تحليل الدوائر الحركية لتحسين الطاقة والموثوقية وتكلفة الإنتاج

مقدمة

مع التقارير الإخبارية التي تشير إلى انقطاع التيار الكهربائي بسبب زيادة الطلب على الكهرباء، لم تعد طرق التحكم في تكاليف الطاقة خيارًا صديقًا للبيئة، بل أصبحت أكثر من مجرد استراتيجية للبقاء. في الصناعة، الإمكانية الأولى للتحكم في الطاقة هي من خلال استراتيجيات الطاقة لنظام المحرك الكهربائي.

تستخدم أنظمة المحركات الكهربائية 19% من إجمالي الطاقة داخل الولايات المتحدة، وهو ما يمثل 57% من إجمالي الطاقة الكهربائية المولدة. أكثر من 70% من الطاقة الكهربائية المستخدمة في التصنيع، و90% في الصناعات التحويلية، تستهلكها أنظمة المحركات. لقد حظيت عمليات تحديث المحركات الكهربائية وتطبيقات المحركات ذات التردد المتغير وغيرها من استراتيجيات كفاءة الطاقة باهتمام مشجع. ومع ذلك، هناك مجالان غالبًا ما يتم تجاهلهما فيما يتعلق بفرص كفاءة الطاقة وهما الصيانة والموثوقية.

وفقًا لمعهد EPRI، يمكن زيادة كفاءة المعدات الميكانيكية بشكل عام بنسبة 10-15% عن طريق الصيانة المناسبة. ويشمل ذلك برامج الصيانة الوقائية والتنبؤية والاستباقية والتصحيحية. على وجه الخصوص، يمكن لتحليل دوائر المحرك (MCA) الذي يتم تطبيقه باستمرار، أن يساعد في تجنب أعطال المحرك، وتمكين الصيانة الاستباقية أو الاستبدال وتحسين كفاءة الطاقة لأنظمة المحركات بشكل عام.

تكاليف الطاقة وحدها لا تبرر دائمًا برنامج صيانة المحرك. ومع ذلك، إلى جانب الإنتاجية وتكاليف الموثوقية المرتبطة بها، يمكن لبرنامج MCA تبرير نفسه على الفور. لنأخذ على سبيل المثال محركًا رئيسيًا بقدرة 100 حصان لخط واحد من المصنع يمثل 10% من إجمالي إنتاجه، ويعمل 6000 ساعة سنويًا. تبلغ تكاليف توقف المصنع 25000 دولار في الساعة إذا كان 100% من المصنع خارج الخدمة. سيستغرق استبدال المحرك 6 ساعات أثناء حدوث عطل فادح مع وقت بدء تشغيل مدته ساعتين. تم تحميل المحرك بنسبة 75% بتكاليف طاقة تبلغ 0.06 دولار أمريكي/كيلوواط ساعة و14 دولار أمريكي/كيلوواط وتم اكتشاف عدم توازن في المعاوقة بنسبة 5%. وستبلغ التكلفة الإجمالية المتزايدة، باستثناء المنتجات المهدرة، 24.875 دولارًا سنويًا. 93.6% سيكون بسبب فقدان الإنتاج، 3.1% بسبب زيادة استهلاك الطاقة، 1.2% بسبب انخفاض عمر المحرك و 2.1% بسبب زيادة تكاليف الطلب (الشكل 1).

وصف تحليل الدوائر الحركية

المفهوم الأساسي لـ MCA هو إتاحة الفرصة للمحلل لعرض المقاومة البسيطة (R)، والمقاومة المعقدة (Z – المعاوقة)، والحث (L)، وزاوية الطور (عامل الطاقة)، ​​وحالة العزل الأرضي (Meg-Ohms) و اختبارات أخرى لتحديد حالة ملفات المحرك الكهربائي. من الأفضل الحصول على هذه القراءات، من أجل السلامة والدقة، مع إلغاء تنشيط الجهاز.

من حيث المبدأ، دائرة المحرك الكهربائي عبارة عن سلسلة من المقاومة، البسيطة والمعقدة، الحث وزوايا الطور الناتجة التي يفصل كل منها 120 درجة في نظام ثلاثي الطور (الشكل 2). عندما تكون الملفات ثلاثية الطور غير كاملة، بسبب عيوب أصلية أو فشل وشيك، بناءً على قوانين الفيزياء، فإنها تصبح غير متوازنة. في المحرك الكهربائي المجمع، أو فراغات الصب أو القضبان المكسورة في العضو الدوار، أو فجوة الهواء الضعيفة أو العمود المنحني سوف يسبب اختلافات بسبب الحث المتبادل بين الجزء الثابت والدوار.

إن قدرة معدات MCA على قراءة الحث المتبادل بين الجزء الثابت والعضو الدوار تسمح أيضًا للمحلل باكتشاف العيوب داخل العضو الدوار أو فجوة الهواء بشكل فعال وسريع وآمن. يمكن أن تعمل معظم معدات MCA على محركات ذات قدرة كسرية إلى أكثر من 10000 حصان، ومن 12 فولت إلى أكثر من 13.8 كيلو فولت، مما يمنحها نطاقًا واسعًا من التشغيل، ولكن لا ينبغي الخلط بينها وبين عدادات RCL، التي توفر قراءات في المقاومة والسعة والتحريض فقط، عادةً مع إضافة اختبار مؤشر الميجر أو الاستقطاب. بالإضافة إلى ذلك، يمكن شراء وحدات MCA عالية الجودة بأقل من 10000 دولار، بما في ذلك حزم البرامج، مما يجعلها أداة صيانة استباقية بأسعار معقولة جدًا.

الفرق المهم بين عدادات RCL وعدادات MCA هو قراءة المعاوقة. وبما أن التيار يساوي الجهد على الممانعة، في تطبيق التيار المتردد، فإن عدم توازن الجهد والتيار يتناسبان عكسيا. وهذا يوفر تمييزًا مهمًا، حيث تم إنجاز قدر كبير من العمل بشأن التأثيرات الاقتصادية لعدم توازن الجهد. باستخدام مقاومة بسيطة، وحدها، يمكن تحديد خسارة I2R عبر نقطة ما، ولكن لا يمكن تحديد موثوقية النظام، ولا يمكن القيام بذلك باستخدام الحث فقط، والذي يتغير اعتمادًا على تصميم اللف والدوار إلى موضع اللف. لسوء الحظ، فإن الأنظمة التي تستخدم الحث كقاعدة غالبًا ما تفشل المحركات الكهربائية والملفات الجيدة. من أجل الحصول على حالة حقيقية لملف المحرك، يجب على المرء أن ينظر إلى جميع مكونات دائرة المحرك، بما في ذلك المقاومة والممانعة والتحريض وزاوية الطور ومقاومة العزل. يضيف مصنع واحد على الأقل لمعدات MCA اختبارًا خاصًا يضاعف التردد المطبق ويعرض النسبة الناتجة بين اللفات. وهذا يسمح بالكشف المبكر عن أخطاء الدوران واللفائف التي قد لا يتم اكتشافها.

تأثير الطاقة لـ MCA

الغرض من المحرك الكهربائي هو تحويل الطاقة الكهربائية إلى عزم دوران ميكانيكي. إنه يعمل بشكل أفضل عندما تكون المراحل الثلاث جميعها بزاوية 120 درجة عن بعضها البعض ويتم التحكم في خسائر الجزء الثابت والدوار والاحتكاك. وبما أن المراحل تختلف بمقدار 120 درجة عن بعضها البعض، فإن كفاءة المحرك تنخفض لأنه يصبح من الصعب على المجالات المغناطيسية أن تدير الدوار. عندما تكون بعيدة بما فيه الكفاية، فإنها تبدأ في التدخل مع بعضها البعض. يمكن العثور على هذا التأثير في كل من عدم توازن الجهد والممانعة، بما في ذلك التأثيرات على الكفاءة والموثوقية والإنتاج. كما هو الحال مع عدم اتزان الجهد، فإن عدم الاتزان بنسبة 1-2% مقبول، ولكن يجب ألا يتجاوز عدم الاتزان 5% حيث أن ارتفاع درجة الحرارة سوف يتجاوز 50% عند تلك النقطة. عندما يتجاوز عدم توازن المعاوقة 2%، يجب خفض قوة المحرك كما هو موضح في الشكل 4.

أحد التأثيرات المهمة لعدم توازن المعاوقة هو كفاءة الطاقة وتأثيرات التكلفة المرتبطة بها. حسابات الطاقة البسيطة لكفاءة المحرك الكهربائي هي كما يلي:

المعادلة 1:

خسائر كيلوواطKW = حصان * .746 * حمل * [(100/E1) – (100/E2)]

حيث: hp هي القدرة الحصانية، وE1 هي الكفاءة الجديدة، وE2 هي الكفاءة الأصلية

المعادلة 2:

تكاليف الطلب $kW/year = $/kW * kW * 12 شهرًا/سنة

المعادلة 3:

تكاليف استخدام الطاقة $kWh/year = $/kWh * ساعة / سنة * kW

يمكن العثور على تأثيرات كفاءة عدم توازن المعاوقة في الشكل 3. محرك كهربائي موفر للطاقة بقدرة 50 حصانًا، 1800 دورة في الدقيقة، كفاءة بنسبة 95%، تحميل بنسبة 85%، يعمل لمدة 6000 ساعة سنويًا، مع عدم توازن مقاومة بنسبة 3.5%، سيكون له كفاءة ناتجة تبلغ 91%. بمتوسط ​​تكلفة طاقة تبلغ 0.06 دولار أمريكي/كيلوواط ساعة ومتوسط ​​تكلفة طلب تبلغ 14 دولارًا أمريكيًا/كيلوواط، فإن تكاليف الطاقة الناتجة ستكون كما يلي:

مثال 1: محرك بقوة 50 حصان مع عدم توازن المعاوقة بنسبة 3.5%

50 حصان * .746 * .85 * [(100/91) – (100/95)] = 1.47 كيلو واط

14 دولارًا أمريكيًا/كيلووات * 1.47 كيلووات / شهر * 12 شهرًا / سنة = 246.96 دولارًا أمريكيًا / سنة

0.06 دولار أمريكي / كيلووات ساعة * 6000 ساعة / سنة * 1.47 كيلووات = 529.20 دولارًا أمريكيًا / سنة

إجمالي تكاليف الطاقة السنوية = 776.16 دولارًا سنويًا

الزيادة السنوية في تكاليف الطاقة لتشغيل هذا المحرك كبيرة. تصبح تأثيرات عدم توازن المعاوقة داخل المصنع أكثر أهمية مع العثور على محركات كهربائية إضافية. جنبا إلى جنب مع انخفاض الكفاءة، تتأثر موثوقية نظام المحرك الكهربائي والإنتاج.

تأثير موثوقية MCA

تأثير موثوقية MCA كنتيجة مباشرة لعدم توازن المعاوقة، ستزداد درجة حرارة تشغيل المحرك الكهربائي، بالإضافة إلى الضغوط الكهروميكانيكية داخل ملف المحرك والدوار. يمكن العثور على الزيادة في الخسائر في الشكل 5، مع التأثير على درجة حرارة التشغيل الموجودة في الشكل 6، وانخفاض موثوقية المحرك في الشكل 7. من المهم أن تفهم أن تحديد عدم توازن الطور أو فشل الملف المحتمل لن يسمح لك بالتنبؤ بفشل المحرك الكهربائي. يمكن تتبع الاختبار وتوجيهه من أجل تحديد النقطة التي سيتم فيها تقليل الموثوقية، أو الثقة في أن المحرك سيعمل كما هو مصمم، إلى النقطة التي سيحدد فيها المالك أنه يجب إصلاح المحرك أو استبداله. يجب أن تكون هذه النقطة متسامحة إلى حد ما مع المحركات غير الحرجة ولها درجة تحمل منخفضة للمعدات الحرجة.

نفس المحرك الذي تبلغ قوته 50 حصانًا مع عدم توازن المعاوقة بنسبة 3.5% سيكون له خسائر الموثوقية التالية:

زيادة في الخسائر بنسبة 20٪.

– ارتفاع في درجات الحرارة بنسبة 25%. بالنسبة للمحرك الذي تم تصنيفه على أنه درجة حرارة محيطة 40 درجة مئوية، وعزل من الفئة F، يعمل في بيئة تبلغ درجة حرارتها 22 درجة مئوية، فإن ارتفاع درجة الحرارة العادية عند حمل 85٪ سيكون 80 درجة مئوية. الزيادة بنسبة 25٪ ستؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة الجديدة إلى 100 درجة مئوية بزيادة 20 درجة مئوية.

إن زيادة درجة الحرارة بمقدار 20 درجة ستؤدي إلى تقليل العمر المحتمل للمحرك الكهربائي إلى 25% من إمكاناته الأصلية (ينخفض ​​عمر العزل بمقدار النصف لكل زيادة بمقدار 10 درجات مئوية في درجة الحرارة). ولا يشمل هذا أي تأثير محتمل آخر على نظام العزل أو نظام عزل الدوران.

تأثير الإنتاج لاختبار MCA

سيعتمد التأثير المباشر على الإنتاج للزيادة المجمعة في تكاليف الطاقة وانخفاض الموثوقية على مدى أهمية المحرك للعمليات. على سبيل المثال، سيكون المحرك الرئيسي لخط الإنتاج بالغ الأهمية، في حين أن وحدة معالجة الهواء قد يكون لها تأثير ضئيل على الإنتاج. مع زيادة احتمال الفشل، يمكن تحديد تكلفة الإنتاج المقدرة. يمكن تحديد تقدير تكلفة الإنتاج هذا لكل 1000 دولار في الساعة مقابل الشكل 9 من خلال الأخذ في الاعتبار مقدار الإنتاج الذي سيتأثر ووقت التوقف المحتمل ووقت بدء التشغيل، في حالة فشل المحرك بشكل غير متوقع.

سيكون للمحرك الكهربائي بقوة 50 حصانًا مع عدم توازن المعاوقة بنسبة 3.5% فرصة فشل بنسبة 60% وخسائر محتملة في الإنتاج تبلغ 600 دولار/1000 دولار. لذلك، إذا كانت القوة البالغة 50 حصانًا عبارة عن محرك كهربائي مهم له تأثير بنسبة 100% على خط بقيمة 5000 دولار في الساعة، مع فترة توقف مدتها 4 ساعات ووقت بدء تشغيل مدته ساعة واحدة، فإن تكلفة التأثير ستكون خسارة محتملة قدرها 15000 دولار:

المعادلة 4: خسائر الإنتاج

600 دولار/1000 دولار * 5000 دولار * 4 ساعات * 1 ساعة = 15000 دولار من الإنتاج المفقود

تجميع كل ذلك معًا في المثال المستخدم في المقالة، تم استخدام محرك كهربائي بالغ الأهمية بقدرة 50 حصانًا مع عدم توازن في المعاوقة بنسبة 3.5%. إجمالي التكاليف المحتملة المرتبطة بعدم توازن المعاوقة سيكون:

سيكون هذا المحرك مرشحًا للإصلاح أو الاستبدال لتجنب التكاليف المحتملة. إذا تمت إزالة المحرك واستبداله أثناء إيقاف التشغيل التالي:

تكلفة استبدال محرك كهربائي فعال بنسبة 95%: 2250 دولارًا

العمالة البديلة: 500 دولار

تكلفة معدات اختبار MCA الأصلية: 7,995 دولارًا

اختبار العمل (5 دقائق بسعر 60 دولارًا في الساعة): 5 دولارات

المجموع: 10,750 دولار

الاسترداد البسيط: 0.68 سنة أو الاسترداد البسيط لمدة 8 أشهر

لا يشمل تكلفة معدات الاختبار: 0.17 سنة أو شهرين

يجب إجراء فحص موثوقية المحرك الجديد عند وصوله إلى المصنع للتأكد من عدم وجود عيوب في التصنيع.

استنتاج

يعد تحليل الدوائر الحركية أداة قوية وبسيطة وآمنة بشكل جوهري (اختبار دون الاتصال بالإنترنت). نطاق الاختبار والاسترداد المحتمل يكاد يكون فوريًا. يمثل المثال المستخدم في هذه المقالة محركًا واحدًا فقط في المصنع. إذا حدد التحليل وجود محركات كهربائية إضافية تتطلب الاهتمام، فإن الشراء الأصلي وتنفيذ برنامج MCA، عند الجمع بين تكاليف الطاقة والإنتاج، سيكون فوريًا. يعد تنفيذ مثل هذا البرنامج كبرنامج أو خدمة داخلية أمرًا مباشرًا:

تدريب MCA – لا تتطلب معظم الأنظمة أكثر من 1 إلى 8 ساعات من التدريب الداخلي للتشغيل الأساسي مع منحنى تعلم الاستخدام المعقول للتحليل المتقدم

تحديد المحركات الحرجة – المحركات المهمة للتشغيل

إجراء التحليل على المحركات المختارة وتحديد النتائج

تتبع واتجاه المحركات الحيوية على الأقل ربع سنوي وشهري إن أمكن

تنفيذ الفرص

زيادة نطاق الاختبار على أساس النجاح

ستؤدي نتائج برنامج MCA، بالاشتراك مع أنظمة الصيانة الاستباقية الأخرى، إلى تحقيق نتائج ممتازة في توفير الطاقة وتحسين الموثوقية ووقت تشغيل الإنتاج.

فهرس

سارما، مولوكوتلا إس، الآلات الكهربائية: نظرية الحالة المستقرة والأداء الديناميكي، شركة PWS للنشر، 1994.

نصار، سيد أ.، نظرية ومشكلات الآلات الكهربائية والكهروميكانيكا، سلسلة الخطوط العريضة لشوم، 1981.

إدمينستر، جوزيف وآخرون، الدوائر الكهربائية الطبعة الثالثة، مدرس شومز الإلكتروني، 1997.

هاموند وآخرون، الهندسة الكهرومغناطيسية والعمليات الفيزيائية والحساب، منشورات أكسفورد للعلوم، 1994.

بنروز، هوارد دبليو، مواصفات إصلاح المحركات الحثية متعددة الأطوار ذات الجهد المنخفض المخصصة لتطبيق عاكس PWM، جامعة كينيدي الغربية، 1995.

بنروز، هوارد دبليو.، نهج جديد للصيانة الشاملة لنظام المحركات وإدارته لتحسين وقت التشغيل وتكاليف الطاقة في المرافق التجارية والصناعية، جامعة كينيدي الغربية، 1997.

بنروز، هوارد دبليو.، نهج جديد للتقييمات الصناعية لتحسين الطاقة، وتدفق النفايات، والعملية والموثوقية، جامعة كينيدي الغربية، 1999.

بنروز، هوارد دبليو، تشريح إصلاح المحرك الكهربائي الموفر للطاقة، مجلة العزل الكهربائي، يناير/فبراير 1997.

تحليل إطار الطور لآثار عدم توازن الجهد على الآلات الحثية، معاملات IEEE في التطبيقات الصناعية، المجلد. 33، العدد 2، مارس/أبريل 1997، ص. 415.

بونيت، أوستن أ.، كيفية تحليل فشل العضو الدوار والعضو الثابت في المحركات الحثية ذات القفص السنجابي ثلاثية الطور، مؤتمر الوكالة الأوروبية لسلامة الطيران (EASA)، 1997.

فاراثاراسا، لوغان وآخرون، محاكاة أداء المحرك التعريفي ثلاثي الطور أثناء الأعطال، مؤتمر EIC/EMCW 1998 على قرص مضغوط.

وزارة الطاقة الأمريكية وآخرون، الحفاظ على الشرارة في نظامك الكهربائي، وزارة الطاقة الأمريكية، أكتوبر 1995.

عن المؤلف

دكتور هوارد دبليو بنروز، Ph.D. لديه أكثر من 15 عامًا في صناعة إصلاح المحركات الكهربائية والمحركات الكهربائية. بدءاً من العمل كمتخصص في إصلاح المحركات الكهربائية في البحرية الأمريكية للخدمة الميدانية وتقييم المعدات الدوارة الصغيرة من جميع الأنواع ، كرئيس المهندسين لورشة إصلاح محركات كبيرة في الغرب الأوسط. شارك Dr. Penrose بشكل مباشر في إعادة اللف والتدريب واستكشاف الأخطاء وإصلاحها AC ، DC ، دوار الجرح ، المتزامن ، أداة الآلة ، والمعدات المتخصصة. له. تتضمن الدراسات الإضافية المحركات الكهربائية والموثوقية الصناعية وطرق الاختبار وكفاءة الطاقة وتأثير الصيانة على الإنتاج. الدكتور بنروز هو رئيس سابق لقسم شيكاغو في IEEE، ورئيس سابق لجمعية العوازل والعزل الكهربائي في IEEE شيكاغو، وعضو محترف في جمعية لفائف ولف التصنيع الكهربائي، ومحترف محترف في المحركات معتمد من وزارة الطاقة الأمريكية، وهو محلل الاهتزازات، ومحلل الأشعة تحت الحمراء، ومحلل دوائر السيارات.