ऊर्जा, विश्वसनीयता और उत्पादन लागत में सुधार के लिए मोटर सर्किट विश्लेषण

परिचय

बढ़ती बिजली की मांग के कारण बिजली की कमी का हवाला देने वाली समाचार रिपोर्टों के साथ, ऊर्जा लागत को नियंत्रित करने के तरीके अब एक हरित विकल्प नहीं हैं, बल्कि अस्तित्व की रणनीति के रूप में अधिक हैं। उद्योग के भीतर, ऊर्जा नियंत्रण के लिए नंबर एक क्षमता विद्युत मोटर प्रणाली ऊर्जा रणनीतियों के माध्यम से है।

संयुक्त राज्य अमेरिका में इलेक्ट्रिक मोटर प्रणालियाँ कुल ऊर्जा का 19% उपयोग करती हैं, जो कुल उत्पादित विद्युत शक्ति का 57% है। विनिर्माण में उपयोग की जाने वाली 70% से अधिक विद्युत ऊर्जा और प्रक्रिया उद्योगों में 90% से अधिक विद्युत ऊर्जा का उपभोग मोटर प्रणालियों द्वारा किया जाता है। इलेक्ट्रिक मोटर रेट्रोफिट्स, वेरिएबल फ़्रीक्वेंसी ड्राइव एप्लिकेशन और अन्य ऊर्जा दक्षता रणनीतियों पर उत्साहजनक ध्यान दिया जा रहा है। हालाँकि, दो क्षेत्र जिन्हें ऊर्जा दक्षता के अवसरों के लिए अक्सर अनदेखा किया जाता है वे हैं रखरखाव और विश्वसनीयता।

ईपीआरआई के अनुसार, उचित रखरखाव से सामान्य तौर पर यांत्रिक उपकरणों की दक्षता को 10-15% तक बढ़ाया जा सकता है। इसमें निवारक, पूर्वानुमानित, सक्रिय और सुधारात्मक रखरखाव कार्यक्रम शामिल हैं। विशेष रूप से, लगातार लागू होने पर, मोटर सर्किट विश्लेषण (एमसीए) मोटर विफलताओं से बचने, सक्रिय रखरखाव या प्रतिस्थापन को सक्षम करने और सामान्य रूप से मोटर प्रणालियों की ऊर्जा दक्षता में सुधार करने में मदद कर सकता है।

अकेले ऊर्जा लागत, हमेशा मोटर रखरखाव कार्यक्रम को उचित नहीं ठहराती। हालाँकि, उत्पादकता और संबंधित विश्वसनीयता लागतों के साथ मिलकर, एक एमसीए कार्यक्रम तुरंत खुद को उचित ठहरा सकता है। उदाहरण के लिए, एक संयंत्र की एक लाइन के लिए 100 हॉर्स पावर की मुख्य ड्राइव मोटर पर विचार करें जो इसके कुल उत्पादन का 10% प्रतिनिधित्व करती है, और प्रति वर्ष 6,000 घंटे संचालित होती है। यदि 100% प्लांट ऑफ लाइन थे तो प्लांट की डाउनटाइम लागत 25,000 डॉलर प्रति घंटा होगी। किसी भयावह विफलता के दौरान मोटर को बदलने में 2 घंटे के स्टार्टअप समय के साथ 6 घंटे लगेंगे। मोटर $0.06/किलोवाट और $14/किलोवाट की ऊर्जा लागत के साथ 75% भरी हुई है और 5% प्रतिबाधा असंतुलन का पता चला है। बर्बाद उत्पाद को छोड़कर, कुल बढ़ी हुई लागत $24,875 प्रति वर्ष होगी। 93.6% उत्पादन में कमी के कारण होगा, 3.1% बिजली की खपत में वृद्धि के कारण, 1.2% मोटर जीवन में कमी के कारण और 2.1% बढ़ी हुई मांग लागत के कारण होगा (चित्र 1)।

मोटर सर्किट विश्लेषण का विवरण

एमसीए की मूल अवधारणा विश्लेषक को सरल प्रतिरोध (आर), जटिल प्रतिरोध (जेड – प्रतिबाधा), अधिष्ठापन (एल), चरण कोण (शक्ति कारक), ग्राउंड इन्सुलेशन स्थिति (मेग-ओम) और देखने का अवसर प्रदान करना है। इलेक्ट्रिक मोटर वाइंडिंग की स्थिति निर्धारित करने के लिए अन्य परीक्षण। ये रीडिंग सुरक्षा और सटीकता दोनों के लिए, उपकरण को डी-एनर्जेटिक करके सबसे अच्छी तरह से प्राप्त की जाती हैं।

सिद्धांत रूप में, एक इलेक्ट्रिक मोटर सर्किट सरल और जटिल दोनों प्रतिरोधों, अधिष्ठापन और परिणामी चरण कोणों की एक श्रृंखला है जो तीन चरण प्रणाली (चित्रा 2) में प्रत्येक 120 डिग्री अलग होते हैं। जब तीन चरण की वाइंडिंग मूल दोषों या आसन्न विफलता के कारण भौतिकी के नियमों के आधार पर अपूर्ण होती है, तो ये असंतुलित हो जाती हैं। असेंबल की गई इलेक्ट्रिक मोटर में, रोटर में कास्टिंग रिक्तियां या टूटी हुई छड़ें, खराब वायु अंतराल या झुका हुआ शाफ्ट स्टेटर और रोटर के बीच पारस्परिक प्रेरण के कारण भिन्नता पैदा करेगा।

स्टेटर और रोटर के बीच पारस्परिक अधिष्ठापन को पढ़ने के लिए एमसीए उपकरण की क्षमता भी विश्लेषक को रोटर या वायु अंतराल के भीतर दोषों का प्रभावी ढंग से, जल्दी और सुरक्षित रूप से पता लगाने की अनुमति देती है। अधिकांश एमसीए उपकरण आंशिक से लेकर 10,000 हॉर्स पावर, 12 वोल्ट से लेकर 13.8 केवी से अधिक की मोटरों पर काम कर सकते हैं, जिससे उन्हें संचालन की एक विस्तृत श्रृंखला मिलती है, लेकिन आरसीएल मीटर के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए, जो आमतौर पर सिर्फ प्रतिरोध, कैपेसिटेंस और इंडक्शन में रीडिंग प्रदान करते हैं। मेगर या ध्रुवीकरण सूचकांक परीक्षण के साथ जोड़ा गया। इसके अलावा, उच्च गुणवत्ता वाली एमसीए इकाइयों को सॉफ्टवेयर पैकेज सहित $10,000 से कम में खरीदा जा सकता है, जो उन्हें एक बहुत ही किफायती सक्रिय रखरखाव उपकरण बनाता है।

आरसीएल मीटर और एमसीए मीटर के बीच एक महत्वपूर्ण अंतर प्रतिबाधा रीडिंग है। चूँकि धारा प्रतिबाधा पर वोल्टेज के बराबर होती है, प्रत्यावर्ती धारा अनुप्रयोग में, वोल्टेज और धारा असंतुलन व्युत्क्रमानुपाती होते हैं। यह एक महत्वपूर्ण अंतर प्रदान करता है, क्योंकि वोल्टेज असंतुलन के आर्थिक प्रभावों पर काफी काम पूरा हो चुका है। अकेले सरल प्रतिरोध का उपयोग करके, I2R हानि को एक बिंदु पर निर्धारित किया जा सकता है, लेकिन सिस्टम की विश्वसनीयता निर्धारित नहीं की जा सकती है, न ही यह केवल अधिष्ठापन के साथ किया जा सकता है, जो घुमावदार डिजाइन और रोटर से घुमावदार स्थिति के आधार पर परिवर्तनशील है। दुर्भाग्य से, आधार के रूप में इंडक्शन का उपयोग करने वाले सिस्टम अक्सर अच्छे इलेक्ट्रिक मोटर और वाइंडिंग को विफल कर देंगे। मोटर वाइंडिंग की सही स्थिति प्राप्त करने के लिए, किसी को प्रतिरोध, प्रतिबाधा, प्रेरण, चरण कोण और इन्सुलेशन प्रतिरोध सहित सभी मोटर सर्किट घटकों को देखना होगा। एमसीए उपकरण का कम से कम एक निर्माता एक विशेष परीक्षण जोड़ता है जो लागू आवृत्ति को दोगुना कर देता है और वाइंडिंग के बीच परिणामी अनुपात को देखता है। यह टर्न टू टर्न और कॉइल टू कॉइल दोषों का शीघ्र पता लगाने की अनुमति देता है, अन्यथा, पता नहीं चल पाता।

एमसीए का ऊर्जा प्रभाव

विद्युत मोटर का उद्देश्य विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक टॉर्क में परिवर्तित करना है। यह सबसे अच्छा तब संचालित होता है जब सभी तीन चरण एक दूसरे से 120 डिग्री पर होते हैं और अन्य स्टेटर, रोटर और घर्षण नुकसान नियंत्रित होते हैं। जैसे-जैसे चरण एक-दूसरे से 120 डिग्री भिन्न होते हैं, मोटर की दक्षता कम हो जाती है क्योंकि चुंबकीय क्षेत्र के लिए रोटर को घुमाना कठिन हो जाता है। जब वे काफी दूर हो जाते हैं, तो वे एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करना शुरू कर देते हैं। यह प्रभाव वोल्टेज और प्रतिबाधा असंतुलन दोनों में पाया जा सकता है, जिसमें दक्षता, विश्वसनीयता और उत्पादन पर प्रभाव भी शामिल है। वोल्टेज असंतुलन की तरह, 1-2% असंतुलन स्वीकार्य है, लेकिन असंतुलन 5% से अधिक नहीं होना चाहिए क्योंकि उस बिंदु पर तापमान वृद्धि 50% से अधिक हो जाएगी। जब प्रतिबाधा असंतुलन 2% से अधिक हो जाता है, तो मोटर को चित्र 4 में दिखाए अनुसार व्युत्पन्न किया जाना चाहिए।

प्रतिबाधा असंतुलन का एक महत्वपूर्ण प्रभाव ऊर्जा दक्षता और संबंधित लागत प्रभाव है। विद्युत मोटर दक्षता के लिए सरल ऊर्जा गणना इस प्रकार हैं:

समीकरण 1:

किलोवाट हानिKW = एचपी * .746 * लोड * [(100/ई1) – (100/ई2)]

कहाँ: hp अश्वशक्ति है, E1 नई दक्षता है, और E2 मूल दक्षता है

समीकरण 2:

मांग लागत $kW/वर्ष = $/kW * kW * 12 महीने/वर्ष

समीकरण 3:

ऊर्जा उपयोग लागत $kWh/वर्ष = $/kWh * घंटे/वर्ष * किलोवाट

प्रतिबाधा असंतुलन के दक्षता प्रभाव चित्र 3 में पाए जा सकते हैं। एक 50 अश्वशक्ति ऊर्जा कुशल इलेक्ट्रिक मोटर, 1800 आरपीएम, 95% कुशल, 85% भरी हुई, प्रति वर्ष 6000 घंटे तक चलने वाली, 3.5% प्रतिबाधा असंतुलन के साथ परिणामी दक्षता 91% होगी। $0.06/किलोवाट की औसत ऊर्जा लागत और $14/किलोवाट की औसत मांग लागत के साथ, परिणामी ऊर्जा लागत इस प्रकार होगी:

उदाहरण 1: 3.5% प्रतिबाधा असंतुलन के साथ 50 अश्वशक्ति मोटर

50 एचपी * .746 * .85 * [(100/91) – (100/95)] = 1.47 किलोवाट

$14/किलोवाट * 1.47 किलोवाट/माह * 12 महीने/वर्ष = $246.96/वर्ष

$0.06 / kWh * 6000 घंटे / वर्ष * 1.47 किलोवाट = $529.20 / वर्ष

कुल वार्षिक ऊर्जा लागत = $776.16/वर्ष

इस मोटर को चलाने के लिए ऊर्जा लागत में वार्षिक वृद्धि महत्वपूर्ण है। किसी संयंत्र के भीतर प्रतिबाधा असंतुलन प्रभाव और भी अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है क्योंकि अतिरिक्त विद्युत मोटरें मिल जाती हैं। दक्षता में कमी के साथ-साथ इलेक्ट्रिक मोटर सिस्टम की विश्वसनीयता और उत्पादन प्रभावित होता है।

एमसीए की विश्वसनीयता प्रभाव

एमसीए की विश्वसनीयता प्रभाव प्रतिबाधा असंतुलन के प्रत्यक्ष परिणाम के रूप में, इलेक्ट्रिक मोटर का ऑपरेटिंग तापमान बढ़ जाएगा, साथ ही मोटर वाइंडिंग और रोटर के भीतर इलेक्ट्रो-मैकेनिकल तनाव भी बढ़ जाएगा। घाटे में वृद्धि चित्र 5 में पाई जा सकती है, ऑपरेटिंग तापमान पर प्रभाव चित्र 6 में पाया जा सकता है, और मोटर विश्वसनीयता में कमी चित्र 7 में पाई जा सकती है। यह समझना महत्वपूर्ण है कि चरण असंतुलन या संभावित वाइंडिंग विफलता का निर्धारण आपको इलेक्ट्रिक मोटर विफलता की भविष्यवाणी करने की अनुमति नहीं देगा। उस बिंदु को निर्धारित करने के लिए परीक्षण को ट्रैक और ट्रेंड किया जा सकता है, जहां विश्वसनीयता, या विश्वास कि मोटर डिज़ाइन के अनुसार काम करेगी, उस बिंदु तक कम हो जाएगी जहां मालिक यह निर्धारित करेगा कि मोटर की मरम्मत की जानी चाहिए या प्रतिस्थापित किया जाना चाहिए। यह बिंदु गैर-महत्वपूर्ण मोटरों के लिए काफी सहनशील होना चाहिए और महत्वपूर्ण उपकरणों के लिए कम सहनशीलता होनी चाहिए।

3.5% प्रतिबाधा असंतुलन के साथ समान 50 अश्वशक्ति मोटर में निम्नलिखित विश्वसनीयता हानि होगी:

घाटे में 20% की वृद्धि।

तापमान वृद्धि में 25% की वृद्धि। 40oC परिवेश के रूप में रेटेड मोटर के लिए, क्लास F इन्सुलेशन, 22oC वातावरण में काम कर रहा है, 85% लोड पर सामान्य तापमान वृद्धि 80oC होगी। 25% वृद्धि से नया तापमान 100C तक बढ़ जाएगा और 20oC तापमान में वृद्धि होगी।

तापमान में 20 डिग्री की वृद्धि से इलेक्ट्रिक मोटर का संभावित जीवन उसकी मूल क्षमता के 25% तक कम हो जाएगा (तापमान में प्रत्येक 10 डिग्री सेल्सियस की वृद्धि के लिए इन्सुलेशन का जीवन आधा हो जाता है)। इसमें इंसुलेशन सिस्टम या टर्न इंसुलेशन सिस्टम पर कोई अन्य संभावित प्रभाव शामिल नहीं है।

एमसीए परीक्षण का उत्पादन प्रभाव

ऊर्जा लागत में संयुक्त वृद्धि और कम विश्वसनीयता का उत्पादन पर सीधा प्रभाव इस बात पर निर्भर करेगा कि मोटर संचालन के लिए कितनी महत्वपूर्ण है। उदाहरण के लिए, उत्पादन लाइन की मुख्य ड्राइव बहुत महत्वपूर्ण होगी, जबकि एयर-हैंडलिंग इकाई का उत्पादन पर न्यूनतम प्रभाव हो सकता है। विफलता की संभावना बढ़ने के साथ, उत्पादन की अनुमानित लागत स्थापित की जा सकती है। यह उत्पादन लागत अनुमान चित्र 9 के मुकाबले प्रति 1,000 डॉलर प्रति घंटे के हिसाब से निर्धारित किया जा सकता है, इस बात को ध्यान में रखकर कि मोटर के अप्रत्याशित रूप से विफल होने पर कितना उत्पादन प्रभावित होगा और संभावित डाउनटाइम और स्टार्टअप समय होगा।

3.5% प्रतिबाधा असंतुलन के साथ 50 हॉर्स पावर की इलेक्ट्रिक मोटर में विफलता की 60% संभावना होगी और संभावित उत्पादन हानि $600 / $1000 होगी। इसलिए, क्या 50 हॉर्स पावर एक महत्वपूर्ण इलेक्ट्रिक मोटर होनी चाहिए जिसका $5000 प्रति घंटे की लाइन पर 100% प्रभाव पड़ता है, 4 घंटे के डाउनटाइम और 1 घंटे के स्टार्ट-अप समय के साथ, प्रभाव लागत $15,000 का संभावित नुकसान होगा:

समीकरण 4: उत्पादन हानि

$600/$1000 * $5000 * 4 घंटे * 1 घंटा = $15,000 उत्पादन का नुकसान

यह सब एक साथ लाना लेख के माध्यम से उपयोग किए गए उदाहरण में, 3.5% प्रतिबाधा असंतुलन के साथ एक महत्वपूर्ण 50 हॉर्स पावर की इलेक्ट्रिक मोटर का उपयोग किया गया था। इस प्रतिबाधा असंतुलन से जुड़ी कुल संभावित लागत होगी:

संभावित लागतों से बचने के लिए यह मोटर मरम्मत या प्रतिस्थापन के लिए उपयुक्त होगी। यदि अगले शटडाउन के दौरान मोटर हटा दी जाती है और बदल दी जाती है:

95% कुशल इलेक्ट्रिक मोटर को बदलने की लागत: $2,250

प्रतिस्थापन श्रम: $500

मूल एमसीए परीक्षण उपकरण की लागत: $7,995

परीक्षण श्रम ($60/घंटा पर 5 मिनट): $5

कुल: $10,750

साधारण भुगतान: 0.68 वर्ष या 8 माह का साधारण भुगतान

परीक्षण उपकरण लागत शामिल नहीं: 0.17 वर्ष या 2 महीने

नई मोटर के संयंत्र में पहुंचने पर उसकी विश्वसनीयता की जांच की जानी चाहिए ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि कोई विनिर्माण दोष नहीं है।

निष्कर्ष

मोटर सर्किट विश्लेषण एक शक्तिशाली उपकरण है जो सरल और आंतरिक रूप से सुरक्षित (ऑफ़लाइन परीक्षण) है। परीक्षण सीमा और संभावित भुगतान लगभग तत्काल है। इस आलेख में प्रयुक्त उदाहरण एक संयंत्र में केवल एक मोटर का प्रतिनिधित्व करता है। क्या विश्लेषण में अतिरिक्त इलेक्ट्रिक मोटरों का निर्धारण किया जाना चाहिए जिन पर ध्यान देने की आवश्यकता है, ऊर्जा और उत्पादन लागत को जोड़ते समय एमसीए कार्यक्रम की मूल खरीद और कार्यान्वयन तत्काल होगा। ऐसे कार्यक्रम को इन-हाउस कार्यक्रम या सेवा के रूप में कार्यान्वित करना सीधा-सरल है:

एमसीए प्रशिक्षण – अधिकांश प्रणालियों को उन्नत विश्लेषण के लिए उचित उपयोग सीखने की अवस्था के साथ बुनियादी संचालन के लिए 1 से 8 घंटे से अधिक इन-हाउस प्रशिक्षण की आवश्यकता नहीं होती है

महत्वपूर्ण मोटरों का निर्धारण करें – वे मोटरें जो संचालन के लिए महत्वपूर्ण हैं

चयनित मोटरों पर विश्लेषण करें और परिणाम निर्धारित करें

यदि संभव हो तो कम से कम त्रैमासिक, मासिक रूप से महत्वपूर्ण मोटरों को ट्रैक और ट्रेंड करें

अवसरों को क्रियान्वित करें

सफलता के आधार पर परीक्षण का दायरा बढ़ाएँ

एमसीए कार्यक्रम के परिणाम, अन्य सक्रिय रखरखाव प्रणालियों के साथ मिलकर, ऊर्जा बचत, विश्वसनीयता में सुधार और उत्पादन अपटाइम में उत्कृष्ट परिणाम देंगे।

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लेखक के बारे में

डॉ. हॉवर्ड डब्ल्यू. पेनरोज़, पीएच.डी. इलेक्ट्रिक मोटर और इलेक्ट्रिक मोटर मरम्मत उद्योग में 15 वर्षों से अधिक का अनुभव है। अमेरिकी नौसेना में एक इलेक्ट्रिक मोटर रिपेयर ट्रैवलमैन के रूप में शुरुआत करते हुए सभी प्रकार के छोटे से लेकर बड़े घूमने वाले उपकरणों की फील्ड सर्विस और मूल्यांकन तक, एक बड़े मिडवेस्टर्न मोटर रिपेयर शॉप के मुख्य अभियंता के रूप में। डॉ. पेनरोज़ एसी, डीसी, वाउंड रोटर, सिंक्रोनस, मशीन टूल और विशेष उपकरणों की रीवाइंडिंग, प्रशिक्षण और समस्या निवारण में सीधे तौर पर शामिल रहे हैं। उसका। आगे के अध्ययन में इलेक्ट्रिक मोटर और औद्योगिक विश्वसनीयता, परीक्षण विधियां, ऊर्जा दक्षता और उत्पादन पर रखरखाव का प्रभाव शामिल है। डॉ. पेनरोज़ आईईईई के शिकागो सेक्शन के पूर्व अध्यक्ष, आईईईई शिकागो के डाइइलेक्ट्रिक्स और इलेक्ट्रिकल इंसुलेशन सोसाइटी के पूर्व अध्यक्ष, इलेक्ट्रिकल मैन्युफैक्चरिंग कॉइल एंड वाइंडिंग एसोसिएशन के पेशेवर सदस्य, अमेरिकी ऊर्जा विभाग के प्रमाणित मोटर मास्टर प्रोफेशनल, ए कंपन विश्लेषक, इन्फ्रारेड विश्लेषक और मोटर सर्किट विश्लेषक।