효율 및 신뢰성 결정을 위한 모터 테스트 방법
초록
이 문서에서는 모터 회로 분석(MCA)과 진동 기법의 조합을 검토하여 모터 상태 전기 모터 효율 및 신뢰성의 재정적 영향에 대해 설명합니다. 에너지, 생산 및 유지 관리에 대한 비용 영향이 요약됩니다. 이 주제는 2000년과 2001년 동안의 유틸리티 연구와 미국 에너지부의 시장 혁신 성공에 관한 것입니다. 주요 관심 분야는 위상 균형, 로터 바, 청결도 및 베어링 문제입니다.
소개
전기 모터는 산업을 이끄는 원동력이자 상업용 건물의 일반적인 편안함을 제공합니다. 모터 시스템은 미국에서 사용되는 모든 에너지의 20%를 소비하고 전체 전력 생산량의 59%를 소비합니다. 각 부문 내에서:
- 산업 시스템에서 전기 에너지의 78% (>공정 산업에서는 90%)
- 상업용 건물 전기 에너지의 43%
- 가정 내 전기 에너지의 37%
미국 전역에는 모든 종류의 전기 모터가 12억 개 이상 사용되고 있습니다. 그러나 전기 모터는 소손 또는 치명적인 베어링 고장으로 인해 생산이 중단될 때까지는 눈에 보이지 않고 마음에 들지 않는 경우가 많습니다.
장비는 일반적으로 시간이 지남에 따라 고장이 발생하고, 대부분의 치명적인 고장이 발생하기 전에 시간이 지남에 따라 신뢰성이 감소하고 손실이 증가(효율성 감소)한다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 일부 장비 결함은 즉각적으로 발생하지만 생산에 영향을 미치는 치명적인 결함의 대부분은 유지보수 프로그램 실행 실패로 인해 발생합니다. 이러한 실패는 주로 경영진이 유지 관리가 비즈니스 비용이 아니라 비즈니스에 대한 투자라는 점을 충분히 이해하지 못하기 때문입니다. 자재, 장비, 인력에 투자하지 않으면 판매할 제품이 없습니다. 예측 유지 관리 관행(PM, TPM, RCM 또는 기타 프로그램)에 투자하지 않으면 판매할 제품이 없거나 전체 생산 비용이 더 많이 들게 됩니다.
유지보수 프로그램을 적절히 구현하면 공장의 에너지 소비를 10~14%까지 줄일 수 있으며 [1,2], 예기치 않은 생산 중단 시간도 줄일 수 있는 것으로 나타났습니다. 평균 다운타임 비용은 다음과 같습니다:
- 산업 생산성 교육 매뉴얼, 1996년 연례 IAC 이사 회의, 럿거스 대학교, 미국 에너지부 산업 기술 사무소, 1996.
- 전기 모터 성능 분석 테스트 도구 데모 프로젝트, Pacific Gas & Electric, 2001.
최근 유틸리티 에너지 및 신뢰성 프로젝트에서는 다음과 같은 여러 산업에서 5~200마력의 전기 모터 그룹을 검토했습니다: 석유 및 화학; 임산물; 식품 가공; 광업(채석장); 펄프 및 제지. 플랜트들은 기존에 계획된 유지보수 프로그램이 전혀 없는 곳부터 기존 에너지 프로그램을 포함하여 완전히 구현한 곳까지 다양했습니다. 무작위로 평가한 모터 중 80%에서 최소 한 가지 이상의 결함이 발견되었으며, 이 중 60%(오리지널의 48%)는 교체하는 데 비용 효율성이 있는 것으로 나타났습니다. 프로그램이 없는 공장에서 결함이 있는 모터의 수가 가장 많았고, 기존 유지보수 및 에너지 프로그램이 있는 공장에서 결함이 있는 모터의 수가 가장 적었습니다. 모터의 8%를 평가하여 진동 분석 및 모터 회로 분석(MCA)을 사용하여 결함 유형과 시정 조치(수리 또는 교체)를 통한 잠재적 비용 절감 효과를 파악했습니다. 일부는 전기적 문제와 기계적 문제가 복합적으로 발생했습니다:
여러 모터에 진동과 전기적 결함이 복합적으로 발생했습니다. 일부는 권선 결함과 절연 저항 결함이 결합되어 있었습니다. 일부는 권선이 단락되어 생산에 지속적으로 문제를 일으키고 있었지만, 이는 성가신 트립으로 기록되었습니다(MCA를 사용하여 연구에서 감지됨). 모터 PAT 툴 데모 프로젝트의 고급 부분에 대한 연구 결과에 따르면 저항, 인덕턴스, 임피던스, 위상각, I/F(전류/주파수 응답)의 위상 불균형을 측정하는 것이 더 유용한 결과를 제공했습니다. 5마력에서 250마력까지 결함이 있는 모터의 20%에 대한 총 생산 비용 절감액은 297,100달러로, 구현 비용은 미미한 수준이었습니다.
이 백서의 목적은 먼저 전기 모터에 대한 유지보수 프로그램 적용을 통한 비용 회피를 결정하기 위한 정보를 제공하는 것입니다. 이어서 모터 회로 분석(MCA) 및 진동 분석의 구현에 대한 논의가 이어집니다.
유지 관리를 통한 비용 절감
유지 관리 프로그램 구현을 통한 비용 절감을 결정하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 이 토론에서는 매우 기본적이고 보수적인 방법을 제공하는 미국 에너지부의 산업 평가 센터(IAC)를 통해 소개된 방법에 초점을 맞출 것입니다. PAT 도구 데모 프로젝트에서는 이 글의 범위를 벗어나는 훨씬 더 복잡한 방법[5]을 사용했습니다. 그러나 모터마스터 플러스[6]와 같은 일부 도구는 모터 수리 비용에 대한 비용 정보를 제공하는 데 사용됩니다.
- 산업 생산성 교육 매뉴얼, 1996년 연례 IAC 이사 회의, 럿거스 대학교, 미국 에너지부 산업 기술 사무소, 1996.
- 전기 모터 성능 분석 테스트 도구 데모 프로젝트, Pacific Gas & Electric, 2001.
- 전기 모터 성능 분석 테스트 도구 데모 프로젝트, Pacific Gas & Electric, 2001.
- 모터마스터 플러스는 미국 에너지부를 통해 제공되는 무료 모터 에너지 및 관리 소프트웨어입니다( www.oit.doe.gov/bestpractices/).
유틸리티 담당자들은 예방 유지보수 프로그램이 없는 시설을 대상으로 한 설문조사에서 모터 되감기가 전체 모터 수리 건수의 85%(평균)를 차지했다고 밝혔습니다. 예방적 유지보수 프로그램을 구축한 후 되감기 횟수가 전체의 약 20%로 감소했습니다.7 이 진술은 다음과 같은 연구 프로젝트를 통해 사실로 밝혀졌습니다: 드라이실커스 토탈 모터 시스템 유지보수 및 관리 프로그램(DTM2), PAT 툴 프로젝트 등입니다.
이 논의의 목적을 위해 485개의 모터가 있는 판지 공장을 가정해 보겠습니다. 가동 중인 생산 라인이 두 개 있는데, 잠재적 다운타임 비용이 각각 6,575달러에 달합니다. 한 달에 평균 3개의 모터가 수리되었으며, 이 중 대다수(70%)는 되감기 교체가 필요했습니다(일반적으로 침수, 오염 또는 모터가 이물질에 코팅되어 발생). 이 시설은 연간 8,000시간 동안 운영되었으며, 보통 한 번에 하나의 라인에 장애가 발생하는 치명적인 장애가 발생했습니다. 이 논의에서 다루지 않은 추가 비용에는 운영을 다시 시작하기 전에 시스템을 청소하는 것이 포함됩니다. 유지 관리 프로그램이 마련되어 있지 않습니다.
첫 번째 단계는 계획되지 않은 생산 중단 시간 비용을 계산하는 것입니다:
공식 1: 계획되지 않은 생산 중단 시간 비용
PC다운타임 = (MF/년) x (PLost/장애) x (PCost) = (36모터/년) x (4시간/장애) x ($6,575/hr) = $946,800/년
여기서 PC는 계획되지 않은 다운타임의 연간 비용, MF는 모터 고장 횟수, P는 생산량을 나타냅니다.
2단계는 장비 되감기의 평균 비용을 계산하는 것입니다. 이 경우에는 20마력 이상에만 집중할 것입니다.
공식 2: 모터 되감기 평균 비용
Ravg = ((Nn1 x RWCn1)++(Nnn x RWCnn))/NT = ((1520 x $66020) + (1025 x $76025)++(4750 x $7735750)) / 138모터 = $1,650
여기서 Ravg는 평균 되감기 비용, Nn은 각 마력에 대한 모터 수, RWCn은 각 마력에 대한 되감기 비용입니다.
7) 산업 생산성 교육 매뉴얼, 1996년 연례 IAC 이사 회의, 럿거스 대학교, 미국 에너지부 산업 기술 사무소, 1996.
모터 리컨디셔닝에 드는 평균 비용은 되감기 비용 대신 리컨디셔닝 비용이 사용된다는 점을 제외하고는 동일한 방식으로 계산됩니다. 이 예의 경우 평균 리컨디셔닝 비용은 $555입니다.
3단계는 유지보수 실행 전후의 모터당 평균 수리 비용을 계산하는 것입니다.
공식 3: 모터당 평균 수리 비용
Ravg = (% 리컨디셔닝 x $/리컨디셔닝) + (% 리와인드 x $/리와인드) = (30% x $555) + (70% x $1,650) = $1,322 / 모터
이 프로그램을 적용하면 재감기 모터 수와 수리 모터 수가 반비례한다고 가정하면, 재감기 모터 수는 30%, 평균 수리 비용은 모터당 $884가 됩니다. 이 프로그램이 시행되면 전체적으로 수리해야 하는 모터의 수가 줄어들 것입니다.
4단계에서는 연간 수리된 모터의 수와 수리된 모터와 다시 감은 모터의 차이를 사용하여 보수적인 절감액 추정치를 산출합니다.
공식 4: 수리 비용 절감 추정치(RRCest)
RRCest = (수리된 모터/년 x 초기 수리 비용) (수리된 모터/년 x 신규 수리 비용) = (36개 모터/년 x $1,322/모터) (36개 모터/년 x $884/모터) = 연간 $15,768
5단계는 잠재적인 에너지 절감량을 파악하는 것입니다. 보수적인 추정을 위해 효율성이 2% 향상되었다고 가정합니다. 유지 관리 구성 요소에는 다음이 포함됩니다(이 백서에서는 평가에 사용된 테스트 시스템 유형, 진동 및 MCA만 해당):
- 윤활(진동) 개선
- 적절한 정렬 및 밸런싱(진동)
- 회로 불균형 보정(MCA)
- 모터 온도 감소(MCA, 진동)
- 되감기로 인한 효율성 손실 감소(미국 에너지부는 되감기당 1% 포인트의 효율성 감소를 추정)
- 향상된 드라이브 시스템 성능
공식 5: 에너지 비용 절감
에너지 절약 = (고려된 모터의 총 마력) x (부하율) x (작동 시간) x (%절감) x (.746kW/hp) x (전기 사용 비용) = 14,930마력 x 75% 부하 x 8,000시간 x 2% 절감 x 0.746kW/hp x $0.06/kWh = 연간 $80,192
6단계는 프로그램을 구현하기 위한 사내 인건비를 결정하는 단계입니다. 모터당 연간 1인시라고 가정합니다. 이 예제의 예상 비용은 시간당 $25를 기준으로 합니다.
공식 6: 사내 인건비
인건비 = (1시간/월/모터) x (모터 수) x (12개월/년) x ($/인시) = 1시간/월/모터 x 138개 모터 x 12개월/년 x ($25/인시) = 연간 $41,400입니다.
7단계는 MCA 및 진동 분석 장비의 구매 가격입니다. 이 글의 목적상, 유틸리티 PAT 프로젝트에 선정된 것과 동일한 장비가 사용됩니다. ALL-TEST IV PRO2000MCA 기기와 프루프테크닉 진동 분석 장비의 예상 합산 비용은 $22,000입니다.
8단계는 시스템 구현을 위한 교육 비용입니다. 장비 교육 비용이 1인당 4,500달러, 유지보수 교육 비용이 1인당 6,000달러라고 가정하면 1인당 약 10,500달러의 비용이 소요될 것으로 예상됩니다.
마지막 단계는 프로그램 구현에 대한 간단한 투자 회수를 결정하는 것입니다. 이 예제의 경우 첫해에 예기치 않은 다운타임이 50% 감소한다고 가정합니다.
공식 7: 단순 유지보수 투자 회수
투자 회수 = (연간 총 비용)/ (연간 총 절감액) = $73,900 / $569,360 = 0.13년 또는 1.6개월
이 특정 플랜트의 규모가 작기 때문에 유지 관리 프로그램을 완벽하게 구현할 수 있습니다. 대규모 제조 공장에는 수천 대의 전기 모터가 있는 경우가 많으며 성공적인 구현을 위해 부서 또는 영역을 세분화해야 할 수 있습니다.
진동 분석 적용
진동 분석은 유지보수 전문가가 회전하는 장비의 기계적 결함 및 일부 제한된 전기적 결함을 감지하는 수단으로 사용합니다. 정기적으로 예정된 테스트를 수행함으로써 전기 모터의 작동 신뢰성을 추세를 통해 확인할 수 있습니다. 베어링 고장, 그리스, 벨트 장력, 정렬 불량 또는 기타 불균형에 따라 에너지 손실이 증가할 수 있습니다. 이러한 손실은 진동, 소음, 열로 나타납니다. 부적절한 벨트 장력과 그리스는 모터의 마찰과 풍력 손실을 증가시킵니다. 이는 다음과 같이 계산할 수 있습니다:
방정식 8: 베어링 손실
와트 손실 = (부하, 파운드 x 저널 직경, 인치 x rpm x f) / 169 .f는 사용된 오일과 온도에 따라 달라지며, 0.005가 일반적입니다.
문제 해결을 위한 진동 분석은 주로 베어링(고장의 41%) 결함, 밸런스 및 정렬(고장의 12%) 결함을 감지합니다. 또한 로터 결함(고장의 10%)과 일부 전기적 결함(고장의 37%)도 어느 정도 감지할 수 있습니다. 그러나 전기 및 로터 결함은 다른 장비와 관련될 수 있는 주파수 범위에 속하는 경향이 있으며 부하와 직접적으로 관련이 있습니다. 진동 분석은 전기 모터가 각 테스트 동안 일정한 부하에서 작동하여 추세를 파악할 수 있어야 합니다.
모터 회로 분석의 응용
“개별 모터의 품질 예방 유지보수를 수행하는 데 사용할 수 있는 도구는 많습니다. 이 중 모터 회로 분석(MCA) 시스템은 비용이 많이 드는 고장이 발생하기 전에 모터 문제를 파악하고 모터 시스템 전반의 효율성을 개선하는 데 큰 잠재력을 가지고 있습니다. “8
모터 회로 분석을 통해 분석가는 전기 모터의 권선 결함 및 로터 결함을 감지할 수 있습니다. 이러한 유형의 테스트 방법의 장점 중 하나는 장비의 전원을 차단해야 하므로 전기 모터의 초기 유입 테스트와 장비 고장 시 문제 해결이 가능하다는 점입니다. 감지할 수 있는 1차 에너지 손실에는 위상 불균형 및 I2R 손실이 포함되며, 결함에는 권선 단락, 느슨한 연결, 접지 결함 및 로터 결함 등이 있습니다.
저항 결함은 손실로 열을 발산합니다. 예를 들어, 95암페어에서 작동하는 100마력 전기 모터의 0.5옴 느슨한 연결이 있습니다:
방정식 9: 저항 손실
킬로와트 손실 = (I2R)/1000 = (952 x 0.5)/1000 = 4.5kW(수요 손실)
공식 10: 에너지 사용량 손실
$/년 = kW x 시간/년 x $/kWh = 4.5kW x 8000시간/년 x $0.06/kWh = $2,160/년
전기 모터 위상 불균형(인덕턴스 및 임피던스)은 전류 불균형에 영향을 미치고 모터를 더 뜨겁게 작동시키며 모터의 토크 생성 능력을 저하시킵니다. 임피던스의 불균형 비율을 평가하여 효율 감소 및 전기 모터의 추가 가열을 결정할 수 있습니다. 일반적으로 작동 온도가 10°C 상승할 때마다 장비의 수명이 절반으로 줄어듭니다.
8) DrivePower, 12장, 1993년
공식 10: 위상 불균형 손실로 인한 에너지 비용
연간 절감액 = hp x 0.746 x %부하 x $/kWh x 작동 시간((100/Le) (100/He)) = 100hp x 0.756 x .75부하 x $0.06/kWh x 8000시간((100/91) (100/95)) = $1,240/년
임피던스 불균형은 또한 I2R 손실의 증가에 따라 작동 온도 상승을 유발합니다. 100마력 전기 모터의 경우, 이는 약 30°C의 온도 상승 또는 모터 절연 수명이 원래의 13% 수준으로 감소한다는 것을 의미합니다.
모터 회로 분석은 권선의 오염 여부를 평가하는 데도 사용됩니다. 모터의 흡입구(있는 경우)와 냉각 핀을 자주 청소하는 것은 더러운 환경에서는 특히 중요합니다. 테스트 결과, 고부하, 넉넉한 정격, 대형 모터라도 코팅이 두껍게 벗겨지거나 가볍게 코팅되어 공기 흐름이 절반으로 감소하면 이러한 조건에서 빠르게 고장날 수 있습니다. 그러면 단열재 수명이 정상의 13~25%까지 떨어질 수 있습니다.9 와인딩이 오염 물질로 코팅된 경우에도 동일한 현상이 발생합니다.
MCA 로터 테스트에는 로터의 360도 회전을 통한 인덕턴스 및 임피던스 판독값이 필요합니다. 판독값이 그래프로 표시되고 대칭성을 확인할 수 있습니다. 로터 테스트 결과는 로터의 최종 상태를 제공하며, 진동에 의한 로터 결함 가능성을 확인한 후, 승인 프로그램의 일부로, 수리 중 또는 모터에 토크 문제가 있는 것으로 확인된 경우에 종종 수행됩니다.
결론
이 두 기술을 적용하면 서로를 보완하는 동시에 유지보수 프로그램의 진행 상황을 평가하고 장비 가용성을 개선할 수 있습니다. 진동 분석은 장비의 기계적 상태를 평가하고 MCA는 장비의 전기적 상태를 평가합니다. 이를 결합하여 분석가는 전기 모터의 전체 상태를 볼 수 있습니다.
서지
미국 에너지부, 산업 생산성 교육 매뉴얼, 1996년 연례 IAC 이사 회의, 럿거스 대학교, 1996.
DrivePower, 1993.
Pacific Gas & Electric, 전기 모터 성능 분석 테스트 도구 데모 프로젝트, 2001년 2월.
저자 소개
하워드 W. 펜로즈, Ph.
ALL-TEST Pro, LLC를 대신하여
올드 세이브룩, 코네티컷
