การวิเคราะห์วงจรมอเตอร์เพื่อการปรับปรุงพลังงาน ความน่าเชื่อถือ และต้นทุนการผลิต

Introduction

With news reports citing power outages due to increased electricity demand, cost-saving measures are no longer environmentally friendly but rather a survival strategy. Within the industry, the primary potential for energy control is through energy strategies for electric motor systems.

Electric motor systems consume 19% of all energy in the United States, and 57% of all electricity produced. More than 70% of the electricity used in manufacturing and 90% in process industries is powered by motor systems. Improvements to electric motors, the application of variable frequency drives, and other energy efficiency strategies have garnered significant attention. However, two issues often overlooked regarding energy saving opportunities are maintenance and reliability.

According to EPRI, the efficiency of common mechanical equipment can generally be increased by 10-15% through proper maintenance, including preventative, predictive, proactive, and corrective maintenance programs. In particular, ongoing motor cycle analysis (MCA) can help avoid motor failures, enable proactive maintenance or replacement, and improve the overall energy efficiency of motor systems.

Energy costs alone don’t always justify a motor maintenance program. When combined with associated production and reliability costs, an MCA program can immediately prove itself. For example, consider a 100 hp main drive motor for a factory’s production line, representing 10% of total production and operating 6,000 hours per year. The factory downtime would be $25,000 per hour if the factory were 100% offline. Replacing a motor would take 6 hours during a critical failure, with a 2-hour start-up time. With a 75% motor load, energy costs of $0.06/kWh and $14/kW, and a 5% impedance imbalance detected, the total increased cost, excluding wasted product, would be $24,875 per year. 93.6% of this is due to production loss, 3.1% due to increased energy consumption, 1.2% due to reduced motor life, and 2.1% due to increased demand costs (Figure 1).

Explanation of motor circuit analysis.

The basic concept of MCA is to give analysts the opportunity to view simple resistance (R), complex resistance (Z – impedance), inductance (L), phase angle (power factor), insulation-ground condition (megohms), and other tests to determine the condition of electric motor windings. These readings are obtained as safely and accurately as possible with the equipment disconnected.

ตามหลักการ วงจรมอเตอร์ไฟฟ้าเป็นชุดของความต้านทาน ทั้งแบบง่ายและเชิงซ้อน ตัวเหนี่ยวนำและมุมเฟสผลลัพธ์ที่อยู่ห่างกัน 120 องศาในระบบสามเฟส (รูปที่ 2) เมื่อขดลวดสามเฟสไม่สมบูรณ์ เนื่องจากข้อบกพร่องดั้งเดิมหรือความล้มเหลวที่กำลังจะเกิดขึ้น ตามกฎของฟิสิกส์ สิ่งเหล่านี้จะไม่สมดุล ในมอเตอร์ไฟฟ้าที่ประกอบเข้าด้วยกัน การหล่อช่องว่างหรือแท่งเหล็กที่หักในโรเตอร์ ช่องว่างอากาศที่ไม่ดี หรือเพลาโค้งงอ จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเนื่องจากการเหนี่ยวนำร่วมกันระหว่างสเตเตอร์และโรเตอร์

ความสามารถของอุปกรณ์ MCA ในการอ่านค่าความเหนี่ยวนำร่วมระหว่างสเตเตอร์และโรเตอร์ยังช่วยให้นักวิเคราะห์ตรวจจับข้อบกพร่องภายในโรเตอร์หรือช่องว่างอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพ รวดเร็วและปลอดภัย อุปกรณ์ MCA ส่วนใหญ่สามารถทำงานกับมอเตอร์ได้ตั้งแต่เศษส่วนจนถึงมากกว่า 10,000 แรงม้า, 12 โวลต์ถึงมากกว่า 13.8kV ทำให้มีการทำงานที่หลากหลาย แต่ไม่ควรสับสนกับมิเตอร์ RCL ซึ่งให้การอ่านค่าเพียงความต้านทาน ความจุไฟฟ้า และการเหนี่ยวนำ โดยปกติแล้ว โดยเพิ่มการทดสอบดัชนีเมกเกอร์หรือโพลาไรเซชัน นอกจากนี้ คุณสามารถซื้อหน่วย MCA คุณภาพสูงได้ในราคาต่ำกว่า 10,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ รวมถึงแพ็คเกจซอฟต์แวร์ด้วย ทำให้เป็นเครื่องมือบำรุงรักษาเชิงรุกที่มีราคาไม่แพงมาก

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างมิเตอร์ RCL และมิเตอร์ MCA คือการอ่านค่าอิมพีแดนซ์ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเท่ากับแรงดันไฟเกินอิมพีแดนซ์ ในการใช้งานไฟฟ้ากระแสสลับ ความไม่สมดุลของแรงดันและกระแสจึงเป็นสัดส่วนผกผัน สิ่งนี้ทำให้เกิดความแตกต่างที่สำคัญ เนื่องจากมีการทำงานจำนวนมากเกี่ยวกับผลกระทบทางเศรษฐกิจของความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้า ด้วยการใช้ความต้านทานอย่างง่ายเพียงอย่างเดียว จึงสามารถกำหนดการสูญเสีย I2R ข้ามจุดได้ แต่ความน่าเชื่อถือของระบบไม่สามารถระบุได้ และไม่สามารถดำเนินการได้ด้วยการเหนี่ยวนำเพียงอย่างเดียว ซึ่งเป็นตัวแปรขึ้นอยู่กับการออกแบบของขดลวดและโรเตอร์ไปยังตำแหน่งขดลวด น่าเสียดายที่ระบบที่ใช้ตัวเหนี่ยวนำเป็นฐานมักจะทำให้มอเตอร์และขดลวดไฟฟ้าที่ดีทำงานล้มเหลว เพื่อให้ได้สภาวะที่แท้จริงของการพันของมอเตอร์ เราต้องดูส่วนประกอบของวงจรมอเตอร์ทั้งหมด รวมถึงความต้านทาน อิมพีแดนซ์ ตัวเหนี่ยวนำ มุมเฟส และความต้านทานของฉนวน ผู้ผลิตอุปกรณ์ MCA อย่างน้อยหนึ่งรายเพิ่มการทดสอบพิเศษที่เพิ่มความถี่ที่ใช้เป็นสองเท่าและดูอัตราส่วนผลลัพธ์ระหว่างขดลวด ซึ่งช่วยให้สามารถตรวจจับข้อผิดพลาดของการเลี้ยวต่อเลี้ยวและขดลวดต่อขดลวดได้ตั้งแต่เนิ่นๆ ซึ่งหากไม่เช่นนั้นก็จะตรวจไม่พบ

 

ผลกระทบด้านพลังงานของ MCA

วัตถุประสงค์ของมอเตอร์ไฟฟ้าคือการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแรงบิดเชิงกล จะทำงานได้ดีที่สุดเมื่อทั้งสามเฟสอยู่ห่างจากกัน 120 องศา และมีการควบคุมการสูญเสียสเตเตอร์ โรเตอร์ และแรงเสียดทานอื่นๆ เนื่องจากเฟสต่างกัน 120 องศา ประสิทธิภาพของมอเตอร์จึงลดลงเนื่องจากสนามแม่เหล็กหมุนโรเตอร์ได้ยากขึ้น เมื่อห่างกันพอสมควรก็เริ่มรบกวนกัน ผลกระทบนี้สามารถพบได้ทั้งในความไม่สมดุลของแรงดันไฟฟ้าและอิมพีแดนซ์ รวมถึงผลกระทบต่อประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และการผลิต เช่นเดียวกับแรงดันไฟฟ้าที่ไม่สมดุล ความไม่สมดุล 1-2% เป็นสิ่งที่ยอมรับได้ แต่ความไม่สมดุลไม่ควรเกิน 5% เนื่องจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะเกิน 50% ณ จุดนั้น เมื่ออิมพีแดนซ์ไม่สมดุลเกิน 2% มอเตอร์ควรจะถูกลดค่าลงดังแสดงในรูปที่ 4

ผลกระทบที่สำคัญประการหนึ่งของความไม่สมดุลของอิมพีแดนซ์คือประสิทธิภาพการใช้พลังงานและผลกระทบด้านต้นทุนที่เกี่ยวข้อง การคำนวณพลังงานอย่างง่ายสำหรับประสิทธิภาพของมอเตอร์ไฟฟ้ามีดังนี้:

สมการที่ 1:

kW การสูญเสียKW = hp * .746 * โหลด * [(100/E1) – (100/E2)]

โดยที่: hp คือแรงม้า E1 คือประสิทธิภาพใหม่ และ E2 คือประสิทธิภาพดั้งเดิม

สมการที่ 2:

ต้นทุนความต้องการ $kW/ปี = $/kW * kW * 12 เดือน/ปี

สมการที่ 3:

ต้นทุนการใช้พลังงาน $kWh/ปี = $/kWh * ชั่วโมง / ปี * kW

ผลกระทบด้านประสิทธิภาพของความไม่สมดุลของอิมพีแดนซ์สามารถดูได้ในรูปที่ 3 มอเตอร์ไฟฟ้าประหยัดพลังงาน 50 แรงม้า 1800 รอบต่อนาที มีประสิทธิภาพ 95% โหลด 85% ทำงาน 6,000 ชั่วโมงต่อปี โดยมีอิมพีแดนซ์ไม่สมดุล 3.5% จะทำให้ประสิทธิภาพเป็น 91% ด้วยต้นทุนพลังงานเฉลี่ย 0.06 ดอลลาร์สหรัฐฯ/กิโลวัตต์ชั่วโมง และต้นทุนความต้องการพลังงานเฉลี่ย 14 ดอลลาร์/กิโลวัตต์ ผลลัพธ์ด้านพลังงานจะเป็นดังนี้:

ตัวอย่างที่ 1: มอเตอร์ 50 แรงม้าที่มีอิมพีแดนซ์ไม่สมดุล 3.5%

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

14 USD/kW * 1.47 kW / เดือน * 12 เดือน / ปี = 246.96 USD / ปี

0.06 USD / kWh * 6,000 ชั่วโมง / ปี * 1.47 kW = 529.20 USD / ปี

ต้นทุนพลังงานต่อปีทั้งหมด = 776.16 เหรียญสหรัฐฯ ต่อปี

ต้นทุนพลังงานที่เพิ่มขึ้นทุกปีสำหรับการใช้งานมอเตอร์นี้มีความสำคัญ ผลกระทบจากความไม่สมดุลของอิมพีแดนซ์ภายในโรงงานจะมีความสำคัญมากยิ่งขึ้นเมื่อพบมอเตอร์ไฟฟ้าเพิ่มเติม นอกจากประสิทธิภาพที่ลดลงแล้ว ยังส่งผลกระทบต่อความน่าเชื่อถือและการผลิตของระบบมอเตอร์ไฟฟ้าด้วย

ผลกระทบด้านความน่าเชื่อถือของ MCA

ผลกระทบด้านความน่าเชื่อถือของ MCA ผลโดยตรงจากความไม่สมดุลของอิมพีแดนซ์ อุณหภูมิในการทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น เช่นเดียวกับความเค้นทางเครื่องกลไฟฟ้าภายในขดลวดมอเตอร์และโรเตอร์ การสูญเสียที่เพิ่มขึ้นสามารถพบได้ในรูปที่ 5 โดยมีผลกระทบต่ออุณหภูมิในการทำงานที่พบในรูปที่ 6 และความน่าเชื่อถือของมอเตอร์ลดลงในรูปที่ 7 สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าการพิจารณาความไม่สมดุลของเฟสหรือความล้มเหลวของขดลวดที่อาจเกิดขึ้นจะไม่อนุญาตให้คุณคาดการณ์ความล้มเหลวของมอเตอร์ไฟฟ้า สามารถติดตามและแนวโน้มการทดสอบเพื่อกำหนดจุดที่ความน่าเชื่อถือหรือความมั่นใจว่ามอเตอร์จะทำงานตามที่ออกแบบไว้จะลดลงจนถึงจุดที่เจ้าของจะพิจารณาว่าควรซ่อมแซมหรือเปลี่ยนมอเตอร์ใหม่ จุดนี้ควรจะค่อนข้างยอมรับได้สำหรับมอเตอร์ที่ไม่สำคัญ และมีความทนทานต่ำสำหรับอุปกรณ์ที่สำคัญ

มอเตอร์ขนาด 50 แรงม้าตัวเดียวกันที่มีอิมพีแดนซ์ไม่สมดุล 3.5% จะสูญเสียความน่าเชื่อถือดังต่อไปนี้:

ขาดทุนเพิ่มขึ้น 20%

อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 25% สำหรับมอเตอร์ที่มีอุณหภูมิแวดล้อม 40oC ฉนวนคลาส F ที่ทำงานในสภาพแวดล้อม 22oC อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นปกติที่โหลด 85% จะเป็น 80oC การเพิ่มขึ้น 25% จะทำให้อุณหภูมิใหม่เพิ่มขึ้นเป็น 100C อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 20oC

อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 20 องศาจะลดอายุการใช้งานของมอเตอร์ไฟฟ้าลงเหลือ 25% ของศักยภาพเดิม (อายุของฉนวนจะลดลงครึ่งหนึ่งสำหรับทุกๆ 10oC ของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น) นี่ไม่รวมถึงผลกระทบอื่นใดที่อาจเกิดขึ้นกับระบบฉนวนหรือระบบฉนวนหมุน

 

ผลกระทบการผลิตของการทดสอบ MCA

ผลกระทบโดยตรงต่อการผลิตของต้นทุนพลังงานที่เพิ่มขึ้นรวมกันและความน่าเชื่อถือที่ลดลงจะขึ้นอยู่กับความสำคัญของมอเตอร์ต่อการดำเนินงาน ตัวอย่างเช่น การขับเคลื่อนหลักของสายการผลิตจะมีความสำคัญอย่างยิ่ง ในขณะที่หน่วยจัดการอากาศอาจมีผลกระทบต่อการผลิตน้อยที่สุด ด้วยความเป็นไปได้ที่จะเกิดความล้มเหลวเพิ่มขึ้น จึงสามารถกำหนดต้นทุนต่อการผลิตโดยประมาณได้ การประมาณการต้นทุนการผลิตนี้สามารถกำหนดได้ต่อ 1,000 เหรียญสหรัฐต่อชั่วโมง เทียบกับรูปที่ 9 โดยการแยกตัวประกอบว่าการผลิตจะได้รับผลกระทบจำนวนเท่าใด และเวลาหยุดทำงานและเวลาเริ่มต้นที่อาจเกิดขึ้น หากมอเตอร์ทำงานล้มเหลวโดยไม่คาดคิด

มอเตอร์ไฟฟ้าขนาด 50 แรงม้าที่มีอิมพีแดนซ์ไม่สมดุล 3.5% จะมีโอกาสเกิดความล้มเหลว 60% และอาจมีการสูญเสียการผลิต 600 เหรียญสหรัฐ / 1,000 เหรียญสหรัฐ ดังนั้น หาก 50 แรงม้าเป็นมอเตอร์ไฟฟ้าที่สำคัญซึ่งส่งผลกระทบ 100% ต่อสายการผลิต 5,000 ดอลลาร์ต่อชั่วโมง โดยมีเวลาหยุดทำงาน 4 ชั่วโมงและเวลาสตาร์ทเครื่อง 1 ชั่วโมง ต้นทุนผลกระทบอาจสูญเสีย 15,000 ดอลลาร์:

สมการที่ 4: การสูญเสียการผลิต

$600/$1,000 * $5,000 * 4 ชั่วโมง * 1 ชั่วโมง = $15,000 สูญเสียการผลิต

นำมารวมกัน ในตัวอย่างที่ใช้ในบทความนี้ มีการใช้มอเตอร์ไฟฟ้าวิกฤติ 50 แรงม้าที่มีอิมพีแดนซ์ไม่สมดุล 3.5% ต้นทุนทั้งหมดที่อาจเกิดขึ้นที่เกี่ยวข้องกับความไม่สมดุลของอิมพีแดนซ์นี้จะเป็น:

มอเตอร์นี้จะเป็นตัวเลือกสำหรับการซ่อมแซมหรือเปลี่ยนใหม่เพื่อหลีกเลี่ยงค่าใช้จ่ายที่อาจเกิดขึ้น หากมอเตอร์ถูกถอดออกและเปลี่ยนใหม่ในระหว่างการปิดเครื่องครั้งถัดไป:

ต้นทุนการเปลี่ยนมอเตอร์ไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพ 95%: 2,250 ดอลลาร์

ค่าแรงทดแทน: $500

ราคาอุปกรณ์ทดสอบ MCA ดั้งเดิม: 7,995 ดอลลาร์

ค่าแรงทดสอบ (5 นาที 60 เหรียญ/ชั่วโมง): 5 เหรียญ

รวมทั้งหมด: 10,750 ดอลลาร์

คืนทุนง่าย: คืนทุนง่าย 0.68 ปีหรือ 8 เดือน

ไม่รวมค่าอุปกรณ์ทดสอบ : 0.17 ปี หรือ 2 เดือน

ควรทำการตรวจสอบความน่าเชื่อถือของมอเตอร์ใหม่เมื่อมาถึงโรงงานเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีข้อบกพร่องในการผลิต

 

บทสรุป

การวิเคราะห์วงจรมอเตอร์เป็นเครื่องมืออันทรงพลังที่เรียบง่ายและปลอดภัยอย่างแท้จริง (การทดสอบแบบออฟไลน์) ช่วงการทดสอบและการคืนทุนที่เป็นไปได้เกือบจะทันที ตัวอย่างที่ใช้ในบทความนี้แสดงถึงมอเตอร์เพียงตัวเดียวในโรงงาน หากการวิเคราะห์กำหนดมอเตอร์ไฟฟ้าเพิ่มเติมที่ต้องการความสนใจ การซื้อและการใช้งานโปรแกรม MCA ในตอนแรกเมื่อรวมต้นทุนพลังงานและการผลิตจะเกิดขึ้นทันที การใช้โปรแกรมดังกล่าวเป็นโปรแกรมหรือบริการภายในองค์กรนั้นตรงไปตรงมา:

การฝึกอบรม MCA – ระบบส่วนใหญ่ต้องการการฝึกอบรมภายในไม่เกิน 1 ถึง 8 ชั่วโมงสำหรับการทำงานขั้นพื้นฐานพร้อมเส้นโค้งการเรียนรู้การใช้งานที่สมเหตุสมผลสำหรับการวิเคราะห์ขั้นสูง

กำหนดมอเตอร์ที่สำคัญ – มอเตอร์ที่มีความสำคัญต่อการทำงาน

ทำการวิเคราะห์มอเตอร์ที่เลือกและกำหนดผลลัพธ์

ติดตามและแนวโน้มมอเตอร์ที่สำคัญอย่างน้อยทุกไตรมาส ทุกเดือน หากเป็นไปได้

ดำเนินการตามโอกาส

เพิ่มขอบเขตการทดสอบตามความสำเร็จ

ผลลัพธ์ของโปรแกรม MCA เมื่อใช้ร่วมกับระบบการบำรุงรักษาเชิงรุกอื่นๆ จะให้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมในการประหยัดพลังงาน การปรับปรุงความน่าเชื่อถือ และเวลาทำงานในการผลิต

 

บรรณานุกรม

Sarma, Mulukutla S., เครื่องจักรไฟฟ้า: ทฤษฎีสถานะคงที่และประสิทธิภาพแบบไดนามิก, บริษัท สำนักพิมพ์ PWS, 1994

Nasar, SyedA.,ทฤษฎีและปัญหาของเครื่องจักรไฟฟ้าและกลศาสตร์ไฟฟ้า,SchaumsOutlineSeries,1981

Edminster, Joseph, et.al., Electric Circuits Third Edition, Schaums Electronic Tutor, 1997

Hammond, et al., Electromagnetic Engineering, Physical and Computational Processes, Oxford Science Publications, 1994.

Penrose, Howard W., Repair Specifications for Low-Voltage Polyphase Induction Motors Intended for PWM Inverter Applications, Kennedy-Western University, 1995.

Penrose, Howard W., A Novel Approach to Maintenance and Management of Overall Motor Systems to Improve Uptime and Energy Costs in Commercial and Industrial Facilities, Kennedy-Western University, 1997.

Penrose, Howard W., A Novel Approach to Industrial Assessment for Improvement of Energy, Waste Flow, Process and Reliability, Kennedy-Western University, 1999.

Penrose, Howard W. Anatomy of Energy-Efficient Electric Motor Repair. Electrical Insulation Journal, January/February 1997.

Phase-frame analysis of the effects of voltage imbalance on inductors. IEEE Journal of Industrial Applications, Vol. 33, No. 2, Mar/Apr. 1997, p. 415.

Bonnett, Austin A., A Method for Analyzing Rotor and Stator Failure for Three-Phase Squirrel Cage Induction Motors, EASA Conference, 1997.

Varatharasa, Logan, et.al., Performance simulation of a three-phase induction motor during an abnormality, 1998 EIC/EMCW Conference CD-ROM.

U.S. Department of Energy et.al., Keeping the Spark in Your Electrical System, U.S. DOE, October 1995.

About the author

Dr. Howard W. Penrose has over 15 years of experience in the electric motor and motor repair industry. Beginning as an electric motor repair technician in the U.S. Navy, he provided field service and evaluation of all types of small to large rotating equipment. As the chief engineer of a large motor repair shop in the Midwest, Dr. Penrose was directly involved in the winding, training, and troubleshooting of AC, DC, wound rotor, synchronous, machine tool, and specialty equipment. His further studies involved the reliability of electric motors and the industry, testing methods, energy efficiency, and the impact of maintenance on production. Dr. Penrose is a former president of the Chicago division of the IEEE, a former president of the IEEE Chicago Dielectric and Insulating Society, a professional member of the Electric Winding and Coil Manufacturing Society, and a certified motor expert by the U.S. Department of Energy, as well as a vibration analyst, infrared analyst, and motor circuit analyst.