Quá tải động cơ máy đùn: Nguyên nhân và các bước khắc phục sự cố

Các sự kiện quá tải động cơ máy đùn sẽ ngừng sản xuất mà không có cảnh báo, thường là vào thời điểm tồi tệ nhất có thể xảy ra — trong quá trình vận chuyển quan trọng hoặc trong quá trình chuyển đổi cấp độ với khoảng thời gian lập kế hoạch chặt chẽ. Quá tải động cơ máy đùn liên quan đến những cân nhắc cụ thể khác với các quy trình ép đùn thông thường. Hành trình quá tải cho thấy nhu cầu mô-men xoắn trên động cơ đã vượt quá ngưỡng bảo vệ, nhưng việc xác định lý do tại sao nhu cầu đó tăng đột biến đòi hỏi phải kiểm tra các yếu tố liên quan đến cơ, nhiệt và vật liệu trên toàn bộ hệ thống truyền động. Hiểu được toàn bộ các nguyên nhân tiềm ẩn sẽ ngăn chặn các chuyến đi định kỳ và bảo vệ các bộ phận ổ đĩa đắt tiền khỏi hư hỏng tích lũy. Người vận hành gặp phải tình trạng quá tải động cơ cùng với các lỗi quy trình khác nên tham khảo ý kiến xử lý sự cố ép đùn tấm cho một phương pháp chẩn đoán thống nhất.

Tìm hiểu cơ chế quá tải động cơ

Quá tải động cơ trong quá trình ép đùn không chỉ đơn giản có nghĩa là 'động cơ quá nhỏ.' Trong khi động cơ có kích thước nhỏ chắc chắn có thể gây ra tình trạng quá tải mãn tính, hầu hết các sự kiện quá tải trên các hệ thống được chỉ định phù hợp đều là kết quả của các tình trạng bất thường đẩy động cơ vượt quá phạm vi hoạt động được thiết kế của nó.

Hệ thống bảo vệ quá tải — dù là rơle quá tải nhiệt, rơle bảo vệ động cơ điện tử hay bảo vệ bên trong VFD — ngắt khi dòng điện động cơ vượt quá ngưỡng trong một khoảng thời gian xác định. Sự tăng vọt trong thời gian ngắn trên dòng điện trên bảng tên là bình thường trong quá trình chuyển tiếp. Tuy nhiên, tình trạng quá dòng kéo dài cho thấy có vấn đề thực sự về cơ học hoặc quy trình.

Mối quan hệ giữa mô-men xoắn và dòng điện: Đối với động cơ cảm ứng xoay chiều, dòng điện tỷ lệ thuận với nhu cầu mô-men xoắn. Khi vít gặp phải lực cản tăng lên—dù là do vật liệu lạnh hơn, nhiễm bẩn hay lực cản cơ học—động cơ sẽ hút thêm dòng điện để duy trì tốc độ. Nếu dòng điện vượt quá điểm ngắt lâu hơn thời gian cài đặt trễ cho phép, hệ thống bảo vệ sẽ kích hoạt và động cơ dừng lại.

Việc hiểu xem bộ truyền động động cơ sử dụng cấu hình tải mô-men xoắn không đổi hay mô-men xoắn thay đổi sẽ ảnh hưởng đến cách cấu hình ngưỡng quá tải. Máy đùn là ứng dụng có mô-men xoắn không đổi, có nghĩa là nhu cầu mô-men xoắn vẫn tương đối ổn định trong phạm vi tốc độ. Sự so sánh động cơ servo và động cơ tiêu chuẩn ở đây có liên quan vì hệ thống dẫn động bằng servo xử lý các điều kiện quá tải nhất thời khác với động cơ cảm ứng tiêu chuẩn, có ý nghĩa riêng biệt đối với cài đặt bảo vệ và hoạt động phục hồi.

Thiệt hại khi khởi động nguội và quá tải khi khởi động

Khởi động máy đùn với polyme đã có sẵn trong thùng — sau khi tắt máy theo kế hoạch hoặc sau khi dừng đột ngột — thể hiện cấu hình mô-men xoắn khác về cơ bản so với khởi động từ trạng thái thùng rỗng.

Rủi ro hóa rắn polyme: Khi máy đùn dừng lại, polyme còn lại trong thùng bắt đầu nguội và đông đặc lại dựa vào các trục vít và thành thùng. Mức độ đông đặc phụ thuộc vào đặc tính kết tinh của polyme, thời gian ngừng hoạt động và liệu quá trình gia nhiệt của thùng có được duy trì trong quá trình dừng hay không.

Khởi động lại quá trình khuếch đại mô-men xoắn: Việc quay polyme đông đặc đòi hỏi mô-men xoắn lớn hơn đáng kể so với việc bơm vật liệu nóng chảy. Hệ số mô-men xoắn bằng 2—x mô-men xoắn chạy bình thường là phổ biến trong quá trình khởi động lại ở trạng thái nguội. Nếu rơle bảo vệ động cơ được đặt ở dòng điện chạy bình thường, việc khởi động lại ở chế độ nguội gần như chắc chắn sẽ gây ra hiện tượng quá tải.

Giao thức phòng ngừa:

• Duy trì nhiệt độ vùng thùng trên điểm nóng chảy polymer trong bất kỳ kế hoạch ngừng hoạt động nào vượt quá 30 phút

• Trước khi khởi động lại, chạy vít ở tốc độ tối thiểu với bộ gia nhiệt thùng ở công suất tối đa cho đến khi nhiệt độ nóng chảy ở khuôn đạt đến phạm vi xử lý

• Triển khai trình tự tăng tốc được lập trình để tăng dần tốc độ vít trong 60—20 giây thay vì tăng thẳng đến tốc độ sản xuất

Sự cố quá tải động cơ không chỉ gây ra tình trạng ngừng sản xuất ngay lập tức mà còn có thể đẩy nhanh quá trình xuống cấp cách điện của động cơ nếu xảy ra vấp ngã thường xuyên. Nền tảng ép đùn tấm của JWELL có tính năng giám sát dòng điện động cơ với ngưỡng quá tải có thể định cấu hình và trình tự tăng tốc dần dần trong quá trình khởi động nhằm ngăn chặn mô-men xoắn khởi động nguội đột biến — hệ thống bảo vệ đã giảm hơn 70% sự kiện quá tải động cơ so với cấu hình khởi động trực tiếp, đồng thời kéo dài tuổi thọ cách điện cuộn dây động cơ.

Lực kéo cơ học: Các vấn đề về hộp số và truyền động

Đường cơ học từ động cơ đến trục vít bao gồm một số bộ phận có thể phát triển ma sát và lực cản theo thời gian. Mỗi cái đóng góp vào nhu cầu mô-men xoắn tăng dần, tích lũy sẽ đẩy động cơ về ngưỡng quá tải của nó.

Vòng bi hộp số bị mòn: Vòng bi trục đầu ra của hộp số hoạt động dưới tải trọng hướng trục và hướng tâm nặng từ lực đẩy trục vít. Khi vòng bi bị mòn, độ hở bên trong tăng lên, gây ra hiện tượng lệch bánh răng và tăng ma sát. Triệu chứng đặc trưng là dòng điện động cơ tăng dần trong nhiều tuần hoặc nhiều tháng, kèm theo tiếng ồn hộp số bất thường - điển hình là âm thanh ken két thô ráp ở tốc độ cao hơn.

Sự xuống cấp của ổ đỡ lực đẩy: Ổ đỡ lực đẩy hấp thụ lực dọc trục về phía trước do trục vít tạo ra khi nó đẩy polyme qua khuôn. Sự mài mòn ổ trục lực đẩy cho phép chuyển động dọc trục làm thay đổi vị trí trục vít trong thùng, có khả năng tạo ra nhiễu cơ học với thành thùng. Đây là tình trạng nghiêm trọng có thể gây ra điểm thùng nếu không được giải quyết kịp thời.

Độ lệch khớp nối: Độ lệch giữa động cơ, hộp số và trục vít tạo ra tải theo chu kỳ làm tăng thêm yêu cầu về mô-men xoắn cơ bản. Kiểm tra căn chỉnh bằng laser trong quá trình lắp đặt và sau bất kỳ sự kiện bảo trì nào làm xáo trộn hệ thống truyền động là điều cần thiết để ngăn chặn nguồn lực cản ký sinh này.

Ô nhiễm vật chất và hư hỏng vật thể lạ

Sự nhiễm bẩn trong nguyên liệu polyme gây ra mô-men xoắn tăng đột ngột và thường rất mạnh. Mức độ nghiêm trọng phụ thuộc vào loại và số lượng chất gây ô nhiễm.

Ô nhiễm kim loại — vít, đai ốc hoặc các vật bằng kim loại khác từ thiết bị xử lý ngược dòng — có thể nằm giữa cánh vít và thành thùng, tạo ra khóa cơ ngay lập tức khiến dòng điện động cơ ngừng hoạt động trong vòng vài giây. Bộ tách từ và máy dò kim loại trong họng cấp liệu mang lại khả năng bảo vệ chính.

Ô nhiễm phi kim loại — các đốm polyme chéo, các mảnh nghiền lại quá khổ hoặc đá nghiền lại bị ô nhiễm có chứa các loại polyme khác nhau — tạo ra sự tăng độ nhớt cục bộ làm tăng nhu cầu mô-men xoắn dần dần nhưng liên tục.

Nhựa quá khô hoặc xuống cấp có độ nhớt nóng chảy cao hơn vật liệu được điều hòa thích hợp, nâng cao yêu cầu mô-men xoắn cơ bản trong mọi điều kiện vận hành. Điều này đặc biệt đáng chú ý với các polyme kỹ thuật trong đó độ ẩm có ảnh hưởng mạnh mẽ đến đặc tính dòng chảy tan chảy.

Ngăn ngừa quá nhiệt máy đùn là một chủ đề có liên quan chặt chẽ vì các vấn đề quản lý nhiệt — nhiệt độ thùng cao do lỗi hệ thống làm mát — có thể làm suy giảm polyme trong thùng, đồng thời làm tăng độ nhớt và kết hợp với tình trạng quá tải.

Giám sát dòng điện động cơ và bảo vệ dự đoán

Các hệ thống ép đùn hiện đại sử dụng tính năng giám sát dòng điện động cơ tinh vi vượt xa khả năng ngắt quá tải đơn giản.

Phân tích xu hướng: Vẽ đồ thị dòng điện động cơ theo thời gian cho thấy sự tăng dần trước các sự kiện quá tải. Xu hướng dòng điện tăng qua nhiều ca, ngay cả khi vẫn ở dưới ngưỡng ngắt, báo hiệu các vấn đề đang phát triển — mòn vòng bi, trôi độ nhớt polyme hoặc tắc nghẽn một phần gói màn hình.

Mất cân bằng dòng điện: Đối với động cơ ba pha, việc so sánh dòng điện giữa cả ba pha sẽ xác định các vấn đề về điện như một pha (một pha mở một phần), mất cân bằng điện áp từ nguồn cung cấp hoặc suy giảm cách điện của cuộn dây động cơ. Sự chênh lệch dòng điện giữa các pha vượt quá 5% cần phải kiểm tra hệ thống điện.

Phân tích quang phổ: Phân tích dấu hiệu dòng điện động cơ nâng cao (MCSA) có thể phát hiện các lỗi cơ học cụ thể — thanh rôto bị hỏng, độ lệch tâm khe hở không khí, hư hỏng vòng bi trong chính động cơ — bằng cách kiểm tra nội dung tần số của dạng sóng hiện tại. Kỹ thuật này cung cấp cảnh báo sớm về các lỗi điện và cơ khí trước khi chúng tiến triển thành hỏng hóc.

Tóm tắt hành động khắc phục

Trục vít và thùng bị mòn là tác nhân gây quá tải

Sự mài mòn ngày càng tăng ở cụm trục vít và thùng tạo ra các điều kiện làm tăng nhu cầu mô-men xoắn của động cơ theo thời gian. Không giống như các hiện tượng quá tải đột ngột do vật lạ hoặc lỗi làm mát, tình trạng quá tải liên quan đến hao mòn phát triển dần dần, thường không được chú ý cho đến khi động cơ hoạt động liên tục gần ngưỡng ngắt.

Khi độ hở của trục vít tăng lên do mài mòn hoặc ăn mòn, sự rò rỉ tan chảy trên các đầu trục vít sẽ làm giảm hiệu suất bơm. Vít phải quay nhanh hơn để tạo ra cùng một công suất, làm tăng yêu cầu mô-men xoắn cơ bản. Trong những trường hợp nghiêm trọng, các chuyến bay bị mòn cho phép vật liệu lưu thông ngược thay vì chuyển tiếp, tạo ra tình trạng động cơ hoạt động mạnh hơn trong khi công suất thực sự giảm. Việc kiểm tra kéo vít thường xuyên sẽ đo đường kính trục vít và so sánh nó với các thông số kỹ thuật ban đầu. Khi độ hở vượt quá 0,3-0,5% đường kính thùng, việc thay thế hoặc xây dựng lại trở nên hợp lý về mặt kinh tế.

Sự xuống cấp của lớp lót thùng tạo ra một dấu hiệu mô-men xoắn khác. Lớp lót thùng chứa nitơ hoặc lưỡng kim có khả năng chống mài mòn, nhưng chúng không tránh khỏi. Rỗng, tạo rãnh hoặc ăn mòn trên thành thùng làm tăng lực cản polyme và tạo ra các vùng cắt cao cục bộ giúp tăng độ nhớt hiệu quả. Động cơ phản ứng với dòng điện rút ra cao hơn, đặc biệt ở tốc độ trục vít cao trong đó polyme dành ít thời gian hơn trong bất kỳ vùng thùng nhất định nào.

Thiết kế vít không khớp cũng góp phần gây ra tình trạng quá tải. Chạy trục vít đa dụng với tỷ số nén cao trên nhựa kỹ thuật có độ nhớt cao buộc động cơ phải làm việc vất vả hơn mức cần thiết. Vít chắn hoặc thiết kế chuyên dụng cho các dòng polyme cụ thể giúp giảm nhu cầu mô-men xoắn bằng cách cải thiện hiệu suất nóng chảy và giảm áp suất tạo ra trong phần cấp liệu. Việc trang bị thêm cấu hình trục vít được tối ưu hóa có thể giảm tải động cơ từ 15-25% đồng thời cải thiện chất lượng nóng chảy.

Cấu hình tham số VFD để bảo vệ quá tải

Bộ truyền động tần số thay đổi cung cấp khả năng điều khiển động cơ linh hoạt, nhưng cài đặt tham số không chính xác có thể che giấu các vấn đề đang phát triển hoặc gây ra các chuyến đi không cần thiết. Cấu hình VFD thích hợp cho các ứng dụng máy đùn đòi hỏi phải chú ý đến giới hạn mô-men xoắn, đường dốc tăng tốc và các thông số mô hình nhiệt.

Cài đặt giới hạn mô-men xoắn phải phản ánh công suất cơ học thực tế của bộ truyền động thay vì chỉ khớp với các giá trị trên bảng tên động cơ. Việc đặt giới hạn mô-men xoắn ở mức 110-120% mô-men xoắn định mức sẽ bảo vệ khỏi hư hỏng cơ học đồng thời hỗ trợ quá trình chuyển tiếp thông thường. Cài đặt thấp hơn có thể gây ra những chuyến đi khó chịu trong quá trình khởi động hoặc thay đổi vật liệu. Giới hạn mô-men xoắn VFD tương tác với bảo vệ nhiệt động cơ, do đó cả hai thông số phải được phối hợp.

Các đường dốc tăng tốc và giảm tốc ảnh hưởng đến trạng thái quá tải khi thay đổi tốc độ. Việc tăng tốc mạnh buộc động cơ phải phát triển mô-men xoắn cao một cách nhanh chóng, làm tăng nguy cơ bị vấp khi tăng tốc. Đối với máy đùn xử lý vật liệu có độ nhớt cao, thời gian tăng tốc từ 0 đến tốc độ tối đa là 60-120 giây để tránh hiện tượng rút dòng điện quá mức. Đường dốc giảm tốc cũng quan trọng, đặc biệt là trên các máy đùn lớn, nơi năng lượng tái tạo từ quán tính trục vít có thể làm quá tải bus VDC nếu không được quản lý đúng cách.

Các tham số mô hình nhiệt trong VFD ước tính nhiệt độ cuộn dây động cơ dựa trên lịch sử dòng điện và hằng số thời gian làm mát. Bảo vệ nhiệt chính xác yêu cầu nhập đúng dữ liệu động cơ: dòng điện đầy tải, hệ số vận hành, cấp cách điện và phương pháp làm mát. Động cơ có quạt làm mát độc lập có hằng số thời gian nhiệt khác với các bộ phận làm mát bằng quạt kín hoàn toàn và mô hình VFD phải phản ánh sự khác biệt này để tránh tình trạng bảo vệ kém hoặc vấp ngã gây phiền toái.

Câu hỏi thường gặp

Một người nên làm gì ngay sau một chuyến đi quá tải? Để động cơ nguội ít nhất 30 phút trước khi thử khởi động lại. Trong thời gian hồi chiêu, hãy kiểm tra hồ sơ nhiệt độ thùng, kiểm tra các vật thể lạ gần họng cấp liệu và xem lại dữ liệu xu hướng hiện tại của động cơ dẫn đến sự kiện ngắt.

Làm thế nào để biết tình trạng quá tải là do cơ học hay liên quan đến quá trình? So sánh xu hướng hiện tại trước chuyến đi. Dòng điện tăng dần theo giờ cho thấy có vấn đề cơ học đang phát triển hoặc ô nhiễm dần dần. Sự tăng vọt đột ngột cho thấy một sự kiện cấp tính — nuốt phải vật thể lạ, hỏng hệ thống làm mát đột ngột hoặc thay đổi thông số nhanh chóng.

Các chuyến đi quá tải thường xuyên có thể làm hỏng động cơ vĩnh viễn không? Đúng. Mỗi sự kiện quá tải đều khiến cuộn dây động cơ phải chịu nhiệt độ tăng cao, làm tăng tốc độ lão hóa cách điện. Việc ngắt quãng thường xuyên có thể làm giảm tuổi thọ cách điện của động cơ từ 50% trở lên so với các động cơ hoạt động liên tục trong phạm vi dòng điện định mức.

Có an toàn không khi tăng cài đặt chuyến đi quá tải để tránh những chuyến đi phiền toái? Việc tăng cài đặt ngắt trên mức định mức trên bảng tên động cơ sẽ loại bỏ lớp bảo vệ được thiết kế để ngăn ngừa hư hỏng cuộn dây. Những chuyến đi phiền toái cho thấy một vấn đề thực sự cần được giải quyết thay vì che đậy bằng cách nâng cao ngưỡng. Nếu cần điều chỉnh, hãy tham khảo ý kiến ​​nhà sản xuất động cơ để biết mức quá tải ngắn hạn cho phép.