Методы тестирования двигателей для определения эффективности и надежности

Аннотация

В этой статье рассматривается финансовое влияние эффективности и надежности электродвигателя на его состояние с помощью комбинации анализа цепей электродвигателя (MCA) и методов вибрации.
Будет описано влияние затрат на энергию, производство и техническое обслуживание.
Тема будет связана с исследованием коммунальных служб и успехами Министерства энергетики США в преобразовании рынка в 2000 и 2001 годах.
Основными проблемными областями являются баланс фаз, стержни ротора, чистота и проблемы с подшипниками.  

Введение

Электродвигатели – главная движущая сила промышленности и нашего общего комфорта в коммерческих зданиях.
Системы электродвигателей потребляют 20% всей энергии, используемой в Соединенных Штатах, и 59% всей вырабатываемой электроэнергии.
Внутри каждого сектора:

• 78% электроэнергии в промышленных системах (>90% в обрабатывающих отраслях)
• 43% электроэнергии в коммерческих зданиях
• 37% электрической энергии в доме

В США используется более 1,2 миллиарда электродвигателей всех типов.
Однако электродвигатели часто не видят и не помнят, пока производство не останавливается из-за перегорания или катастрофического отказа подшипников.
Важно понимать, что оборудование обычно выходит из строя со временем, надежность снижается, а потери растут (эффективность снижается) со временем, предшествующим большинству катастрофических отказов.
Хотя некоторые неисправности оборудования происходят мгновенно, подавляющее большинство катастрофических неисправностей, влияющих на производство, являются результатом провала в реализации программы технического обслуживания.
Этот провал в первую очередь связан с тем, что руководство не до конца понимает, что техническое обслуживание – это инвестиции в бизнес, а не расходы на ведение дел.
Если Вы не инвестируете в материалы, оборудование и людей, у Вас не будет продукции для продажи.
Если Вы не инвестируете в предиктивное техническое обслуживание (PM, TPM, RCM или любую другую программу), у Вас не будет продукта для продажи или будет меньше продукта при более высокой общей стоимости производства.
Было доказано, что правильная реализация программы технического обслуживания позволяет снизить потребление энергии на предприятиях на 10-14% [1,2], а также сократить незапланированные простои производства.
Средние затраты на простои представлены следующим образом:

1. Учебное пособие по промышленной производительности, 1996 г. Ежегодная встреча директоров IAC, Университет Ратгерса, Управление промышленных технологий Министерства энергетики США, 1996 г.
2. Демонстрационный проект по тестированию инструмента для анализа производительности электродвигателей, Pacific Gas & Electric, 2001 г.

В недавнем проекте по энергосбережению и надежности коммунальных служб была рассмотрена группа электродвигателей мощностью от 5 до 200 лошадиных сил в нескольких отраслях промышленности, включая: Нефтехимическая промышленность; производство лесных продуктов; пищевая промышленность; горнодобывающая промышленность (карьер); и целлюлозно-бумажная промышленность.
Заводы варьировались от отсутствия существующей программы планового технического обслуживания до полной реализации, включая существующую энергетическую программу.
Из этих двигателей, подвергнутых случайной оценке, 80% имели хотя бы один недостаток, причем 60% из них (48% от первоначальных) были признаны экономически эффективными для замены.
На предприятиях без программ было наибольшее количество дефектных двигателей, а на предприятиях с существующими программами технического обслуживания и энергосбережения – наименьшее количество дефектных двигателей.
Восемь процентов двигателей были проанализированы для определения типов неисправностей и потенциальной экономии средств при корректирующих действиях (ремонт или замена) с помощью анализа вибрации и анализа цепей двигателя (MCA).
Несколько двигателей имели комбинацию электрических и механических проблем: Несколько двигателей имели комбинированные вибрационные и электрические неисправности.
У нескольких были неисправности обмоток в сочетании с нарушениями сопротивления изоляции.
У нескольких двигателей были короткие замыкания в обмотках, которые продолжали вызывать проблемы с производством, но были списаны на неприятные срабатывания (обнаруженные в ходе исследования с помощью MCA).
Результаты расширенной части демонстрационного проекта Motor PAT Tool показали, что измерение фазового дисбаланса сопротивления, индуктивности, импеданса, фазового угла и I/F (ток/частотная характеристика) дало более полезные результаты.
Совокупный прирост затрат на производство 20% дефектных двигателей мощностью от 5 до 250 лошадиных сил составил 297 100 долларов США, что делает затраты на внедрение незначительными.
Цель данной статьи – сначала предоставить информацию для определения избежания затрат путем применения программы технического обслуживания электродвигателей.
Затем будет рассмотрено применение анализа цепей электродвигателя (MCA) и анализа вибрации.  

Избежание затрат благодаря техническому обслуживанию

Существует несколько способов определения избежания затрат при реализации программ технического обслуживания.
В данном обсуждении основное внимание будет уделено методам, представленным в Центрах промышленной оценки (IAC) Министерства энергетики США, которые обеспечивают очень базовый и консервативный метод.
В демонстрационном проекте PAT Tool Demonstration Project использовался гораздо более сложный метод [5], который выходит за рамки данной статьи.
Однако некоторые из инструментов, например, MotorMaster Plus [6], будут использоваться для получения информации о стоимости ремонта электродвигателей.

3. Учебное пособие по промышленной производительности, 1996 г. Ежегодная встреча директоров IAC, Университет Ратгерса, Управление промышленных технологий Министерства энергетики США, 1996 г.
4. Демонстрационный проект по тестированию инструмента для анализа производительности электродвигателей, Pacific Gas & Electric, 2001 г.
5. Демонстрационный проект по тестированию инструмента для анализа производительности электродвигателей, Pacific Gas & Electric, 2001 г.
6. MotorMaster Plus – это бесплатное программное обеспечение для управления энергией и работой двигателя, доступное через Министерство энергетики США www.oit.doe.gov/bestpractices/.

Представители коммунальных служб сообщили, что в ходе исследования объектов, где не было программ профилактического обслуживания, перемотка двигателя составляла 85% от общего числа ремонтов двигателя (в среднем).
После внедрения программ профилактического обслуживания количество повторных ремонтов сократилось примерно до 20% от общего числа.7
Это утверждение оказалось верным благодаря таким исследовательским проектам, как: Dreisilkers Total Motor System Maintenance and Management Program (DTM2), PAT Tool Project и другие.
Для целей данного обсуждения мы рассмотрим картонную фабрику с 485 моторами.
Есть две действующие производственные линии, потенциальная стоимость простоя каждой из которых составляет $6 575.
В среднем в месяц ремонтировалось 3 двигателя, из которых большинство (70%) требовали замены перемотки (обычно это вызвано погружением в воду, загрязнением или тем, что двигатели покрылись материалом).
Установка работала 8 000 часов в год, при этом катастрофические поломки обычно приводили к выходу из строя одной линии за раз.
Дополнительные расходы, не учтенные в данном обсуждении, включали очистку системы перед повторным запуском.
Программа технического обслуживания отсутствует. Первый шаг – это расчет затрат на незапланированные простои производства:

Уравнение 1: Стоимость незапланированного простоя производства

PCDowntime = (MF/Yr) x (PLost/failure) x (PCost) = (36 двигателей/год) x (4 часа/отказ) x ($6,575/час) = $946,800/год Где PC – годовая стоимость незапланированных простоев, MF – количество отказов двигателей, P – производство Шаг 2 – расчет средней стоимости перемоточного оборудования.
В данном случае мы сосредоточимся на оборудовании мощностью 20 лошадиных сил и выше.  

Уравнение 2: Средняя стоимость перемотки двигателей

Ravg = ((Nn1 x RWCn1)++(Nnn x RWCnn))/NT = ((1520 x $66020) + (1025 x $76025)++(4750 x $7735750)) / 138 двигателей = $1,650 Где Ravg – средняя стоимость перемотки, Nn – количество двигателей для каждой лошадиной силы, RWCn – стоимость перемотки для каждой лошадиной силы   7) Учебное пособие по промышленной производительности, 1996 г. Ежегодная встреча директоров IAC, Университет Ратгерса, Управление промышленных технологий Министерства энергетики США, 1996 г.   Средняя стоимость восстановления двигателей рассчитывается таким же образом, только вместо стоимости перемотки используется стоимость восстановления.
Для данного примера средняя стоимость восстановления составит $555.   Шаг 3 заключается в расчете средней стоимости ремонта одного двигателя до и после внедрения технического обслуживания.  

Уравнение 3: Средняя стоимость ремонта одного двигателя

Ravg = (% Recondition x $/Recondition) + (% Rewind x $/Rewind) = (30% x $555) + (70% x $1,650) = $1,322 / двигатель Предполагая, что количество перемотанных и восстановленных двигателей будет обратным при применении программы, количество перемотанных двигателей составит 30%, а средняя стоимость ремонта – $884 на двигатель.
После внедрения программы количество двигателей, подлежащих ремонту, в целом сократится.
В Шаге 4 используется количество ремонтируемых в год двигателей и разница между восстановленными и перемотанными двигателями, чтобы получить консервативную оценку экономии.  

Уравнение 4: Оценка снижения стоимости ремонта (RRCest)

RRCest = (двигатели, отремонтированные в год x первоначальные затраты на ремонт) (двигатели, отремонтированные в год x новые затраты на ремонт) = (36 двигателей в год x $1 322/двигатель) (36 двигателей в год x $884/двигатель) = $15 768 в год Шаг 5 – определение потенциальной экономии энергии.
В целях консервативной оценки предполагается, что эффективность повысится на 2%.
Компоненты технического обслуживания включают (и тип тестовой системы, только вибрация и MCA, используемые для оценки в данной работе):

• Улучшенная смазка (вибрация)
• Правильное выравнивание и балансировка (вибрация)
• Коррекция дисбаланса цепи (MCA)
• Снижение температуры двигателя (MCA, вибрация)
• Снижение потерь эффективности, вызванных перемоткой (по оценкам Министерства энергетики США, снижение эффективности на один процентный пункт при перемотке)
• Улучшенная производительность системы привода

 

Уравнение 5: Экономия затрат на электроэнергию

Экономия энергии = (общая мощность рассматриваемых двигателей) x (коэффициент нагрузки) x (часы работы) x (% экономии) x (.746 кВт/час) x (стоимость использования электроэнергии) = 14 930 лошадиных сил x 75% нагрузки x 8 000 часов работы x 2% экономии x 0,746 кВт/час x $0,06/кВтч = $80 192 в год Шаг 6 – определение затрат на оплату труда для реализации программы своими силами.
Предположим, что на каждый двигатель приходится 1 человеко-час в год.
Сметные расходы для этого примера будут основаны на $25 в час.  

Уравнение 6: Затраты на рабочую силу внутри компании

Трудозатраты = (1 час/месяц/мотор) х (количество моторов) х (12 месяцев/год) х ($/человеко-час) = 1 час/месяц/мотор х 138 моторов х 12 месяцев/год х ($25/человеко-час) = $41 400 в год.
Шаг 7 – это стоимость покупки MCA и оборудования для анализа вибрации.
Для целей данной статьи будет использовано то же самое оборудование, которое было выбрано для проекта PAT.
Предполагаемая совокупная стоимость прибора ALL-TEST IV PRO2000MCA и оборудования для анализа вибрации Pruftechnik составляет $22 000.
Шаг 8 – это расходы на обучение для внедрения системы.
Если предположить, что расходы на обучение работе с оборудованием составят $4 500 на человека, а расходы на обучение техническому обслуживанию – $6 000 на человека, то стоимость обучения должна составить примерно $10 500 на человека.
Последний шаг – определение простой окупаемости внедрения программы.
В данном примере предположим, что в течение первого года незапланированные простои сократятся на 50%.

 

Уравнение 7: Окупаемость простого обслуживания

Окупаемость = (Общие затраты в год)/ (Общая экономия в год) = $73 900 / $569 360 = 0,13 года или 1,6 месяца Небольшой размер этого конкретного завода позволит полностью реализовать программу технического обслуживания.
На более крупных заводах часто используются тысячи электродвигателей, и для их успешного внедрения может потребоваться разбивка на отделы или области.

Применение анализа вибрации

Анализ вибрации используется специалистами по техническому обслуживанию как средство обнаружения механических и, в некоторых случаях, электрических неисправностей во вращающемся оборудовании.
Проводя регулярные плановые испытания, можно определить эксплуатационную надежность электродвигателя с помощью трендов.
При выходе из строя подшипников, смазки, натяжении ремня, несоосности или других дисбалансах может произойти увеличение потерь энергии.
Эти потери проявляются в виде вибрации, шума и тепла.
Неправильное натяжение ремня и смазка увеличивают потери на трение и обмотку двигателя.
Это можно рассчитать следующим образом:  

Уравнение 8: Потери в подшипниках

Потери в ватах = (нагрузка, фунты x диаметр цапфы, дюймы x об/мин x f) / 169 .f зависит от используемого масла и температуры, 0,005 – типичный показатель Вибрационный анализ для устранения неисправностей позволит выявить неисправности подшипников (41% отказов), балансировки и центровки (12% отказов), в основном. Он также в некоторой степени выявит неисправности ротора (10% отказов) и некоторые электрические неисправности (37% отказов). Однако электрические неисправности и неисправности ротора, как правило, попадают в частотные диапазоны, которые могут быть связаны с другим оборудованием, и напрямую зависят от нагрузки. Анализ вибрации требует, чтобы электродвигатель работал с постоянной нагрузкой во время каждого теста, который будет отслеживаться.  

Применение анализа цепей электродвигателей

“Существует множество инструментов для качественного профилактического обслуживания отдельных двигателей. Среди них системы анализа цепей электродвигателей (MCA) имеют большие перспективы для выявления проблем с электродвигателями до их дорогостоящего выхода из строя и для повышения общей эффективности систем электродвигателей в целом. “8 Анализ цепи двигателя позволяет аналитику обнаружить повреждения обмотки и ротора в электродвигателе.
Одним из преимуществ этого метода тестирования является то, что он требует обесточивания оборудования, что позволяет проводить первоначальные входные испытания электродвигателей и устранять неисправности при выходе оборудования из строя.
К первичным потерям энергии, которые можно обнаружить, относятся дисбаланс фаз и потери I2R, а к неисправностям – короткое замыкание обмоток, ослабление соединений, замыкание на землю и повреждение ротора.
При резистивном повреждении выделяется тепло.
Например, ослабленное соединение 0,5 Ом на 100-сильном электродвигателе, работающем при 95 амперах:  

Уравнение 9: Резистивные потери

Потери в киловаттах = (I2R)/1000 = (952 x 0.5)/1000 = 4.5 кВт (потери спроса)  

Уравнение 10: Потери энергии

$/год = кВт х ч/год х $/кВтч = 4,5 кВт х 8000 ч/год х $0,06/кВтч = $2 160 / год Дисбаланс фаз электродвигателя (индуктивность и импеданс) влияет на дисбаланс тока, заставляет электродвигатели работать более горячо и снижает способность двигателя создавать крутящий момент.
Процентный дисбаланс импеданса может быть оценен для определения снижения эффективности и дополнительного нагрева электродвигателя.
Общее правило гласит, что на каждые 10°C повышения рабочей температуры срок службы оборудования сокращается вдвое.   8) DrivePower, Глава 12, 1993 г.  

 

Уравнение 10: Затраты энергии из-за потерь на разбалансировку фаз

Экономия $/год = л.с. x 0,746 x % нагрузки x $/кВтч x часы работы ((100/Le) (100/He)) = 100 л.с. x 0,756 x .75 нагрузки x $0,06/кВтч x 8000 часов ((100/91) (100/95)) = $1,240 / год Дисбаланс импеданса также вызовет повышение рабочей температуры, основанное на увеличении потерь I2R.
В случае 100-сильного электродвигателя это означает повышение температуры примерно на 30°C, или сокращение срока службы изоляции двигателя до 13% от первоначального.
Анализ цепи двигателя также используется для оценки обмоток на предмет загрязнения.
Частая очистка всасывающих (если таковые имеются) и охлаждающих ребер двигателя особенно важна в грязной среде.
Испытания подтверждают, что даже двигатели, работающие в тяжелых условиях, с большим номиналом и негабаритные, могут быстро выйти из строя в таких условиях, если они покрыты толстым слоем изоляции или если они покрыты легким слоем изоляции, а поток воздуха уменьшен вдвое.
Срок службы изоляции в этом случае может сократиться до 13-25% от нормального.9
То же самое происходит, если обмотки покрываются загрязнениями.
Тест ротора MCA требует снятия показаний индуктивности и импеданса при вращении ротора на 360 градусов.
Показания выводятся на график и просматриваются на предмет симметрии.
Результаты испытания ротора позволяют точно определить его состояние и часто проводятся после выявления возможной неисправности ротора по вибрации, в рамках программы приемки, во время ремонта или при обнаружении проблем с крутящим моментом.  

Заключение

Применение этих двух технологий дополняет друг друга, одновременно оценивая ход выполнения программы технического обслуживания и повышая эксплуатационную готовность оборудования.
Вибрационный анализ оценивает механическое состояние оборудования, а MCA – электрическое состояние оборудования.
В совокупности аналитик имеет возможность увидеть полное состояние электродвигателя.  

Библиография

Министерство энергетики США, Учебное пособие по промышленной производительности, 1996 г. Ежегодная встреча директоров IAC, Университет Ратгерс, 1996 г.
DrivePower, 1993.
Pacific Gas & Electric, Демонстрационный проект по тестированию средств анализа производительности электродвигателей, февраль 2001 г.  

Об авторе

Говард В. Пенроуз, доктор философии.
От имени компании ALL-TEST Pro, LLC Олд Сейбрук, CT