Motorkredsløbsanalyse til forbedring af energi, pålidelighed og produktionsomkostninger

Introduktion

Med nyhedsrapporter om strømafbrydelser på grund af øget efterspørgsel på elektricitet er metoder til at kontrollere energiomkostningerne ikke længere en grøn mulighed, men mere en overlevelsesstrategi. Inden for industrien er det største potentiale for energistyring gennem energistrategier for elektriske motorsystemer.

Elektriske motorsystemer bruger 19% af al energi i USA, hvilket svarer til 57% af al genereret elektrisk strøm. Over 70% af den elektriske energi, der bruges i fremstillingsindustrien, og 90% i procesindustrien, forbruges af motorsystemer. Eftermontering af elmotorer, anvendelse af frekvensomformere og andre energieffektivitetsstrategier har fået opmuntrende opmærksomhed. Men to områder, der ofte bliver overset, når det gælder muligheder for energieffektivitet, er vedligeholdelse og pålidelighed.

Ifølge EPRI kan effektiviteten af mekanisk udstyr generelt øges med typisk 10-15 % ved korrekt vedligeholdelse. Dette omfatter forebyggende, forudsigende, proaktive og korrigerende vedligeholdelsesprogrammer. Især kan konsekvent anvendt motorkredsløbsanalyse (MCA) hjælpe med at undgå motorfejl, muliggøre proaktiv vedligeholdelse eller udskiftning og forbedre motorsystemers energieffektivitet generelt.

Energiomkostninger alene retfærdiggør ikke altid et motorvedligeholdelsesprogram. Kombineret med produktivitet og tilhørende pålidelighedsomkostninger kan et MCA-program dog retfærdiggøre sig selv med det samme. Tænk f.eks. på en hovedmotor på 100 hestekræfter til en linje på en fabrik, som udgør 10 % af den samlede produktion, og som kører 6.000 timer om året. Anlæggets omkostninger ved nedetid ville være 25.000 dollars i timen, hvis 100 % af anlægget var ude af drift. Det ville tage 6 timer at udskifte motoren ved et katastrofalt svigt med en opstartstid på 2 timer. Motoren er 75 % belastet med energiomkostninger på 0,06 $/kWh og 14 $/kW, og der er registreret en impedansubalance på 5 %. De samlede øgede omkostninger, uden at medregne spildte produkter, ville være 24.875 dollars om året. 93,6% ville skyldes tabt produktion, 3,1% på grund af øget strømforbrug, 1,2% på grund af reduceret motorlevetid og 2,1% på grund af øgede efterspørgselsomkostninger (Figur 1).

Beskrivelse af analyse af motorkredsløb

Det grundlæggende koncept i MCA er at give analytikeren mulighed for at se den simple modstand (R), komplekse modstand (Z – impedans), induktans (L), fasevinkel (effektfaktor), jordisolationstilstand (Meg-Ohms) og andre tests for at bestemme tilstanden af de elektriske motorviklinger. Disse aflæsninger opnås bedst, både for sikkerhedens og nøjagtighedens skyld, når udstyret er strømløst.

I princippet er et elektrisk motorkredsløb en serie af modstand, både enkel og kompleks, induktans og deraf følgende fasevinkler, der hver er 120 grader fra hinanden i et trefaset system (figur 2). Når den trefasede vikling er ufuldkommen på grund af oprindelige defekter eller forestående svigt, baseret på fysikkens love, bliver disse ubalancerede. I en samlet elmotor vil hulrum i støbningen eller knækkede stænger i rotoren, dårlig luftspalte eller en bøjet aksel forårsage variationer på grund af den gensidige induktion mellem stator og rotor.

MCA-udstyrets evne til at aflæse den gensidige induktans mellem stator og rotor gør det også muligt for analytikeren at opdage defekter i rotoren eller luftspalten effektivt, hurtigt og sikkert. Det meste MCA-udstyr kan fungere på motorer fra en brøkdel til over 10.000 hestekræfter, 12 volt til over 13,8 kV, hvilket giver dem et bredt anvendelsesområde, men må ikke forveksles med RCL-målere, som kun giver aflæsninger i modstand, kapacitans og induktion, normalt med en megger- eller polarisationsindeks-test tilføjet. Desuden kan MCA-enheder af høj kvalitet købes for langt under 10.000 dollars, inklusive softwarepakker, hvilket gør dem til et meget prisvenligt proaktivt vedligeholdelsesværktøj.

En vigtig forskel mellem RCL- og MCA-målere er impedansaflæsningen. Da strøm er lig med spænding over impedans, er spændings- og strømubalancer i en vekselstrømsapplikation omvendt proportionale. Det er en vigtig sondring, da der er udført meget arbejde om de økonomiske konsekvenser af spændingsubalance. Ved at bruge simpel modstand alene kan I2R-tabet bestemmes over et punkt, men systemets pålidelighed kan ikke bestemmes, og det kan heller ikke gøres med bare induktans, som er variabel afhængigt af viklingsdesignet og rotorens position i forhold til viklingen. Desværre vil systemer, der bruger induktans som basis, ofte svigte gode elektriske motorer og viklinger. For at få en sand tilstand af en motorvikling skal man se alle motorkredsløbets komponenter, herunder modstand, impedans, induktans, fasevinkel og isolationsmodstand. Mindst én producent af MCA-udstyr tilføjer en særlig test, der fordobler den anvendte frekvens og viser det resulterende forhold mellem viklingerne. Det giver mulighed for tidlig detektering af turn to turn- og coil to coil-fejl, som ellers ikke ville blive opdaget.

MCA’s indvirkning på energien

Formålet med en elektrisk motor er at omdanne elektrisk energi til mekanisk drejningsmoment. Den fungerer bedst, når alle tre faser er 120 grader fra hinanden, og andre stator-, rotor- og friktionstab er kontrolleret. Når faserne varierer 120 grader fra hinanden, falder motorens effektivitet, fordi det bliver sværere for magnetfelterne at dreje rotoren. Når de er langt nok væk, begynder de at forstyrre hinanden. Denne effekt kan findes i både spændings- og impedansubalancer, herunder konsekvenserne for effektivitet, pålidelighed og produktion. Som med spændingsubalance er 1-2% ubalance acceptabelt, men ubalancer bør ikke overstige 5%, da temperaturstigningen vil overstige 50% på det tidspunkt. Når impedansubalancen overstiger 2%, skal motoren nedreguleres som vist i figur 4.

En vigtig konsekvens af impedansubalance er energieffektiviteten og de dermed forbundne omkostninger. De enkle energiberegninger for elmotorens effektivitet er som følger:

Ligning 1:

kW TabKW = hk * .746 * belastning * [(100/E1) – (100/E2)].

Hvor: hp er hestekræfter, E1 er den nye virkningsgrad, og E2 er den oprindelige virkningsgrad.

Ligning 2:

Efterspørgselsomkostninger $kW/år = $/kW * kW * 12 måneder/år

Ligning 3:

Omkostninger til energiforbrug $kWh/år = $/kWh * timer/år * kW

Virkningsgraden af impedansubalance kan ses i figur 3. En energieffektiv elmotor på 50 hestekræfter, 1800 RPM, 95% effektiv, 85% belastet, i drift i 6000 timer om året, med en impedansubalance på 3,5% vil have en resulterende effektivitet på 91%. Med en gennemsnitlig energiomkostning på 0,06 $/kWh og en gennemsnitlig forbrugsomkostning på 14 $/kW ville de resulterende energiomkostninger være som følger:

Eksempel 1: 50 hestekræfters motor med 3,5 % impedansubalance

50 hk * .746 * .85 * [(100/91) – (100/95)] = 1,47 kW

$14/kW * 1,47 kW / måned * 12 måneder / år = $246,96 / år

0,06 $/kWh * 6000 timer/år * 1,47 kW = 529,20 $/år

Samlede årlige energiomkostninger = $776,16 / år

Den årlige stigning i energiomkostningerne til drift af denne motor er betydelig. Impedansens ubalanceeffekter i et anlæg bliver endnu mere betydningsfulde, når der findes flere elektriske motorer. Sammen med faldet i effektivitet påvirkes elmotorsystemets pålidelighed og produktion.

Pålidelighedseffekten af MCA

MCA’s indvirkning på pålideligheden Som et direkte resultat af impedansubalance vil elmotorens driftstemperatur stige, og det samme gælder de elektromekaniske spændinger i motorens vikling og rotor. Stigningen i tab kan ses i figur 5, mens påvirkningen af driftstemperaturen kan ses i figur 6, og reduktionen af motorens pålidelighed i figur 7. Det er vigtigt at forstå, at man ikke kan forudsige en elektrisk motorfejl ved at fastslå en faseubalance eller en potentiel viklingsfejl. Test kan spores og udvikles for at bestemme det punkt, hvor pålideligheden eller tilliden til, at motoren vil fungere som designet, vil blive reduceret til et punkt, hvor ejeren vil bestemme, at motoren skal repareres eller udskiftes. Dette punkt bør være ret tolerant for ikke-kritiske motorer og have en lav tolerance for kritisk udstyr.

Den samme motor på 50 hestekræfter med en impedansubalance på 3,5 % vil have følgende pålidelighedstab:

Stigninger i tab på 20%.

En temperaturstigning på 25 %. For en motor, der er klassificeret til 40oC omgivelsestemperatur, klasse F isolering, og som arbejder i et 22oC miljø, vil den normale temperaturstigning ved 85% belastning være 80oC. Stigningen på 25 % vil gøre den nye temperaturstigning til 100 °C til en temperaturstigning på 20 °C.

En temperaturstigning på 20 grader vil reducere elmotorens potentielle levetid til 25 % af dens oprindelige potentiale (isoleringens levetid halveres for hver 10 °C temperaturstigning). Dette omfatter ikke andre potentielle påvirkninger af isoleringssystemet eller svingisoleringssystemet.

Produktionseffekten af MCA-testning

Den direkte indvirkning på produktionen af den kombinerede stigning i energiomkostninger og reduceret pålidelighed vil afhænge af, hvor kritisk motoren er for driften. For eksempel vil hoveddrevet i en produktionslinje være meget kritisk, mens en luftbehandlingsenhed kan have en minimal indvirkning på produktionen. Med den øgede sandsynlighed for fejl kan der beregnes en estimeret produktionsomkostning. Dette produktionsomkostningsestimat kan bestemmes pr. 1.000 USD pr. time i forhold til figur 9 ved at tage højde for, hvor stor en del af produktionen, der vil blive påvirket, og den potentielle nedetid og opstartstid, hvis motoren uventet svigter.

Den elektriske motor på 50 hestekræfter med en impedansubalance på 3,5 % ville have 60 % risiko for fejl og et potentielt produktionstab på 600/1000 USD. Så hvis de 50 hestekræfter er en kritisk elmotor, der har 100 % indflydelse på en linje til 5.000 dollars i timen, med 4 timers nedetid og 1 times opstartstid, vil konsekvensomkostningerne være et potentielt tab på 15.000 dollars:

Ligning 4: Produktionstab

$600/$1000 * $5000 * 4 timer * 1 time = $15.000 tabt produktion

At samle det hele I eksemplet i artiklen blev der brugt en kritisk elmotor på 50 hestekræfter med en impedansubalance på 3,5 %. De samlede potentielle omkostninger forbundet med denne impedansubalance vil være:

Denne motor ville være en kandidat til reparation eller udskiftning for at undgå potentielle omkostninger. Hvis motoren fjernes og udskiftes under den næste nedlukning:

Udskiftning af en 95 % effektiv elmotor: 2.250 USD

Udskiftning af arbejdskraft: $500

Oprindelig pris for MCA-testudstyr: $7.995

Testarbejde (5 minutter til $60/time): $5

I alt: $10.750

Simpel tilbagebetaling: 0,68 år eller 8 måneders simpel tilbagebetaling

Eksklusive omkostninger til testudstyr: 0,17 år eller 2 måneder.

Når den nye motor ankommer til fabrikken, skal der udføres et pålidelighedstjek for at sikre, at der ikke er produktionsfejl.

Konklusion

Motorkredsløbsanalyse er et kraftfuldt værktøj, der er enkelt og i sig selv sikkert (offline test). Testområdet og den potentielle tilbagebetaling er næsten øjeblikkelig. Eksemplet i denne artikel repræsenterer kun én motor i et anlæg. Hvis en analyse viser, at der er flere elmotorer, der kræver opmærksomhed, vil det oprindelige køb og implementeringen af MCA-programmet, når man kombinerer energi- og produktionsomkostninger, være øjeblikkelig. At implementere et sådant program som et internt program eller en service er ligetil:

MCA-træning – de fleste systemer kræver ikke mere end 1 til 8 timers intern træning i grundlæggende betjening med en rimelig indlæringskurve for avanceret analyse.

Bestem kritiske motorer – motorer, der er kritiske for driften

Udføre analyser på udvalgte motorer og bestemme resultater

Spor og trend kritiske motorer mindst en gang i kvartalet, om muligt hver måned.

Implementering af muligheder

Øg omfanget af test baseret på succes

Resultaterne af MCA-programmet, i kombination med andre proaktive vedligeholdelsessystemer, vil give fremragende resultater i form af energibesparelser, forbedret pålidelighed og oppetid i produktionen.

Bibliografi

Sarma, Mulukutla S., Elektriske maskiner: Steady-State Theory and Dynamic Performance, PWS Publishing Company, 1994.

Nasar, SyedA.,TheoryandProblemsofElectricMachinesandElectromechanics,SchaumsOutlineSeries,1981.

Edminster, Joseph, et.al., Electric Circuits Third Edition, Schaums Electronic Tutor, 1997.

Hammond, et.al., Engineering Electromagnetism, Physical Processes and Computation, Oxford Science Publications, 1994.

Penrose, Howard W., Repair Specification for Low Voltage Polyphase Induction Motors Intended for PWM Inverter Application, Kennedy-Western University, 1995.

Penrose, Howard W., A Novel Approach to Total Motor System Maintenance and Management for Improved Uptime and Energy Costs in Commercial and Industrial Facilities, Kennedy-Western University, 1997.

Penrose, Howard W., A Novel Approach to Industrial Assessments for Improved Energy, Waste Stream, Process and Reliability, Kennedy-Western University, 1999.

Penrose, Howard W., Anatomy of an Energy Efficient Electric Motor Repair, Electrical Insulation Magazine, januar/februar 1997.

Phase Frame Analysis of the Effects of Voltage Unbalance On Induction Machines, IEEE Transactions on Industrial Applications, Vol. 33, nr. 2, marts/april 1997, s. 415.

Bonnett, Austin A., How to Analyze Rotor and Stator Failures for Three-Phase Squirrel Cage Induction Motors, EASA Conference, 1997.

Varatharasa, Logan, et.al, Simulation of Three-Phase Induction Motor Performance During Faults, EIC/EMCW Conference 1998 CD Rom.

US Department of Energy, et.al, Keeping the Spark in Your Electrical System, US DOE, oktober, 1995.

Om forfatteren

Dr. Howard W. Penrose, Ph.D., har arbejdet over 15 år i branchen for reparation af elmotorer og elmotorer. Jeg startede som svend inden for reparation af elmotorer i den amerikanske flåde og har siden arbejdet med service og evaluering af alle typer roterende udstyr, fra små til store, som chefingeniør for et stort motorværksted i Midtvesten. Dr. Penrose har været direkte involveret i omspoling, træning og fejlfinding på AC-, DC-, sårrotor-, synkron-, værktøjsmaskine- og specialudstyr. Hans. Yderligere undersøgelser omfatter elektriske motorer og industriel pålidelighed, testmetoder, energieffektivitet og vedligeholdelsens indvirkning på produktionen. Dr. Penrose er tidligere formand for Chicago-sektionen af IEEE, tidligere formand for Dielectrics and Electrical Insulation Society of IEEE Chicago, professionelt medlem af Electrical Manufacturing Coil and Winding Association, certificeret Motor Master Professional af det amerikanske energiministerium, vibrationsanalytiker, infrarødanalytiker og motorkredsløbsanalytiker.