Ngăn ngừa tình trạng ăn mòn "ẩn mình" của bộ biến tần

Một số ví dụ về tác động của ăn mòn đối với các bộ truyền động công nghiệp (VSD).

Các nhà sản xuất hoàn toàn đúng khi tập trung vào hiệu suất, hiệu quả năng lượng và thời gian vận hành của thiết bị. Nhưng bên cạnh những ưu tiên đó, vẫn tồn tại một mối đe dọa tốn kém và thường vô hình, ngày càng gia tăng: ăn mòn. Tác động toàn cầu của ăn mòn là vô cùng lớn, Hiệp hội Bảo vệ và Hiệu suất Vật liệu ước tính tổn thất lên tới 2,5 nghìn tỷ đô la mỗi năm.

Đối với bộ truyền động biến tần (VSD), ăn mòn có thể dẫn đến những hỏng hóc thảm khốc - thường không có dấu hiệu cảnh báo trước. Trong các ngành như cao su, nhựa, khai thác mỏ và xử lý nước, sự kết hợp giữa nhiệt, độ ẩm, hóa chất và bụi tạo ra điều kiện lý tưởng để bộ truyền động xuống cấp.

Khác với hao mòn cơ học, ăn mòn lại “ẩn mình”. Nó có thể tác động cả bên trong lẫn bên ngoài, từ các cụm công suất, bo mạch điện tử cho đến các vòng đệm, và thường xuất hiện sau thời gian bảo hành - khi mà chi phí hỏng hóc là đắt đỏ nhất. Thực tế, chỉ một giờ ngừng sản xuất do bộ truyền động hỏng có thể gây thiệt hại hơn 90.000 bảng Anh.

Ăn mòn thường được định nghĩa là sự suy thoái do tương tác hóa học giữa vật liệu và môi trường xung quanh. “Ăn mòn điện tử” bao gồm sự hư hại đối với các bộ phận quan trọng như PCB (bo mạch in), IGBT, bề mặt tiếp xúc nhiệt và các đầu nối. Độ ẩm, các chất ô nhiễm như sulfur dioxide, cũng như các hạt phản ứng, có thể bám lên các bề mặt nhạy cảm, từ đó kích hoạt các phản ứng điện hóa làm suy giảm chức năng theo thời gian.

Các loại polymer được dùng trong vỏ nhựa, cao su hoặc các vòng đệm cũng có thể bị suy thoái khi tiếp xúc với hóa chất. Những hỏng hóc này thường khó nhận biết cho đến khi dẫn đến rò rỉ, hỏng vòng đệm hoặc thậm chí vỏ thiết bị bị phá hủy hoàn toàn. Vấn đề càng trở nên phức tạp khi các bộ truyền động hiện đại được thiết kế nhỏ gọn và hiệu suất cao, sinh ra nhiều nhiệt hơn, do đó cần nhiều luồng khí hơn. Cả hai yếu tố này đều có thể làm tăng mức độ tiếp xúc với các tác nhân gây ăn mòn nếu không có biện pháp bảo vệ thích hợp.

Các dấu hiệu bề mặt như vết gỉ sét có thể gây mất thẩm mỹ, nhưng nhìn chung không nguy hiểm. Tuy nhiên, “silver whiskers” (sợi bạc li ti) lại nguy hại hơn nhiều. Đây là những cấu trúc siêu nhỏ dạng sợi mảnh do sulfur gây ra, có thể tạo ra các đường dẫn điện ngoài ý muốn, dẫn đến lỗi hệ thống hoặc hỏng hóc hoàn toàn. Loại ăn mòn này đặc biệt nguy hiểm bởi rất khó phát hiện và càng khó chẩn đoán.

Độ ẩm cao, thay đổi nhiệt độ đột ngột, và các sản phẩm phụ hóa học từ quá trình công nghiệp khiến những ngành như cao su và nhựa, bột giấy và giấy, cũng như xử lý nước thải trở nên đặc biệt dễ tổn thương. Các thị trường mới nổi ở châu Á và châu Phi cũng chịu rủi ro tương tự, nơi điều kiện môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như nhiệt độ trên 45°C kết hợp với độ ẩm cao.

Khoảng trống trong tiêu chuẩn

Mặc dù vấn đề này rất quan trọng, nhưng những tiêu chuẩn đã lỗi thời như IEC 60721-3-3:2002 vẫn đang chi phối thiết kế của phần lớn thiết bị ngày nay. Các nhãn như 3C3 thường xuyên xuất hiện trong thông số kỹ thuật của bộ truyền động, nhưng lại thiếu thử nghiệm thực tế hoặc tiêu chí đánh giá đạt/trượt rõ ràng. Điều này tạo ra một cảm giác an toàn giả tạo. Một bo mạch PCB được phủ bảo vệ có thể đáp ứng “trên giấy tờ”, nhưng chưa chắc đã bền vững trong môi trường ăn mòn.

Tin tốt là những tiêu chuẩn mới, chẳng hạn như IEC 60721-3-3:2019, đang chuyển trọng tâm từ phơi nhiễm khí lý thuyết sang tác động ăn mòn thực tế. Chúng phân loại môi trường từ G1 (nhẹ) đến GX (nghiêm trọng), dựa trên mức độ kim loại bị ăn mòn trong vòng 30 ngày. Tuy nhiên, tiêu chuẩn này lại không chỉ rõ cách thức phải thử nghiệm bộ truyền động, dẫn đến một khoảng trống quan trọng.

Để khắc phục điều đó, ABB đã phát triển một quy trình thử nghiệm nghiêm ngặt dành cho bộ truyền động biến tần. Hợp tác với Đại học Công nghệ Lappeenranta-Lahti tại Phần Lan, không chỉ các linh kiện riêng lẻ mà cả những bộ truyền động đang vận hành thực tế đã được đưa vào thử nghiệm với nồng độ khí công nghiệp cao, nhiệt độ khắc nghiệt và độ ẩm lớn. Sau đó, bằng các kỹ thuật như chụp ảnh nhiệt và kính hiển vi điện tử, chúng ABB đánh giá toàn bộ bộ truyền động, bao gồm cả quạt làm mát, đầu nối và hệ thống điện tử bên trong.

Mức độ thử nghiệm này giúp phát hiện những điểm yếu tiềm ẩn và xác thực đâu là các biện pháp bảo vệ thực sự hiệu quả, vượt xa so với chỉ phủ lớp bề mặt.

Kết quả rất rõ ràng: các bộ truyền động đặt trong vỏ IP55 (UL Type 12) với vòng đệm gia cố hoạt động tốt hơn đáng kể so với các mẫu IP21 (UL Type 1). Đối với các môi trường có rủi ro cao, chẳng hạn như sản xuất lốp xe với không khí giàu lưu huỳnh, ABB hiện cung cấp các dòng VSD được gia cường, đạt chuẩn cho điều kiện khắc nghiệt C5/CX hoặc GX, có khả năng chịu được tốc độ ăn mòn lên đến 8.000 angstrom trong vòng 30 ngày.

Ăn mòn hiếm khi đưa ra cảnh báo sớm và thường xảy ra sau khi thời hạn bảo hành của bộ truyền động đã hết. Tuy nhiên, hiểu được nguyên nhân và hạn chế của các tiêu chuẩn hiện có là bước đầu tiên để tránh ngừng hoạt động và bảo vệ người lao động.

Mặc dù một số dạng ăn mòn là khó tránh khỏi, nhưng hỏng hóc của bộ truyền động thì không nhất thiết phải xảy ra. Với các biện pháp bảo vệ và quy trình phù hợp, tuổi thọ của VSD có thể được kéo dài đáng kể và độ tin cậy của hệ thống có thể được đảm bảo, ngay cả trong những môi trường khắc nghiệt nhất.

Theo Drives&Controls