Diagnostik Motor: Pendekatan Multi-Teknologi

Pendahuluan

Ada kesalahpahaman yang terus berlanjut bahwa ada ‘peluru ajaib,’ dalam bentuk instrumen Pemantauan Berbasis Kondisi (CBM), yang akan memberikan semua informasi yang Anda perlukan untuk mengevaluasi kesehatan sistem motor listrik Anda. Kesalahpahaman ini sering kali disebabkan oleh presentasi komersial dari produsen atau tenaga penjualan instrumen CBM ini. Ini adalah hal yang sangat Tugas penjual adalah fokus pada area kekuatan instrumen tertentu dan menyajikannya sebagai ‘satu-satunya solusi yang Anda perlukan untuk menyelesaikan setiap masalah Anda’.

Pada kenyataannya, tidak ada satu instrumen pun yang dapat menyediakan semua informasi yang Anda butuhkan. Tidak ada ‘Cawan Suci’ dari CBM dan keandalan. Namun, melalui pemahaman tentang sistem motor listrik, dan kemampuan teknologi CBM, Anda dapat memiliki pandangan yang lengkap tentang sistem Anda, kesehatannya, dan memiliki kepercayaan diri dalam memperkirakan waktu kegagalan untuk membuat rekomendasi yang baik kepada manajemen.

Tujuan dari makalah ini sederhana: Menguraikan komponen-komponen sistem motor listrik; Mendiskusikan mode kegagalan setiap komponen utama; Mendiskusikan bagaimana masing-masing teknologi utama menangani setiap komponen; Mendiskusikan bagaimana teknologi dapat diintegrasikan untuk mendapatkan tampilan sistem yang lengkap; dan, Mendiskusikan dampak bottom-line dari pendekatan Multi Teknologi. Jenis peralatan CBM yang akan ditinjau adalah teknologi standar siap pakai yang digunakan untuk pengujian berkala.

Sistem Motor Listrik

Sistem motor listrik melibatkan lebih dari sekadar motor listrik. Faktanya, alat ini terdiri dari enam bagian yang berbeda, semuanya dengan mode kegagalan yang berbeda. Bagian-bagiannya adalah (Gambar 1):

• Sistem distribusi daya fasilitas yang mencakup kabel dan transformator.
• Memulai sistem.
• Motor listrik – Motor induksi tiga fasa untuk tujuan makalah ini.
• Kopling mekanis, yang dapat berupa kopling langsung, gearbox, sabuk, atau metode kopling lainnya. Untuk tujuan makalah ini, kita akan fokus pada kopling langsung dan sabuk.
• Beban mengacu pada peralatan yang digerakkan seperti kipas angin, pompa, kompresor, atau peralatan yang digerakkan lainnya.
• Prosesnya, seperti pemompaan air limbah, pencampuran, aerasi, dll.

Sebagian besar akan melihat masing-masing komponen sistem ketika memecahkan masalah, membuat tren, melakukan commissioning, atau melakukan beberapa fungsi berbasis keandalan lainnya yang terkait dengan sistem. Komponen apa saja yang difokuskan tergantung pada beberapa faktor, yang meliputi:

• Apa pengalaman dan latar belakang personel dan manajer yang terlibat. Misalnya, Anda akan lebih sering melihat program getaran yang kuat ketika staf pemeliharaan terutama mekanik, atau program inframerah ketika staf terutama listrik.
• Area kegagalan yang dirasakan. Hal ini bisa menjadi masalah serius, tergantung pada bagaimana sistem motor dipersepsikan dan perlu mendapat perhatian lebih untuk mengikutinya.
• Memahami berbagai teknologi CBM.
• Pelatihan. Namun, sejak kapan pelatihan tidak pernah menjadi masalah?

Area kegagalan yang dirasakan memberikan masalah yang sangat serius ketika melihat riwayat sistem motor Anda. Sering kali, ketika catatan dibuat, satu-satunya ringkasan mungkin menyatakan sesuatu seperti, “kerusakan kipas, telah diperbaiki,” atau “kerusakan pompa, telah diperbaiki.” Hasil akhirnya adalah bahwa kegagalan yang dirasakan berkaitan dengan komponen pompa atau kipas pada sistem motor. Hal ini terutama menjadi lebih menjadi masalah ketika mengandalkan ingatan untuk memberikan jawaban atas masalah yang paling serius yang harus ditangani di pabrik, berdasarkan sejarah. Misalnya, ketika ingin menentukan bagian mana dari pabrik yang paling banyak menimbulkan masalah, jawabannya mungkin, “Pompa air limbah 1.” Persepsi langsung adalah bahwa pompa memiliki masalah yang konsisten dan, karena pompa adalah sistem mekanis, solusi pemantauan mekanis dapat dipilih untuk memantau kesehatan pompa. Jika akar penyebabnya telah dicatat pada setiap kegagalan, mungkin penyebabnya adalah belitan motor, bantalan, kabel, kontrol, proses, atau kombinasi masalah.

Dalam sebuah pertemuan baru-baru ini, ketika membahas pemilihan peralatan CBM, para peserta yang hadir ditanyai tentang modus kegagalan dari lokasi mereka. Jawabannya adalah kipas angin, kompresor dan pompa. Ketika dibahas lebih lanjut, kipas angin ditemukan memiliki kesalahan bantalan dan belitan motor yang paling umum, segel pompa dan bantalan motor untuk pompa, dan, segel dan belitan motor untuk kompresor. Apabila dilihat lebih dekat lagi, kesalahan belitan berkaitan dengan masalah kontrol dan kabel, perbaikan yang tidak tepat dan kualitas daya. Masalah bantalan berkaitan dengan praktik pelumasan yang tidak tepat.

Pada dasarnya, ketika menentukan cara terbaik untuk menerapkan CBM pada sistem motor listrik Anda, Anda harus melihat dari sudut pandang sistem, bukan komponen. Hasilnya sederhana saja: Keandalan yang lebih baik; Lebih sedikit sakit kepala; dan, keuntungan yang lebih baik.

Instrumen Tes Pemantauan Berbasis Kondisi

Berikut ini adalah beberapa teknologi CBM yang lebih umum digunakan, detail lebih lanjut tentang teknologi ini dapat ditemukan di “Analisis Rangkaian Motor”1 Rincian mengenai komponen sistem yang diuji dan kemampuannya dapat ditemukan pada Tabel 1-4 di bagian akhir makalah ini:

Pengujian Tanpa Energi:

1 Analisis Rangkaian Motor: Teori, Aplikasi dan Analisis Energi, Howard W. Penrose, Ph.D., SBD Publishing, ISBN: 0-9712450-0-2, 2002.

• Pengujian Potensi Tinggi DC – Dengan menerapkan tegangan dua kali tegangan pengenal motor ditambah 1.000 volt untuk AC dan tambahan 1,7 kali lipat nilai tersebut untuk potensi tinggi DC (biasanya dengan pengali untuk mengurangi tekanan pada sistem insulasi), sistem insulasi antara belitan motor dan arde (insulasi arde-dinding) dievaluasi. Tes ini secara luas dianggap berpotensi merusak.
• Pengujian perbandingan lonjakan: Dengan menggunakan pulsa tegangan pada nilai yang dihitung sama dengan pengujian potensial tinggi, impedansi setiap fase motor dibandingkan secara grafis. Tujuan pengujian ini adalah untuk mendeteksi korsleting dalam beberapa putaran pertama setiap fase. Pengujian ini biasanya dilakukan dalam aplikasi manufaktur dan rewinding karena paling baik dilakukan tanpa rotor di stator. Tes ini secara luas dianggap berpotensi merusak, dan terutama digunakan sebagai tes go/no-go tanpa kemampuan tren yang sebenarnya.
• Penguji isolasi: Pengujian ini menempatkan tegangan DC di antara belitan dan arde. Kebocoran arus rendah diukur dan dikonversi ke pengukuran meg, gig, atau tera-Ohm.
• Pengujian Indeks Polarisasi: Dengan menggunakan penguji isolasi, nilai 10 menit hingga 1 menit dilihat dan rasio yang dihasilkan. Menurut IEEE 43-2000, nilai insulasi lebih dari 5.000 MegOhm tidak perlu dievaluasi menggunakan PI. Tes ini digunakan untuk mendeteksi kontaminasi belitan yang parah atau sistem insulasi yang terlalu panas.
• Pengujian Ohm, Milli-Ohm: Dengan menggunakan Ohm atau Milli Ohm meter, nilai diukur dan dibandingkan di antara belitan motor listrik. Pengukuran ini biasanya dilakukan untuk mendeteksi koneksi yang longgar, koneksi yang rusak dan kesalahan belitan pada tahap yang sangat akhir.
• Pengujian Analisis Sirkuit Motor (MCA): Instrumen yang menggunakan nilai resistansi, impedansi, induktansi, sudut fasa, respons arus:frekuensi, dan pengujian insulasi dapat digunakan untuk memecahkan masalah, menugaskan, dan mengevaluasi kontrol, sambungan, kabel, stator, rotor, celah udara, dan insulasi terhadap kesehatan arde. Dengan menggunakan output tegangan rendah, pembacaan dibaca melalui serangkaian jembatan dan dievaluasi. Pembacaan yang tidak merusak dan dapat diprediksi sering kali berbulan-bulan sebelum terjadinya kegagalan listrik.

2 Berpotensi Merusak: Instrumen apa pun yang berpotensi mengubah kondisi pengoperasian peralatan melalui kesalahan penerapan atau mengakhiri kondisi isolasi yang lemah harus dianggap berpotensi merusak.

Pengujian Berenergi:

Analisis Getaran: Getaran mekanis diukur melalui transduser yang memberikan nilai getaran keseluruhan dan analisis FFT. Nilai-nilai ini memberikan indikator gangguan mekanis dan tingkat gangguan, dapat menjadi tren dan akan memberikan informasi tentang beberapa masalah kelistrikan dan rotor yang bervariasi berdasarkan pembebanan motor. Persyaratan beban minimum untuk motor listrik untuk mendeteksi kesalahan pada rotor. Membutuhkan pengetahuan tentang sistem yang sedang diuji.

Analisis inframerah memberikan informasi mengenai perbedaan suhu di antara objek. Kesalahan terdeteksi dan tren berdasarkan tingkat kesalahan. Sangat baik untuk mendeteksi koneksi yang longgar dan gangguan listrik lainnya dengan beberapa kemampuan untuk mendeteksi gangguan mekanis. Pembacaan akan bervariasi dengan beban. Membutuhkan pengetahuan tentang sistem yang sedang diuji.

Instrumen ultrasonik mengukur kebisingan frekuensi rendah dan tinggi. Akan mendeteksi berbagai masalah kelistrikan dan mekanik pada tahap akhir dari kesalahan. Pembacaan akan bervariasi dengan beban. Membutuhkan pengetahuan tentang sistem yang sedang diuji.

Pengukuran tegangan dan arus akan memberikan informasi yang terbatas pada kondisi sistem motor. Pembacaan akan bervariasi dengan beban.

Motor Current Signature Analysis (MCSA) menggunakan motor listrik sebagai transduser untuk mendeteksi gangguan listrik dan mekanik melalui sebagian besar sistem motor. Biasanya digunakan sebagai tes go/no go, MCSA memang memiliki beberapa kemampuan yang sedang tren, tetapi biasanya hanya akan mendeteksi kesalahan belitan dan masalah mekanis pada tahap akhir. Sensitif terhadap variasi beban dan pembacaan akan bervariasi berdasarkan beban. Memerlukan informasi pelat nama dan banyak sistem memerlukan jumlah batang rotor, slot stator, dan input kecepatan operasi secara manual.

Komponen Utama dan Mode Kegagalan

Beberapa masalah utama dari berbagai komponen sistem motor harus ditinjau untuk memberikan pemahaman tentang jenis kesalahan yang ditemukan dan teknologi yang digunakan untuk mendeteksinya. Sebagai gambaran umum, ini mungkin tidak mencakup semua mode kegagalan yang mungkin Anda alami.

Daya Masuk

Mulai dari daya yang masuk ke beban, area pertama yang harus ditangani adalah daya yang masuk dan sistem distribusi. Area masalah pertama adalah kualitas daya, kemudian transformator.

Masalah kualitas daya yang terkait dengan sistem motor listrik meliputi:

• Harmonisa tegangan dan arus: Dengan tegangan dibatasi hingga 5% THD (Total Harmonic Distortion) dan arus dibatasi hingga 3% THD. Harmonisa arus membawa potensi terbesar untuk membahayakan sistem motor listrik.
• Kondisi tegangan lebih dan kurang: Motor listrik dirancang untuk beroperasi tidak lebih dari +/- 10% dari tegangan pelat nama.
• Ketidakseimbangan tegangan: Adalah perbedaan antara fase. Hubungan antara ketidakseimbangan tegangan dan arus bervariasi dari beberapa kali hingga berkali-kali ketidakseimbangan arus yang terkait dengan ketidakseimbangan tegangan berdasarkan desain motor (Bisa mencapai 20 kali).
• Faktor daya: Semakin rendah faktor daya dari persatuan, semakin banyak arus yang harus digunakan sistem untuk melakukan pekerjaan. Tanda-tanda faktor daya yang buruk juga termasuk meredupnya lampu saat alat berat dinyalakan.
• Sistem kelebihan beban: Berdasarkan kemampuan trafo, kabel, dan motor. Terdeteksi dengan pengukuran arus, biasanya, serta panas.

Alat utama yang digunakan untuk mendeteksi masalah pada daya yang masuk adalah pengukur kualitas daya, MCSA, serta pengukur tegangan dan arus. Mengetahui kondisi kualitas daya Anda dapat membantu mengidentifikasi banyak sekali masalah ‘hantu’.

Trafo adalah salah satu komponen penting pertama dari sistem motor. Secara umum, transformator memiliki lebih sedikit masalah daripada komponen lain dalam sistem. Namun, setiap trafo biasanya menangani beberapa sistem baik di motor listrik maupun sistem lainnya.

Masalah transformator yang umum terjadi meliputi (transformator yang diisi oli atau tipe kering):

• Isolasi terhadap gangguan arde.
• Gulungan korslet.
• Koneksi yang longgar, dan,
• Getaran listrik/kelonggaran mekanis

Peralatan uji yang digunakan untuk memantau kesehatan transformator (dalam pemilihan instrumen dalam makalah ini) meliputi:

• MCA untuk arde, sambungan longgar/rusak, dan korsleting
• MCSA untuk kualitas daya dan gangguan tahap akhir
• Analisis inframerah untuk koneksi yang longgar
• Ultrasonik untuk kelonggaran dan kesalahan yang parah
• Penguji isolasi untuk gangguan isolasi ke arde.

MCC, Kontrol dan Pemutusan Hubungan

Kontrol atau pemutusan motor memberikan beberapa masalah utama pada sistem motor listrik. Yang paling umum untuk sistem tegangan rendah dan menengah adalah:

• Koneksi yang longgar
• Kontak yang buruk termasuk diadu, rusak, terbakar, atau aus
• Kumparan starter yang buruk pada kontaktor
• Kapasitor koreksi faktor daya yang buruk yang biasanya menghasilkan ketidakseimbangan arus yang signifikan.

Metode pengujian untuk mengevaluasi kontrol meliputi inframerah, ultrasonik, volt/amp meter, ohm meter, dan inspeksi visual. MCA, MCSA dan inframerah menyediakan sistem yang paling akurat untuk deteksi kesalahan dan tren.

Kabel – Sebelum dan Sesudah Kontrol

Masalah pemasangan kabel jarang dipertimbangkan dan, akibatnya, memberikan beberapa masalah yang paling merepotkan. Masalah kabel yang umum terjadi meliputi:

• Kerusakan termal karena kelebihan beban atau usia
• Kontaminasi yang bisa lebih serius pada kabel yang melewati bawah tanah melalui saluran
• Fase pendek dapat terjadi dan juga alasannya. Hal ini dapat disebabkan oleh ‘penebangan’ atau kerusakan fisik.
• Terbuka karena kerusakan fisik atau penyebab lainnya.
• Kerusakan fisik sering kali menjadi masalah yang dikombinasikan dengan masalah kabel lainnya.

Pengujian dan tren dilakukan dengan MCA, inframerah, pengujian isolasi dan MCSA.

Ringkasan Sisi Pasokan Motor

Pada sisi suplai ke motor, masalahnya dapat diuraikan sebagai berikut:

• Faktor daya yang buruk – 39%
• Koneksi yang buruk – 36%
• Konduktor berukuran kecil – 10
• Ketidakseimbangan tegangan – 7%
• Kondisi tegangan di bawah atau di atas – 8%

Peralatan yang paling umum yang mencakup area ini termasuk MCA, inframerah dan MCSA.

Motor Listrik

Motor listrik mencakup komponen mekanis dan elektrik. Faktanya, motor listrik adalah pengubah energi listrik menjadi torsi mekanis.

Masalah mekanis utama:

• Bearing – keausan umum, kesalahan aplikasi, pemuatan, atau kontaminasi.
• Poros atau rumah bantalan yang buruk atau aus
• Ketidakseimbangan dan resonansi mekanis secara umum

Analisis getaran adalah metode utama untuk mendeteksi masalah mekanis pada motor listrik. MCSA akan mendeteksi masalah mekanis tahap akhir seperti halnya inframerah dan ultrasonik.

Masalah kelistrikan utama:

• Korslet berliku di antara konduktor atau kumparan
• Kontaminasi belitan
• Isolasi terhadap gangguan arde
• Kesalahan celah udara, termasuk rotor eksentrik
• Kesalahan rotor termasuk rongga pengecoran dan batang rotor yang patah.

MCA akan mendeteksi semua kesalahan di awal pengembangan. MCSA akan mendeteksi gangguan stator tahap akhir dan gangguan rotor tahap awal. Getaran akan mendeteksi gangguan tahap akhir, isolasi ke tanah hanya akan mendeteksi gangguan tanah yang merupakan kurang dari 1% gangguan sistem motor, pengujian lonjakan hanya akan mendeteksi korsleting belitan dangkal, dan semua pengujian lainnya hanya akan mendeteksi gangguan tahap akhir.

Kopling (Langsung dan Berikat)

Kopling antara motor dan beban memberikan peluang terjadinya masalah karena keausan dan aplikasi.

• Ketidaksejajaran sabuk atau penggerak langsung
• Keausan sabuk atau sisipan
• Masalah ketegangan sabuk lebih sering terjadi daripada yang dipikirkan kebanyakan orang dan biasanya mengakibatkan kegagalan bearing
• Keausan sheave

Sistem yang paling akurat untuk deteksi kesalahan kopling adalah analisis getaran. Analisis MCSA dan inframerah biasanya akan mendeteksi kesalahan tahap akhir atau parah.

Beban (Kipas angin, pompa, kompresor, kotak roda gigi, dll.)

Beban dapat memiliki berbagai jenis kesalahan tergantung pada jenis beban. Yang paling umum adalah komponen yang aus, komponen yang rusak dan bantalan.

Instrumen uji yang mampu mendeteksi masalah beban termasuk MCSA, getaran, analisis inframerah, dan ultrasonik.

Pendekatan Umum untuk Multi-Teknologi

Ada beberapa pendekatan umum dalam industri serta beberapa pendekatan baru (Lihat Tabel 3). Cara terbaik adalah menggunakan kombinasi pengujian berenergi dan tidak berenergi. Penting untuk dicatat bahwa pengujian dengan energi biasanya paling baik dalam kondisi beban konstan dan cenderung dalam kondisi operasi yang sama setiap kali.

Salah satu pendekatan yang paling umum adalah penggunaan resistansi isolasi dan/atau indeks polarisasi. Ini hanya akan mengidentifikasi gangguan isolasi ke arde pada motor dan kabel, yang mewakili kurang dari 1% dari keseluruhan gangguan sistem motor (~5% gangguan motor).

Inframerah dan getaran biasanya digunakan bersama satu sama lain dengan sukses besar. Namun, mereka melewatkan beberapa masalah umum atau hanya akan mendeteksinya pada tahap akhir kegagalan.

Pengujian lonjakan dan pengujian potensial tinggi hanya akan mendeteksi beberapa gangguan belitan dan gangguan isolasi ke arde, yang berpotensi membuat motor tidak berfungsi jika ada kontaminasi atau kelemahan isolasi.

MCA dan MCSA saling mendukung dan mendeteksi hampir semua masalah dalam sistem motor. Akurasi ini membutuhkan sistem MCA yang menggunakan resistansi, impedansi, sudut fasa, I/F, dan isolasi ke arde serta sistem MCSA yang mencakup demodulasi tegangan dan arus.

Pendekatan terbaru dan paling efektif adalah dengan menggunakan getaran, inframerah, dan MCA dan/atau MCSA. Kekuatan dari pendekatan ini adalah, adanya kombinasi disiplin ilmu kelistrikan dan mekanik yang terlibat dalam evaluasi dan pemecahan masalah. Seperti yang ditemukan dalam Studi Diagnostik Motorik dan Kesehatan Motorik, 3 38% pengujian sistem motor yang hanya melibatkan getaran dan/atau inframerah menunjukkan hasil yang signifikan 3 Diagnostik Motor dan investasi. Angka ini melonjak hingga 100% pada sistem yang menggunakan kombinasi MCA/MCSA dengan getaran dan/atau inframerah.

Dalam satu kasus, aplikasi gabungan inframerah dan getaran menghasilkan ROI sebesar $30 ribu. Ketika perusahaan menambahkan MCA ke dalam tool box mereka, ROI meningkat menjadi $307.000, sepuluh kali lipat dari yang semula dengan menggunakan kombinasi instrumen.

Peluang Aplikasi

Ada tiga peluang umum untuk pengujian sistem motor listrik. Ini termasuk:

• Menguji coba komponen atau sistem lengkap saat baru dipasang atau diperbaiki. Hal ini dapat memberikan pengembalian yang sangat cepat untuk teknologi yang terlibat dan akan membantu Anda menghindari bencana kematian bayi.
• Pemecahan masalah sistem melalui penerapan berbagai teknologi akan membantu Anda mengidentifikasi masalah dengan lebih cepat dan lebih percaya diri.
• Tren hasil pengujian keandalan sistem, sekali lagi menggunakan aplikasi yang tepat dari beberapa teknologi. Dengan menggunakan tes seperti MCA, getaran dan inframerah, potensi gangguan dapat menjadi tren dalam jangka panjang, mendeteksi banyak gangguan berbulan-bulan sebelumnya.

Kesimpulan

Makalah ini memberikan gambaran singkat tentang bagaimana berbagai teknologi bekerja sama untuk memberikan pandangan yang baik tentang sistem motor listrik. Melalui pemahaman dan penerapan pendekatan ini, Anda akan mendapatkan hasil yang fantastis dari program pemeliharaan Anda.

Tentang Penulis

Howard W. Penrose, Ph.D. menerima gelar Ph.D. dalam bidang Teknik Umum yang berfokus pada peningkatan proses sistem industri, aliran limbah dan analisis energi serta keandalan peralatan. Beliau memiliki 15 tahun pengalaman dalam industri motor listrik dan servis yang memimpin inisiatif PdM dan Root-Cause-Analysis di berbagai lokasi komersial & industri.

Tabel 1: Perbandingan Teknologi Diagnostik Sistem Motor

Tabel 2: Pertimbangan Manajemen

Tabel 3: Pendekatan Umum

Tabel 4: Pertimbangan Tambahan