điều khiển.

Sự cố của biến tần ở phía hạ nguồn cũng có thể ảnh hưởng đến liên kết DC trong một số thiết kế.

Điểm mấu chốt là thời điểm xảy ra.

Sự ngắt tức thời cho thấy một nhóm lỗi khác với trường hợp biến tần nạp bình thường nhưng chỉ hỏng sau khi nhận lệnh chạy.

Biến tần chỉ duy trì ở trạng thái nạp trước cho thấy một tình huống khác

Một triệu chứng phổ biến khác là biến tần cấp nguồn cho màn hình hoặc các mạch điện tử điều khiển nhưng không bao giờ đạt trạng thái sẵn sàng.

Điều này thường cho thấy vấn đề nằm ở trình tự nạp hơn là một sự cố chập cứng tức thời.

Nếu điện áp bus chỉ tăng một phần, kỹ thuật viên có thể cần xem xét đường nạp trước, rò rỉ quá mức của liên kết DC hoặc tải bất thường trên bus.

Nếu bus đạt gần đến điện áp dự kiến nhưng biến tần không bao giờ chuyển từ trạng thái nạp sang trạng thái hoạt động, cần chuyển sự chú ý sang thiết bị bypass, mạch điều khiển của thiết bị này hoặc mạch cảm biến điện áp.

Những điểm khác biệt này hữu ích hơn việc chỉ dựa vào một lỗi khởi động chung chung để thay thế linh kiện.

Thấp áp khi khởi động có thể nằm ngoài biến tần

Không phải mọi lỗi thấp áp bus DC đều có nghĩa là bản thân biến tần đã hỏng.

Cần đánh giá nguồn cấp đầu vào trước khi kết luận biến tần đã hỏng.

Mất pha, mất cân bằng pha đáng kể hoặc nguồn yếu có thể cản trở quá trình nạp bus DC bình thường.

Đường dây cấp điện dài và hạ tầng phía nguồn không đủ công suất cũng có thể gây sụt áp trong quá trình nạp.

Các hệ thống cấp nguồn bằng máy phát cần được đặc biệt chú ý vì trở kháng nguồn và đáp ứng quá độ có thể khác biệt đáng kể so với nguồn điện lưới có độ cứng cao.

Nếu điện áp lưới sụt xuống trong khi các tụ điện đang được nạp, biến tần có thể báo đúng tình trạng thấp áp dù tầng công suất bên trong vẫn hoạt động tốt.

Đây là một lý do khiến các kỹ thuật viên biến tần giàu kinh nghiệm so sánh cả ba điện áp pha-pha đầu vào trước khi đưa ra kết luận từ lỗi bus DC.

Quá áp khi khởi động ít phổ biến hơn nhưng vẫn có thể xảy ra

Quá áp thường liên quan đến quá trình tái sinh năng lượng của động cơ khi giảm tốc.

Tuy nhiên, điều kiện quá áp khi khởi động cũng có thể xảy ra.

Điện áp lưới đầu vào cao là một khả năng rõ ràng.

Kiến trúc bus DC dùng chung tạo thêm một biến số vì nhiều biến tần hoặc các phần cấp nguồn có thể tương tác với nhau qua liên kết chung.

Các bộ chỉnh lưu đầu vào tái sinh và hệ thống nhiều trục có thể khiến mối quan hệ giữa điện áp lưới và điện áp bus biến tần cục bộ trở nên phức tạp hơn.

Việc khắc phục sự cố các hệ thống này đòi hỏi phải hiểu toàn bộ kiến trúc bus DC thay vì đánh giá riêng lẻ từng biến tần.

Điều này đặc biệt liên quan đến các hệ thống biến tần và điều khiển chuyển động lớn, trong đó nhiều trục có thể dùng chung hạ tầng nguồn.

Đường cong nạp điện có thể tiết lộ điều mà mã lỗi không thể cho biết

Mã lỗi cung cấp hướng dẫn hữu ích, nhưng diễn biến của thanh cái trong quá trình khởi động có thể cung cấp thêm thông tin bổ sung.

Một hệ thống khỏe mạnh thường phải tạo ra mức tăng có trật tự hướng đến điện áp thanh cái được thiết kế.

Sự sụt giảm ngay lập tức cho thấy một vấn đề khác với tình trạng nạp chậm và không hoàn tất.

Thanh cái đạt khoảng điện áp bình thường nhưng không bao giờ chuyển sang trạng thái sẵn sàng cho thấy một nhóm nguyên nhân khác.

Đó là lý do kỹ thuật viên thường suy nghĩ theo trình tự thay vì các số đo điện áp riêng lẻ.

Bộ truyền động có ngắt do lỗi ngay lập tức không?

Thanh cái DC đã bắt đầu nạp điện chưa?

Nó đã đạt đến vùng dự kiến chưa?

Giai đoạn nạp trước đã chuyển trạng thái chưa?

Sự cố xảy ra trước hay sau lệnh chạy?

Những câu hỏi đó dần thu hẹp số lượng các phân hệ có khả năng gây lỗi.

Đo nguồn AC trước khi kết luận bộ truyền động bị hỏng

Một trong những lỗi xử lý sự cố đơn giản nhất là cho rằng nguồn điện ba pha đúng chỉ vì có điện áp.

Nên so sánh ba phép đo điện áp giữa các pha.

Mất một pha hoặc mất cân bằng đáng kể có thể tạo ra các triệu chứng khó hiểu.

Cũng nên xem xét điện áp đầu vào trong chính quá trình nạp điện khi thực tế cho phép và quy trình tại cơ sở cho phép.

Nguồn điện có vẻ đạt yêu cầu khi tải thấp có thể hoạt động khác đi khi các tụ điện liên kết DC bắt đầu nạp điện.

Đối với các cơ sở bảo trì nhiều nền tảng VFD và bộ truyền động AC, việc ghi lại hành vi khởi động bình thường có thể giúp việc so sánh sau này dễ dàng hơn đáng kể.

Đo thanh cái DC đòi hỏi kỷ luật nghiêm ngặt khi làm việc với điện áp cao

Thanh cái DC là một trong những điểm nguy hiểm nhất bên trong bộ truyền động công nghiệp.

Nó có thể mang điện áp một chiều vài trăm vôn và lưu trữ năng lượng sau khi nguồn điện đầu vào đã bị ngắt.

Màn hình đã tắt không chứng minh rằng liên kết DC đã xả hết điện.

Phải tuân thủ thời gian xả điện và hướng dẫn an toàn của OEM.

Các quy trình khóa và gắn thẻ vẫn là bắt buộc khi áp dụng.

Phải xác minh tình trạng không có điện bằng thiết bị có định mức phù hợp và các quy trình an toàn điện đã được thiết lập.

Chỉ nhân sự đã được đào tạo và ủy quyền mới được thực hiện phép đo thanh cái DC đang có điện.

Kỹ thuật viên cũng cần nhớ rằng cấp của đồng hồ đo, định mức điện áp, que đo và phương pháp đo đều rất quan trọng ở các mức năng lượng này.

Kiểm tra điện trở khi không cấp điện có thể cung cấp manh mối, nhưng không đưa ra kết luận cuối cùng

Sau khi bộ truyền động đã được cách ly an toàn và xác nhận thanh cái DC đã xả hết điện, các phép đo điện trở có thể giúp phát hiện một hiện tượng chập rõ ràng.

Tuy nhiên, các giá trị đo giữa DC+ và DC− cần được diễn giải.

Tụ điện có thể được chính đồng hồ đo nạp điện, khiến giá trị điện trở hiển thị thay đổi.

Các đường dẫn bán dẫn bên trong và mạch phụ trợ cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả đo.

Do đó, giá trị điện trở thay đổi không phải là phép kiểm tra tụ điện đạt hay không đạt một cách tuyệt đối.

Quy trình kiểm tra linh kiện của OEM phải được ưu tiên khi cần kiểm tra chi tiết tầng công suất.

Hình 3. Việc khắc phục sự cố biến tần nên liên hệ triệu chứng quan sát được với đúng phân hệ tầng công suất trước khi thay thế linh kiện. Hình ảnh do Adobe Stock cung cấp.

Thời Điểm Xuất Hiện Triệu Chứng Thường Là Bộ Lọc Chẩn Đoán Nhanh Nhất

Một chiến lược khắc phục sự cố thực tế bắt đầu bằng việc xác định chính xác thời điểm xảy ra lỗi.

Lần ngắt tức thời khi cấp điện khiến khả năng xảy ra lỗi điện nghiêm trọng ở tầng đầu vào có vẻ cao hơn.

Một biến tần bắt đầu nạp nhưng không bao giờ chuyển sang trạng thái sẵn sàng nhiều khả năng liên quan hơn đến việc hoàn tất nạp trước, cảm biến bus hoặc các chức năng điều khiển liên quan.

Lỗi thấp áp trong quá trình nạp phải dẫn đến việc kiểm tra cả nguồn điện đầu vào và đường nạp bên trong.

Một biến tần đạt đến điện áp bus bình thường nhưng chỉ báo lỗi sau khi nhận lệnh chạy thuộc về một nhánh khắc phục sự cố khác.

Ở thời điểm đó, đầu ra bộ nghịch lưu, cáp động cơ, tình trạng động cơ và đặc tính tải trở nên đáng quan tâm hơn.

Cách tiếp cận dựa trên trình tự này ngăn việc kiểm tra chuyển ngẫu nhiên giữa các linh kiện không liên quan.

Vài Giây Đầu Tiên Cho Biết Phần Lớn Diễn Biến

Bus DC về cơ bản là một bộ tích trữ năng lượng nằm giữa bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu của biến tần.

Hoạt động của biến tần trong quá trình khởi động có thể dự đoán được vì biến tần phải hoàn tất một trình tự điện được xác định trước khi có thể bắt đầu điều khiển động cơ bình thường.

Nguồn AC đầu vào được chỉnh lưu.

Cụm tụ điện được nạp qua một đường dẫn được kiểm soát.

Điện áp bus tiến gần đến điện áp vận hành.

Giai đoạn nạp trước chuyển sang đường cấp nguồn bình thường.

Hệ thống điều khiển xác nhận các điều kiện cần thiết và cho phép biến tần chuyển sang trạng thái sẵn sàng.

Khi quá trình khởi động thất bại, việc xác định trình tự này đã dừng ở đâu thường có giá trị hơn chỉ đọc thông báo lỗi cuối cùng.

Ngắn mạch trực tiếp, quá trình nạp trước không hoàn tất, tụ điện xuống cấp, sự cố cảm biến điện áp bus và sụt áp phía hệ thống điện nhà máy tạo ra các dạng tín hiệu khác nhau.

Hiểu được các dạng tín hiệu đó biến việc khắc phục sự cố bus DC từ thay linh kiện sang chẩn đoán có hệ thống.

Do đó, đối với các kỹ thuật viên làm việc với biến tần công nghiệp và hệ thống servo, giai đoạn cung cấp nhiều thông tin nhất có thể lại là giai đoạn ngắn nhất: vài giây đầu tiên sau khi cấp nguồn.