2011年3月19日 星期六

壓縮機馬達燒毀

要了解為何壓縮機馬達會燒毀,必須從電動機的基本原理開始.

現今冷凍空調工業所使用的電動機,以三相感應鼠籠式馬達為最大宗,尤其是一些大馬力應用的場何.跟一般原動機械不同的,大部分的冷凍機因為冷煤壓力的關係,都設計成半密閉或全密閉的設計,因此馬達線圈的散熱必須靠回流的低溫冷煤來散熱.

鼠籠式的馬達構造簡單而強壯,是非常可靠的設計,但是用在密閉或半密閉的冷凍系統當中,馬達線圈的散熱除了靠冷煤之外,線圈的絕緣還必須能耐受冷煤與冷凍油,因此問題變的更複雜.

一般壓縮機馬達燒毀的漸進過程是馬達線圈絕緣首先破壞,破壞的原因有可能是熱,或是污染的冷煤或是冷凍油腐蝕線圈的絕緣保護,接下來因為絕緣的破壞導致在馬達內部造成局部磁場電流過高,接下來越來越惡性循環,再來就是燒馬達了.

密閉或半密閉的壓縮機馬達大部分都設計成利用低壓側的回冷來冷卻馬達線圈,也有利用冷凝器的液態冷煤接管到壓縮機馬達線圈直接利用液態冷煤來冷卻的設計.

撇開因為冷煤或冷凍油變質造成的燒毀原因不談,單就馬達冷卻部分和負載大小的關係來討論.

前面講過,密閉或半密閉的壓縮機馬達必須靠冷煤氣體或冷凝器的液態冷煤來冷卻,馬達的熱主要是銅鐵損失及渦流損,若是一顆額定功率運轉100kw的馬達,標稱效率為95%,則滿載時會有95kw的熱會發散到冷煤迴路中必須靠冷煤帶走,而不管是用回流的氣體或液態冷煤散熱,這些冷煤的流量都必須能夠將這些熱帶走,不然就可能造成馬達線圈過熱進而絕緣破壞造成馬達燒毀.

問題是冷煤是一種相變的物質,在某些溫度壓力下是液態,在某些溫度壓力下又是氣態,並且冷卻馬達的冷媒量又跟負載大小及操作的溫度範圍有很大的關係.

上圖是一般螺旋機馬達冷卻及冷媒流向的示意圖,大部分的螺旋式壓縮機都設計成低壓入口由馬達側吸入,所以低溫低壓的氣態冷媒會橫過整個壓縮機線圈再進入壓縮機入口,若是有蒸發器帶入的少部分未蒸發的液態冷媒,也可藉由線圈的發熱將冷媒氣化,避免發生壓縮機液壓縮的現象.

所以線圈因為過熱燒毀的機會不大,問題是主機的冷凍負載會隨著現場的需求而變動,冷卻水的溫度也會隨著天氣而變,因此冷媒的壓力並非一成不變,有些冷媒洩漏的系統,如果又碰到高負載的狀況,就容易因為冷媒不足而造成吸入口的溫度變高,就有可能造成線圈局部的散熱不好而損壞絕緣.日積月累之下絕緣逐漸被破壞導致馬達燒毀.而發生這種情形其實是跟日常的操作和負載有關的.

另一個常見的情形是電力品質不好,三相電流不平衡,三相電動機的基本原理就是走起來的時候三相電流的差距越小越好,這樣子三相都平衡的情況下馬達的線圈處於平均發熱的情況,就不容易發生線圈局部點過熱的現象,大大降低燒機的風險.問題是由於馬達屬於電感性負載,電感量的多寡與因此產生讓電動機旋轉的磁通量與負載及提供的電源品質有關.

想像一個簡單的問題,如果有三匹馬同時拉動一個重物,當其中一匹馬出力特別重或是輕,都會造成被拉動的重物不平衡的狀況,特別是出力特別重的那匹馬,早晚會因為出力最多而累死,最後只剩兩匹馬拉重物整個平衡就完全破壞了,俗稱欠相,馬達欠相運轉的狀況下,燒馬達幾乎是注定的結局.

由於構造的關係,離心機的冷媒吸入口由壓縮機葉輪的中心口吸入,再由葉輪的邊緣離心力最高的地方吐出,因此沒有如螺旋機般低壓冷媒強制由馬達線圈經過再到壓縮機,必須由冷凝器抽取一定量的冷媒到馬達線圈提供散熱,若是沒有強制的冷媒泵驅動足夠的冷媒到線圈,就必須藉由冷凝器的高壓將液態冷媒推送到線圈散熱,而這推送的冷媒量則跟主機的高壓有關,若是高壓越高,在固定管徑之下冷媒量越多,問題是越高的壓力代表越高的主機能源消耗,因此如何在迎合氣候降低水溫的同時兼顧馬達線圈的散熱就變成一個微妙的問題.至於電力供應及運轉狀況的觀察則跟螺旋機相同,因此不再贅述

壓縮機馬達的燒毀一定都有原因,以現今材料科技的進步,純粹會因為機械構造品質的問題導致燒毀的問題應該不多,畢竟這些材料的發展都已經有非常長的時間,真正難以掌握的是負載及天氣的變動以及人為的操作,一台設備不可能在任何的情況下都能運轉,比如電力品質不好,比如高低壓力不對,比如水溫控制不良,比如設備設計值過大,太多間接的可能原因都可能造成馬達燒毀的下場.

工程師的角色應該是一一的抽絲剝繭,理性的分析整個可能的原因,平日的運轉及保養紀錄是提供線索最重要的依據,這樣才能避免下一次燒機災難的繼續發生.