에너지, 신뢰성 및 생산 비용 개선을 위한 모터 회로 해석

소개

전력 수요 증가로 인한 정전 사태에 대한 뉴스 보도가 잇따르면서 에너지 비용을 제어하는 방법은 더 이상 친환경적인 선택이 아니라 생존 전략이 되었습니다. 산업계에서 에너지 제어의 가장 큰 잠재력은 전기 모터 시스템 에너지 전략을 통한 것입니다.

전기 모터 시스템은 미국 내 전체 에너지의 19%를 사용하며, 이는 전체 발전 전력의 57%를 차지합니다. 제조업에서 사용하는 전기 에너지의 70% 이상, 공정 산업에서는 90% 이상이 모터 시스템에 의해 소비됩니다. 전기 모터 개조, 가변 주파수 드라이브 적용 및 기타 에너지 효율화 전략이 고무적인 주목을 받고 있습니다. 그러나 에너지 효율성 기회에서 종종 간과되는 두 가지 영역은 유지 관리와 안정성입니다.

EPRI에 따르면 일반적으로 기계 장비의 효율성은 적절한 유지보수를 통해 일반적으로 10~15% 향상될 수 있다고 합니다. 여기에는 예방, 예측, 사전 예방 및 수정 유지 관리 프로그램이 포함됩니다. 특히 모터 회로 분석(MCA)을 일관되게 적용하면 모터 고장을 방지하고 사전 예방적 유지보수 또는 교체를 가능하게 하며 모터 시스템 전반의 에너지 효율을 개선할 수 있습니다.

에너지 비용만으로는 모터 유지보수 프로그램이 항상 정당화되는 것은 아닙니다. 그러나 생산성 및 관련 신뢰성 비용과 결합하면 MCA 프로그램은 즉시 그 가치를 정당화할 수 있습니다. 예를 들어, 전체 생산량의 10%를 차지하고 연간 6,000시간 가동되는 공장의 한 라인에 100마력 주 구동 모터가 있다고 가정해 보겠습니다. 공장의 100%가 오프라인 상태일 경우 플랜트 다운타임 비용은 시간당 25,000달러가 됩니다. 치명적인 고장이 발생했을 때 모터를 교체하는 데 6시간이 걸리고 시동 시간은 2시간이 걸립니다. 모터의 75% 부하에서 에너지 비용은 $0.06/kWh 및 $14/kW이며 5%의 임피던스 불균형이 감지되었습니다. 낭비되는 제품을 제외한 전체 비용 증가분은 연간 24,875달러입니다. 93.6%는 생산 손실, 3.1%는 전력 소비 증가, 1.2%는 모터 수명 감소, 2.1%는 수요 비용 증가로 인한 것입니다(그림 1).

모터 회로 분석에 대한 설명

MCA의 기본 개념은 분석가가 전기 모터 권선의 상태를 파악하기 위해 단순 저항(R), 복합 저항(Z-임피던스), 인덕턴스(L), 위상각(역률), 접지 절연 상태(Meg-Ohms) 및 기타 테스트를 볼 수 있는 기회를 제공하는 것입니다. 이러한 판독값은 안전과 정확성을 위해 장비의 전원이 차단된 상태에서 가장 잘 얻을 수 있습니다.

원칙적으로 전기 모터 회로는 단순하거나 복잡한 일련의 저항, 인덕턴스 및 그에 따른 위상각이 3상 시스템에서 각각 120도씩 떨어져 있는 구조입니다(그림 2). 물리 법칙에 따라 원래 결함이나 임박한 고장으로 인해 3상 권선이 불완전하면 불균형 상태가 됩니다. 조립된 전기 모터에서 회전자에 주조 공극이 있거나 막대가 부러진 경우, 에어 갭이 부족하거나 샤프트가 휘어진 경우 고정자와 회전자 간의 상호 유도로 인해 변동이 발생할 수 있습니다.

고정자와 회전자 사이의 상호 인덕턴스를 판독하는 MCA 장비의 기능 덕분에 분석가는 회전자 또는 에어 갭 내의 결함을 효과적이고 신속하며 안전하게 감지할 수 있습니다. 대부분의 MCA 장비는 분수에서 10,000마력 이상, 12V에서 13.8kV 이상의 모터에서 작동할 수 있어 광범위한 작동 범위를 제공하지만, 일반적으로 메가 또는 편광 지수 테스트가 추가되어 저항, 커패시턴스 및 유도만으로 판독 값을 제공하는 RCL 미터와 혼동해서는 안 됩니다. 또한 소프트웨어 패키지를 포함하여 1만 달러 미만의 가격으로 고품질 MCA 장치를 구입할 수 있어 매우 경제적인 사전 예방적 유지 관리 도구로 사용할 수 있습니다.

RCL 미터와 MCA 미터의 중요한 차이점은 임피던스 측정값입니다. 전류는 임피던스 대비 전압과 같으므로 교류 애플리케이션에서 전압과 전류의 불균형은 반비례합니다. 전압 불균형의 경제적 영향에 대한 많은 연구가 완료되었기 때문에 이는 중요한 차이점을 제공합니다. 단순 저항만으로는 한 지점에서 I2R 손실을 측정할 수 있지만, 권선 설계와 로터 대 권선 위치에 따라 가변적인 인덕턴스만으로는 시스템 신뢰성을 측정할 수 없습니다. 안타깝게도 인덕턴스를 기본으로 사용하는 시스템은 종종 좋은 전기 모터와 권선에 장애를 일으킵니다. 모터 권선의 실제 상태를 파악하려면 저항, 임피던스, 인덕턴스, 위상각 및 절연 저항을 포함한 모든 모터 회로 구성 요소를 확인해야 합니다. 적어도 한 곳의 MCA 장비 제조업체는 적용 주파수를 두 배로 늘리고 권선 간의 결과 비율을 확인하는 특수 테스트를 추가합니다. 이를 통해 다른 방법으로는 감지되지 않았을 턴 투 턴 및 코일 투 코일 결함을 조기에 감지할 수 있습니다.

MCA의 에너지 영향

전기 모터의 목적은 전기 에너지를 기계적 토크로 변환하는 것입니다. 세 단계가 모두 서로 120도 떨어져 있고 고정자, 회전자 및 마찰 손실이 제어될 때 가장 잘 작동합니다. 위상이 서로 120도씩 달라지면 자기장이 로터를 돌리기가 어려워져 모터의 효율이 떨어집니다. 충분히 멀어지면 서로 간섭하기 시작합니다. 이러한 영향은 전압 및 임피던스 불균형 모두에서 발견될 수 있으며, 효율성, 신뢰성 및 생산에 미치는 영향을 포함합니다. 전압 불균형과 마찬가지로 1~2%의 불균형은 허용되지만, 그 시점에서 온도 상승이 50%를 초과하므로 불균형이 5%를 초과해서는 안 됩니다. 임피던스 불균형이 2%를 초과하면 그림 4와 같이 모터를 감속해야 합니다.

임피던스 불균형이 미치는 중요한 영향 중 하나는 에너지 효율과 관련 비용 영향입니다. 전기 모터 효율에 대한 간단한 에너지 계산은 다음과 같습니다:

방정식 1:

kW 손실KW = 마력 * .746 * 부하 * [(100/E1) – (100/E2)]

참고: hp는 마력, E1은 새로운 효율, E2는 원래 효율입니다.

방정식 2:

수요 비용 $kW/년 = $/kW * kW * 12개월/년

방정식 3:

에너지 사용 비용 $kWh/년 = $/kWh * 시간/년 * kW

임피던스 불균형이 효율성에 미치는 영향은 그림 3에서 확인할 수 있습니다. 50마력 에너지 효율 전기 모터, 1800RPM, 95% 효율, 85% 부하, 연간 6000시간 작동, 3.5% 임피던스 불균형일 경우 결과 효율은 91%에 달합니다. 평균 에너지 비용이 $0.06/kWh이고 평균 수요 비용이 $14/kW인 경우, 그 결과 에너지 비용은 다음과 같습니다:

예 1: 임피던스 불균형이 3.5%인 50마력 모터

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

14/kW * 1.47kW/월 * 12개월/년 = $246.96/년

0.06/kWh * 6000시간/년 * 1.47kW = $529.20/년

연간 총 에너지 비용 = $776.16/년

이 모터를 작동하는 데 드는 연간 에너지 비용 증가는 상당합니다. 공장 내 임피던스 불균형 효과는 전기 모터가 추가로 발견되면 더욱 심각해집니다. 효율 감소와 함께 전기 모터 시스템의 신뢰성과 생산에도 영향을 미칩니다.

MCA의 신뢰성 영향

MCA의 신뢰성 영향 임피던스 불균형의 직접적인 결과로 전기 모터의 작동 온도가 상승하고 모터 권선 및 로터 내의 전기 기계적 응력이 증가합니다. 손실 증가는 그림 5에서 확인할 수 있으며, 작동 온도에 미치는 영향은 그림 6에서, 모터 신뢰성 감소는 그림 7에서 확인할 수 있습니다. 위상 불균형 또는 잠재적 권선 고장을 파악한다고 해서 전기 모터 고장을 예측할 수 있는 것은 아니라는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 테스트를 추적하고 추세를 파악하여 모터가 설계대로 작동할 것이라는 신뢰도, 즉 소유자가 모터를 수리하거나 교체해야 한다고 판단하는 시점을 결정할 수 있습니다. 이 지점은 중요하지 않은 모터에 대해서는 상당히 관대하고 중요한 장비에 대해서는 낮은 허용 오차를 가져야 합니다.

임피던스 불균형이 3.5%인 동일한 50마력 모터의 경우 다음과 같은 안정성 손실이 발생할 수 있습니다:

손실이 20% 증가합니다.

온도 상승이 25% 증가했습니다. 주변 온도 40°C, 클래스 F 절연 등급의 모터가 22°C 환경에서 작동하는 경우, 85% 부하에서 정상 온도 상승은 80°C입니다. 25%의 온도 상승은 새로운 온도가 100℃로 상승하는 것을 20℃ 온도 상승으로 만듭니다.

온도가 20도 상승하면 전기 모터의 전위 수명이 원래 전위의 25%로 감소합니다(절연 수명은 온도가 10도 상승할 때마다 절반씩 감소합니다). 여기에는 단열 시스템 또는 턴 단열 시스템에 대한 다른 잠재적 영향은 포함되지 않습니다.

MCA 테스트가 생산에 미치는 영향

에너지 비용 증가와 신뢰성 저하가 생산에 미치는 직접적인 영향은 모터가 작동에 얼마나 중요한지에 따라 달라집니다. 예를 들어, 생산 라인의 메인 드라이브는 매우 중요하지만 공기 처리 장치는 생산에 미치는 영향이 미미할 수 있습니다. 실패 확률이 증가함에 따라 생산에 드는 예상 비용을 설정할 수 있습니다. 이 생산 비용 추정치는 모터가 예기치 않게 고장날 경우 생산에 영향을 미치는 정도와 잠재적인 가동 중단 시간 및 시동 시간을 고려하여 그림 9를 기준으로 시간당 1,000달러로 결정할 수 있습니다.

임피던스 불균형이 3.5%인 50마력 전기 모터는 고장 확률이 60%이고 잠재적 생산 손실이 $600/$1000에 달할 수 있습니다. 따라서 50마력이 시간당 5000달러 라인에 100% 영향을 미치는 중요한 전기 모터이고 가동 중단 시간이 4시간, 시동 시간이 1시간인 경우, 영향 비용은 잠재적으로 1만 5000달러의 손실이 발생합니다:

방정식 4: 생산 손실

600/$1000 * $5000 * 4시간 * 1시간 = $15,000 생산 손실

모든 것을 하나로 모으기 이 글에서 사용된 예제에서는 임피던스 불균형이 3.5%인 중요한 50마력 전기 모터가 사용되었습니다. 이 임피던스 불균형과 관련된 총 잠재적 비용은 다음과 같습니다:

이 모터는 잠재적인 비용을 피하기 위해 수리 또는 교체가 필요한 후보입니다. 다음 종료 시 모터를 제거하고 교체하는 경우:

효율 95% 전기 모터 교체 비용: $2,250

교체 인건비: $500

오리지널 MCA 테스트 장비 비용: $7,995

테스트 노동(시간당 $60에 5분): $5

총액: $10,750

단순 투자 회수: 0.68년 또는 8개월 단순 투자 회수

테스트 장비 비용 미포함: 0.17년 또는 2개월

새 모터가 공장에 도착하면 제조 결함이 없는지 확인하기 위해 신뢰성 검사를 수행해야 합니다.

결론

모터 회로 분석은 간단하고 본질적으로 안전한 강력한 도구입니다(오프라인 테스트). 테스트 범위와 잠재적 투자 회수는 거의 즉시 이루어집니다. 이 문서에서 사용된 예는 플랜트에 있는 모터 하나만 나타냅니다. 분석 결과 주의가 필요한 전기 모터가 추가로 확인되면 에너지와 생산 비용을 결합하여 MCA 프로그램을 즉시 구매하고 실행합니다. 이러한 프로그램을 사내 프로그램이나 서비스로 구현하는 것은 간단합니다:

MCA 교육 – 대부분의 시스템은 고급 분석을 위한 합리적인 사용 학습 곡선과 함께 기본 작동을 위해 1~8시간 이내의 사내 교육이 필요합니다.

중요 모터 – 작동에 중요한 모터 결정

선택한 모터에 대한 분석 수행 및 결과 확인

중요 모터를 최소 분기별, 가능하면 월별로 추적 및 추세 파악

기회 구현

성공에 따라 테스트 범위 확대

MCA 프로그램의 결과는 다른 사전 예방적 유지보수 시스템과 결합하여 에너지 절감, 신뢰성 향상 및 생산 가동 시간에서 탁월한 결과를 가져올 것입니다.

서지

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저자 소개

Dr. Howard W. Penrose, Ph.D. 전기 모터 및 전기 모터 수리 산업에서 15년 이상을 가지고 있습니다. 미 해군에서 전기 모터 수리 기술자로 시작하여 중서부 대형 모터 수리점의 수석 엔지니어로서 모든 유형의 소형에서 대형 회전 장비에 대한 현장 서비스 및 평가에 이르기까지. Penrose 박사는 되감기, 교육 및 AC, DC, 권선 회전자, 동기식, 공작 기계 및 특수 장비 문제 해결에 직접 관여했습니다. 그의. 추가 연구에는 전기 모터 및 산업 신뢰성, 테스트 방법, 에너지 효율성 및 유지보수가 생산에 미치는 영향이 포함됩니다. 펜로즈 박사는 IEEE 시카고 섹션의 전 의장, IEEE 시카고 유전체 및 전기 절연 학회 전 의장, 전기 제조 코일 및 권선 협회 전문 회원, 미국 에너지부 인증 모터 마스터 전문가, 진동 분석가, 적외선 분석가 및 모터 회로 분석가입니다.