Анализ цепей электродвигателей для повышения энергоэффективности, надежности и производственных затрат

Введение

В новостях сообщают об отключениях электричества в связи с ростом спроса на электроэнергию, поэтому методы контроля энергозатрат уже не являются “зеленым” вариантом, а скорее стратегией выживания.
В промышленности потенциал номер один для контроля над энергопотреблением лежит через стратегии энергосбережения в системах электродвигателей.
Системы электродвигателей потребляют 19% всей энергии в США, что составляет 57% всей вырабатываемой электроэнергии.
Более 70% электроэнергии, используемой в производстве, и 90% в обрабатывающей промышленности, потребляется системами электродвигателей.
Модернизация электродвигателей, применение частотно-регулируемых приводов и другие стратегии энергоэффективности привлекают все большее внимание.
Однако две области, которые часто упускаются из виду с точки зрения возможностей повышения энергоэффективности, – это техническое обслуживание и надежность.
По данным EPRI, эффективность механического оборудования в целом может быть увеличена, как правило, на 10-15 % за счет надлежащего технического обслуживания.
Сюда входят профилактические, прогнозирующие, упреждающие и корректирующие программы технического обслуживания.
В частности, последовательное применение анализа цепей электродвигателей (MCA) может помочь избежать отказов электродвигателей, обеспечить проактивное обслуживание или замену и повысить энергоэффективность систем электродвигателей в целом.
Одни только затраты на электроэнергию не всегда оправдывают программу технического обслуживания двигателей.
Однако в сочетании с производительностью и сопутствующими затратами на надежность программа MCA может оправдать себя немедленно.
Рассмотрим, например, двигатель главного привода мощностью 100 лошадиных сил для одной линии завода, который составляет 10% от общего объема производства и работает 6 000 часов в год.
Затраты на простой оборудования составили бы $25 000 в час, если бы 100% оборудования не работало.
Замена двигателя при катастрофическом отказе займет 6 часов при времени запуска 2 часа.
Двигатель загружен на 75%, стоимость энергии составляет $0,06/кВтч и $14/кВт, обнаружен 5%-ный дисбаланс импеданса.
Общие возросшие затраты, не считая потерянного продукта, составят $24 875 в год.
93,6% будет связано с потерей продукции, 3,1% – с увеличением энергопотребления, 1,2% – с сокращением срока службы двигателя и 2,1% – с увеличением затрат на обслуживание (Рисунок 1).

Описание Анализ цепей электродвигателей

Основная концепция MCA заключается в том, чтобы дать аналитику возможность посмотреть простое сопротивление (R), комплексное сопротивление (Z – импеданс), индуктивность (L), угол сдвига фаз (коэффициент мощности), состояние изоляции земли (Мег-Ом) и другие тесты, чтобы определить состояние обмоток электродвигателя.
Эти показания лучше всего, как для безопасности, так и для точности, получать при обесточенном оборудовании.
В принципе, цепь электродвигателя представляет собой ряд сопротивлений, как простых, так и сложных, индуктивности и результирующих фазовых углов, которые в трехфазной системе составляют 120 градусов друг от друга (Рис. 2).
Когда трехфазная обмотка несовершенна, из-за изначальных дефектов или предстоящего выхода из строя, то, исходя из законов физики, они становятся несбалансированными.
В собранном электродвигателе литые пустоты или сломанные стержни в роторе, плохой воздушный зазор или изогнутый вал будут вызывать отклонения из-за взаимной индукции между статором и ротором.
Способность оборудования MCA считывать взаимную индуктивность между статором и ротором также позволяет аналитику эффективно, быстро и безопасно обнаруживать дефекты в роторе или воздушном зазоре.
Большинство приборов MCA могут работать с двигателями мощностью от долей до более 10 000 лошадиных сил, напряжением от 12 до более 13,8 кВ, что обеспечивает им широкий диапазон работы, но их не следует путать с RCL-метрами, которые дают показания только сопротивления, емкости и индукции, обычно с добавлением мегомметра или теста на индекс поляризации.
Кроме того, высококачественные приборы MCA можно приобрести по цене менее $10 000, включая пакеты программного обеспечения, что делает их очень доступным инструментом проактивного обслуживания.
Важное различие между RCL-метрами и MCA-метрами заключается в показаниях импеданса.
Поскольку ток равен отношению напряжения к импедансу, в случае переменного тока дисбаланс напряжения и тока обратно пропорционален.
Это важное различие, поскольку была проделана большая работа по изучению экономических последствий дисбаланса напряжения.
Используя только простое сопротивление, можно определить потери I2R в точке, но нельзя определить надежность системы, как и с помощью индуктивности, которая изменяется в зависимости от конструкции обмотки и положения ротора относительно обмотки.
К сожалению, системы, использующие индуктивность в качестве основы, часто приводят к отказу хороших электродвигателей и обмоток.
Чтобы определить истинное состояние обмотки двигателя, необходимо просмотреть все компоненты цепи двигателя, включая сопротивление, импеданс, индуктивность, фазовый угол и сопротивление изоляции.
По крайней мере, один производитель оборудования для MCA добавляет специальный тест, который удваивает приложенную частоту и просматривает результирующее соотношение между обмотками.
Это позволяет на ранней стадии обнаружить неисправности между витками и между обмотками, которые в противном случае остались бы незамеченными.  

Влияние MCA на энергетику

Назначение электродвигателя – преобразовывать электрическую энергию в механический крутящий момент.
Он работает наилучшим образом, когда все три фазы расположены под углом 120 градусов друг к другу, а другие потери в статоре, роторе и трении находятся под контролем.
Когда фазы отклоняются друг от друга на 120 градусов, эффективность двигателя снижается, потому что магнитным полям становится труднее вращать ротор.
Когда фазы отклоняются достаточно далеко, они начинают мешать друг другу.
Этот эффект проявляется как в дисбалансе напряжения, так и в дисбалансе импеданса, включая влияние на эффективность, надежность и производство.
Как и в случае с дисбалансом напряжения, допустимым является дисбаланс в 1-2%, но дисбаланс не должен превышать 5%, поскольку в этом случае повышение температуры превысит 50%.
Если дисбаланс импеданса превышает 2%, двигатель должен быть выведен из строя, как показано на Рис. 4.
Одним из важных последствий дисбаланса импеданса является энергоэффективность и связанные с ней затраты.
Простые энергетические расчеты эффективности электродвигателя выглядят следующим образом: Уравнение 1: Потери кВтКВт = hp * .746 * нагрузка * [(100/E1) – (100/E2)] Где: hp – лошадиная сила, E1 – новый КПД, а E2 – исходный КПД Уравнение 2: Затраты на потребление $kW/год = $/kW * kW * 12 месяцев/год Уравнение 3: Затраты на использование энергии $kWh/год = $/kWh * часы / год * kW Влияние дисбаланса импеданса на эффективность показано на Рисунке 3.
Энергоэффективный электродвигатель мощностью 50 лошадиных сил, 1800 об/мин, КПД 95%, нагрузка 85%, работающий 6000 часов в год, с дисбалансом импеданса 3,5% будет иметь результирующий КПД 91%.
При средней стоимости энергии $0,06/кВтч и средней стоимости спроса $14/кВт, результирующие затраты на энергию будут следующими: Пример 1: Двигатель мощностью 50 лошадиных сил с дисбалансом импеданса 3,5% 50 л.с. * .746 * .85 * [(100/91) – (100/95)] = 1,47 кВт $14/кВт * 1,47 кВт / месяц * 12 месяцев / год = $246,96 / год $0,06 / кВтч * 6000 часов / год * 1,47 кВт = $529,20 / год Общие годовые затраты на энергию = $776,16 / год Ежегодное увеличение затрат на энергию для эксплуатации этого двигателя является значительным.
Эффект дисбаланса импеданса на предприятии становится еще более значительным по мере появления дополнительных электродвигателей.
Наряду со снижением эффективности, страдает надежность и производительность системы электродвигателей.

Влияние MCA на надежность

Влияние MCA на надежность В результате дисбаланса импеданса повышается рабочая температура электродвигателя, а также электромеханические напряжения в обмотке и роторе двигателя.
Увеличение потерь показано на Рис. 5, влияние на рабочую температуру – на Рис. 6, а снижение надежности двигателя – на Рис. 7.
Важно понимать, что определение дисбаланса фаз или потенциального повреждения обмотки не позволит Вам предсказать отказ электродвигателя.
Тестирование можно отследить и проследить тенденцию, чтобы определить момент, когда надежность, или уверенность в том, что двигатель будет работать так, как задумано, снизится настолько, что владелец решит, что двигатель необходимо отремонтировать или заменить.
Эта точка должна быть достаточно терпимой для некритичных двигателей и малотерпимой для критически важного оборудования. Тот же самый двигатель мощностью 50 лошадиных сил с дисбалансом импеданса 3,5% будет иметь следующие потери надежности: Увеличение потерь на 20%.
Увеличение температуры на 25%.
Для двигателя с номинальной температурой окружающей среды 40oC, изоляцией класса F, работающего в условиях 22oC, нормальное повышение температуры при 85%-ной нагрузке составит 80oC.
Увеличение на 25% сделает новое повышение температуры до 100C повышением температуры на 20oC.
Повышение температуры на 20 сократит потенциальный срок службы электродвигателя до 25% от его первоначального потенциала (срок службы изоляции уменьшается вдвое на каждые 10oC повышения температуры).
Сюда не входят никакие другие потенциальные воздействия на систему изоляции или систему поворотной изоляции.  

Влияние тестирования MCA на производство

Прямое влияние на производство совокупного увеличения затрат на электроэнергию и снижения надежности будет зависеть от того, насколько критичен двигатель для работы.
Например, главный привод производственной линии будет очень важен, в то время как вентиляционная установка может иметь минимальное влияние на производство.
С увеличением вероятности отказа можно определить примерную стоимость производства.
Эта оценка стоимости производства может быть определена из расчета $1 000 в час на Рисунке 9 путем учета того, какой объем производства будет затронут, а также потенциального времени простоя и времени запуска, если двигатель неожиданно выйдет из строя.
Вероятность отказа электродвигателя мощностью 50 лошадиных сил с дисбалансом импеданса 3,5% составляет 60%, а потенциальные производственные потери – $600 / $1000.
Таким образом, если электродвигатель мощностью 50 лошадиных сил является критическим и оказывает 100%-ное воздействие на линию производительностью $5000 в час, при этом время простоя составляет 4 часа, а время запуска – 1 час, то стоимость воздействия составит потенциальные потери в размере $15 000: Уравнение 4: Производственные потери $600/$1000 * $5000 * 4 часа * 1 час = $15 000 потерянной продукции Сводя все воедино В примере, использованном в статье, использовался критический электродвигатель мощностью 50 лошадиных сил с дисбалансом сопротивления 3,5%.
Общие потенциальные затраты, связанные с этим дисбалансом, составят: Чтобы избежать потенциальных затрат, этот двигатель следует отремонтировать или заменить.
Если двигатель будет снят и заменен во время следующего отключения: Замена электродвигателя с КПД 95% стоит: $2 250 Трудозатраты на замену: $500 Стоимость оригинального тестового оборудования MCA: $7 995 Трудозатраты на тестирование (5 минут при $60/час): $5 Итого: $10 750 Простая окупаемость: 0,68 года или 8 месяцев Простая окупаемость Без учета стоимости тестового оборудования: 0,17 года или 2 месяца Проверка надежности нового двигателя должна быть проведена после его прибытия на завод, чтобы убедиться в отсутствии производственных дефектов.  

Заключение

Анализ цепей электродвигателя – это мощный инструмент, который прост и искробезопасен (автономный тест).
Диапазон тестирования и потенциальная окупаемость практически мгновенны.
Пример, использованный в этой статье, представляет только один двигатель на предприятии.
Если в результате анализа будут выявлены дополнительные электродвигатели, требующие внимания, то первоначальная покупка и внедрение программы MCA, если объединить затраты на электроэнергию и производство, будут мгновенными.
Внедрение такой программы в качестве внутренней программы или услуги не требует особых усилий: Обучение MCA – большинство систем требует не более 1-8 часов обучения для базовой работы с разумной кривой обучения для расширенного анализа Определите критические двигатели – двигатели, которые являются критическими для работы Выполните анализ выбранных двигателей и определите результаты Отслеживайте и отслеживайте динамику критических двигателей как минимум раз в квартал, по возможности ежемесячно Реализуйте возможности Увеличивайте объем тестирования в зависимости от успеха Результаты программы MCA в сочетании с другими системами проактивного обслуживания дадут отличные результаты в экономии энергии, повышении надежности и времени безотказной работы производства.  

Библиография

Сарма, Мулукутла С., Электрические машины: Теория стационарного состояния и динамические характеристики, PWS Publishing Company, 1994. Nasar, SyedA., TheoryandProblemsofElectricMachinesandElectromechanics, SchaumsOutlineSeries, 1981. Эдминстер, Джозеф, и др., Электрические цепи, третье издание, Schaums Electronic Tutor, 1997. Хаммонд, и др., Инженерный электромагнетизм, физические процессы и вычисления, Oxford Science Publications, 1994. Пенроуз, Говард В., Спецификация ремонта низковольтных полифазных асинхронных двигателей, предназначенных для применения в ШИМ-инверторах, Кеннеди-Западный университет, 1995. Пенроуз, Говард У., Новый подход к техническому обслуживанию и управлению системой электродвигателей для увеличения времени безотказной работы и снижения энергозатрат на коммерческих и промышленных объектах, Западный университет Кеннеди, 1997. Пенроуз, Говард У., Новый подход к оценке промышленного производства для повышения энергопотребления, потока отходов, технологических процессов и надежности, Западный университет Кеннеди, 1999 г. Пенроуз, Говард У., Анатомия энергоэффективного ремонта электродвигателя, журнал “Электрическая изоляция”, январь/февраль 1997 г. Фазовый анализ влияния дисбаланса напряжения на асинхронные машины, IEEE Transactions on Industrial Applications, Vol. 33, No. 2, Mar/Apr 1997, p. 415. Боннетт, Остин А., Как анализировать отказы ротора и статора для трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, конференция EASA, 1997. Varatharasa, Logan, et.al., Моделирование работы трехфазного асинхронного двигателя при неисправностях, Конференция EIC/EMCW, 1998 г. CD Rom. Министерство энергетики США, et.al., Keeping the Spark in Your Electrical System, US DOE, октябрь, 1995 г.

Об авторе

Доктор Говард В. Пенроуз, доктор философии, более 15 лет работает в сфере ремонта электродвигателей и электроприводов.
Начиная с подмастерья по ремонту электродвигателей в ВМС США и заканчивая полевым обслуживанием и оценкой от малого до крупного вращающегося оборудования всех типов, в качестве главного инженера крупной мастерской по ремонту электродвигателей на Среднем Западе.
Д-р Пенроуз принимал непосредственное участие в перемотке, обучении и устранении неисправностей электродвигателей переменного и постоянного тока, двигателей с намотанным ротором, синхронных двигателей, станков и специального оборудования.
Его
Дальнейшие исследования связаны с надежностью электродвигателей и промышленного оборудования, методами испытаний, энергоэффективностью и влиянием технического обслуживания на производство.
Д-р Пенроуз – бывший председатель Чикагской секции IEEE, бывший председатель Общества диэлектриков и электроизоляции IEEE Чикаго, профессиональный член Ассоциации электротехнического производства катушек и обмоток, сертифицированный Министерством энергетики США специалист по двигателям, специалист по анализу вибраций, инфракрасному анализу и анализу цепей двигателей.