Enerji, Güvenilirlik ve Üretim Maliyeti İyileştirmeleri için Motor Devre Analizi

Giriş

Artan elektrik talebi nedeniyle elektrik kesintilerinden bahseden haberlerle birlikte, enerji maliyetlerini kontrol etme yöntemleri artık yeşil bir seçenek değil, daha çok bir hayatta kalma stratejisi haline geldi. Endüstride, enerji kontrolü için bir numaralı potansiyel elektrik motor sistemi enerji stratejileridir.

Elektrikli motor sistemleri Amerika Birleşik Devletleri’ndeki tüm enerjinin %19’unu kullanmaktadır ve bu da üretilen tüm elektrik enerjisinin %57’sini oluşturmaktadır. Üretimde kullanılan elektrik enerjisinin %70’inden fazlası ve proses endüstrilerinde %90’ı motor sistemleri tarafından tüketilmektedir. Elektrik motoru iyileştirmeleri, değişken frekanslı sürücü uygulaması ve diğer enerji verimliliği stratejileri teşvik edici bir ilgi görmektedir. Ancak, enerji verimliliği fırsatları için genellikle göz ardı edilen iki alan bakım ve güvenilirliktir.

EPRI’ye göre, mekanik ekipmanların verimliliği genel olarak uygun bakımla %10-15 oranında artırılabilir. Buna önleyici, kestirimci, proaktif ve düzeltici bakım programları dahildir. Özellikle, tutarlı bir şekilde uygulanan Motor Devre Analizi (MCA), motor arızalarının önlenmesine yardımcı olabilir, proaktif bakım veya değişimi mümkün kılabilir ve genel olarak motor sistemlerinin enerji verimliliğini artırabilir.

Enerji maliyetleri tek başına her zaman bir motor bakım programını haklı çıkarmaz. Ancak verimlilik ve ilgili güvenilirlik maliyetleri ile birlikte düşünüldüğünde, bir MCA programı kendini hemen haklı çıkarabilir. Örneğin, bir tesisin bir hattı için toplam üretimin %10’unu temsil eden ve yılda 6.000 saat çalışan 100 beygir gücünde bir ana tahrik motoru düşünün. Tesisin %100’ünün devre dışı kalması durumunda tesisin duruş süresi maliyeti saat başına 25.000 $ olacaktır. Katastrofik bir arıza sırasında motoru değiştirmek 2 saatlik bir başlatma süresi ile 6 saat sürecektir. Motor 0,06$/kWh ve 14$/kW enerji maliyetleri ile %75 yüklüdür ve %5 empedans dengesizliği tespit edilmiştir. İsraf edilen ürün hariç olmak üzere toplam maliyet artışı yıllık 24.875 $ olacaktır. 93,6’sı üretim kaybından, %3,1’i artan güç tüketiminden, %1,2’si azalan motor ömründen ve %2,1’i artan talep maliyetlerinden kaynaklanacaktır (Şekil 1).

Motor Devre Analizi Açıklaması

MCA’nın temel konsepti, elektrik motoru sargılarının durumunu belirlemek için analiste basit direnç (R), karmaşık direnç (Z – empedans), endüktans (L), faz açısı (güç faktörü), toprak yalıtım durumu (Meg-Ohms) ve diğer testleri görüntüleme fırsatı vermektir. Bu okumalar hem güvenlik hem de doğruluk açısından en iyi şekilde ekipmanın enerjisi kesilmiş haldeyken elde edilir.

Prensip olarak, bir elektrik motoru devresi hem basit hem de karmaşık direnç, endüktans ve üç fazlı bir sistemde her biri 120 derece olan faz açılarından oluşan bir seridir (Şekil 2). Üç fazlı sargı, orijinal kusurlar veya yaklaşan arıza nedeniyle kusurlu olduğunda, fizik yasalarına dayanarak bunlar dengesiz hale gelir. Montajı yapılmış bir elektrik motorunda, rotorda döküm boşlukları veya kırık çubuklar, zayıf hava boşluğu veya eğilmiş bir şaft, stator ve rotor arasındaki karşılıklı indüksiyon nedeniyle değişikliklere neden olacaktır.

MCA ekipmanının stator ve rotor arasındaki karşılıklı endüktansı okuma yeteneği, analistin rotor veya hava aralığındaki kusurları etkili, hızlı ve güvenli bir şekilde tespit etmesine de olanak tanır. Çoğu MCA ekipmanı, küsurattan 10.000 beygir gücüne, 12 volttan 13,8 kV’a kadar motorlarda çalışabilir, bu da onlara geniş bir çalışma aralığı sağlar, ancak genellikle bir megger veya polarizasyon indeksi testi eklenerek sadece direnç, kapasitans ve indüksiyon okumaları sağlayan RCL ölçüm cihazlarıyla karıştırılmamalıdır. Ayrıca, yüksek kaliteli MCA üniteleri yazılım paketleri de dahil olmak üzere 10.000 doların altında bir fiyata satın alınabilir ve bu da onları çok uygun fiyatlı bir proaktif bakım aracı haline getirir.

RCL ölçüm cihazları ile MCA ölçüm cihazları arasındaki önemli bir fark empedans okumasıdır. Akım, empedans üzerindeki gerilime eşit olduğundan, bir alternatif akım uygulamasında, gerilim ve akım dengesizlikleri ters orantılıdır. Gerilim dengesizliğinin ekonomik etkileri üzerine çok sayıda çalışma tamamlandığından, bu önemli bir ayrım sağlamaktadır. Yalnızca basit direnç kullanılarak, I2R kaybı bir nokta boyunca belirlenebilir, ancak sistem güvenilirliği belirlenemez veya bu, sargı tasarımına ve rotor ile sargı konumuna bağlı olarak değişken olan yalnızca endüktans ile yapılamaz. Ne yazık ki, endüktansı temel olarak kullanan sistemler genellikle iyi elektrik motorları ve sargılarında başarısız olur. Bir motor sargısının gerçek durumunu elde etmek için, direnç, empedans, endüktans, faz açısı ve yalıtım direnci dahil olmak üzere tüm motor devresi bileşenleri görüntülenmelidir. En az bir MCA ekipmanı üreticisi, uygulanan frekansı iki katına çıkaran ve sargılar arasında ortaya çıkan oranı görüntüleyen özel bir test ekler. Bu, aksi takdirde tespit edilemeyecek olan dönüşten dönüşe ve bobinden bobine arızaların erken tespit edilmesini sağlar.

MCA’nın Enerji Etkisi

Bir elektrik motorunun amacı elektrik enerjisini mekanik torka dönüştürmektir. Her üç faz da birbirinden 120 derece olduğunda ve diğer stator, rotor ve sürtünme kayıpları kontrol edildiğinde en iyi şekilde çalışır. Fazlar birbirinden 120 derece farklılaştıkça, manyetik alanların rotoru döndürmesi zorlaştığı için motorun verimliliği azalır. Yeterince uzaklaştıklarında birbirlerini etkilemeye başlarlar. Bu etki, verimlilik, güvenilirlik ve üretim üzerindeki etkiler de dahil olmak üzere hem gerilim hem de empedans dengesizliklerinde bulunabilir. Gerilim dengesizliğinde olduğu gibi, %1-2 dengesizlik kabul edilebilir, ancak sıcaklık artışı bu noktada %50’yi aşacağından dengesizlikler %5’i geçmemelidir. Empedans dengesizliği %2’yi aştığında, motor Şekil 4’te gösterildiği gibi azaltılmalıdır.

Empedans dengesizliğinin önemli bir etkisi de enerji verimliliği ve buna bağlı maliyet etkileridir. Elektrik motoru verimliliği için basit enerji hesaplamaları aşağıdaki gibidir:

Denklem 1:

kW KayıplarKW = hp * .746 * yük * [(100/E1) – (100/E2)]

Burada: hp beygir gücü, E1 yeni verimlilik ve E2 orijinal verimliliktir

Denklem 2:

Talep Maliyetleri $kW/yıl = $/kW * kW * 12 ay/yıl

Denklem 3:

Enerji Kullanım Maliyetleri $kWh/yıl = $/kWh * saat/yıl * kW

Empedans dengesizliğinin verimlilik üzerindeki etkileri Şekil 3’te bulunabilir. 50 beygir gücünde, 1800 RPM, %95 verimli, %85 yüklü, yılda 6000 saat çalışan, %3,5 empedans dengesizliğine sahip enerji verimli bir elektrik motorunun sonuç verimliliği %91 olacaktır. Ortalama enerji maliyeti 0,06 $/kWh ve ortalama talep maliyeti 14 $/kW olduğunda, ortaya çıkan enerji maliyetleri aşağıdaki gibi olacaktır:

Örnek 1: %3,5 Empedans Dengesizliği Olan 50 Beygir Gücünde Motor

50 hp * .746 * .85 * [(100/91) – (100/95)] = 1,47 kW

14 $/kW * 1,47 kW / ay * 12 ay / yıl = 246,96 $ / yıl

0,06 $ / kWh * 6000 saat / yıl * 1,47 kW = 529,20 $ / yıl

Toplam Yıllık Enerji Maliyetleri = 776,16 $ / yıl

Bu motorun çalıştırılması için enerji maliyetlerindeki yıllık artış önemlidir. Bir tesis içindeki empedans dengesizliği etkileri, ilave elektrik motorları bulundukça daha da önemli hale gelir. Verimlilikteki düşüşle birlikte elektrik motor sistemi güvenilirliği ve üretimi de etkilenmektedir.

MCA’nın Güvenilirlik Etkisi

MCA’nın Güvenilirlik Etkisi Empedans dengesizliğinin doğrudan bir sonucu olarak, elektrik motorunun çalışma sıcaklığı ve motor sargısı ve rotor içindeki elektro-mekanik gerilimler artacaktır. Kayıplardaki artış Şekil 5’te, çalışma sıcaklığı üzerindeki etki Şekil 6’da ve motor güvenilirliğindeki azalma Şekil 7’de bulunabilir. Bir faz dengesizliğini veya potansiyel sargı arızasını belirlemenin bir elektrik motoru arızasını tahmin etmenize izin vermeyeceğini anlamak önemlidir. Güvenilirliğin veya motorun tasarlandığı gibi çalışacağına dair güvenin, motor sahibinin motorun onarılması veya değiştirilmesi gerektiğine karar vereceği bir noktaya kadar azalacağı noktayı belirlemek için testler izlenebilir ve trendler belirlenebilir. Bu nokta kritik olmayan motorlar için oldukça toleranslı olmalı ve kritik ekipman için düşük toleransa sahip olmalıdır.

3,5 empedans dengesizliği olan aynı 50 beygir gücündeki motor aşağıdaki güvenilirlik kayıplarına sahip olacaktır:

Kayıplarda %20’lik artış.

Sıcaklık artışında %25’lik bir artış. 22oC’lik bir ortamda çalışan 40oC ortam, F Sınıfı yalıtımlı bir motor için %85 yükte normal sıcaklık artışı 80oC olacaktır. 25’lik artış, 100C’lik yeni sıcaklık artışını 20oC’lik bir sıcaklık artışı haline getirecektir.

20 sıcaklık artışı, elektrik motorunun potansiyel ömrünü orijinal potansiyelinin %25’ine düşürecektir (sıcaklıktaki her 10oC artış için yalıtım ömrü yarı yarıya azalır). Bu, yalıtım sistemi veya dönüş yalıtım sistemi üzerindeki diğer potansiyel etkileri içermez.

MCA Testinin Üretim Üzerindeki Etkisi

Enerji maliyetlerindeki birleşik artışın ve azalan güvenilirliğin üretim üzerindeki doğrudan etkisi, motorun operasyonlar için ne kadar kritik olduğuna bağlı olacaktır. Örneğin, bir üretim hattının ana tahriki çok kritik bir öneme sahipken, bir hava işleme ünitesinin üretim üzerinde minimum etkisi olabilir. Arıza olasılığının artmasıyla birlikte, üretim için tahmini bir maliyet oluşturulabilir. Bu üretim maliyeti tahmini, motorun beklenmedik bir şekilde arızalanması durumunda üretimin ne kadarının etkileneceği ve potansiyel duruş ve başlatma süreleri hesaba katılarak Şekil 9’a göre saatte 1.000 $ başına belirlenebilir.

3,5 empedans dengesizliğine sahip 50 beygir gücündeki elektrik motorunun arıza ihtimali %60 ve potansiyel üretim kaybı 600/1000 $ olacaktır. Bu nedenle, 50 beygir gücünün saatte 5000 dolarlık bir hat üzerinde %100 etkisi olan kritik bir elektrik motoru olması durumunda, 4 saatlik bir arıza süresi ve 1 saatlik başlatma süresi ile etki maliyeti 15.000 dolarlık potansiyel bir kayıp olacaktır:

Denklem 4: Üretim Kayıpları

600 $ / 1000 $ * 5000 $ * 4 saat * 1 saat = 15.000 $ üretim kaybı

Hepsini Bir Araya Getirmek Makale boyunca kullanılan örnekte, %3,5 empedans dengesizliğine sahip kritik 50 beygir gücünde bir elektrik motoru kullanılmıştır. Bu empedans dengesizliği ile ilişkili toplam potansiyel maliyetler şu şekilde olacaktır:

Bu motor, olası maliyetlerden kaçınmak için onarım veya değiştirme için aday olacaktır. Bir sonraki kapatma sırasında motor çıkarılır ve değiştirilirse:

95 verimli bir elektrik motorunun değiştirilmesinin maliyeti: 2.250 $

Değiştirme işçiliği: $500

Orijinal MCA test ekipmanı maliyeti: $7,995

Test işçiliği (60 $/saatten 5 dakika): $5

Toplam: $10,750

Basit geri ödeme: 0,68 yıl veya 8 aylık basit geri ödeme

Test ekipmanı maliyeti dahil değil: 0,17 yıl veya 2 ay

Üretim hatası olmadığından emin olmak için yeni motor tesise ulaştığında bir güvenilirlik kontrolü yapılmalıdır.

Sonuç

Motor Devre Analizi, basit ve kendinden güvenli (çevrimdışı test) güçlü bir araçtır. Test aralığı ve potansiyel geri ödeme neredeyse anında gerçekleşir. Bu makalede kullanılan örnek, bir tesisteki yalnızca bir motoru temsil etmektedir. Analiz sonucunda dikkat edilmesi gereken ilave elektrik motorları tespit edilirse, enerji ve üretim maliyetleri bir araya getirildiğinde MCA programının ilk satın alınması ve uygulanması hemen gerçekleşecektir. Böyle bir programı kurum içi bir program veya hizmet olarak uygulamak son derece kolaydır:

MCA Eğitimi – çoğu sistem, gelişmiş analiz için makul bir kullanım öğrenme eğrisi ile temel kullanım için 1 ila 8 saatten fazla kurum içi eğitim gerektirmez

Kritik motorları belirleyin – operasyon için kritik olan motorlar

Seçilen motorlar üzerinde analiz gerçekleştirin ve sonuçları belirleyin

Kritik motorları en az üç ayda bir, mümkünse aylık olarak izleyin ve trend oluşturun

Fırsatları uygulayın

Başarıya bağlı olarak test kapsamının artırılması

MCA programının sonuçları, diğer proaktif bakım sistemleriyle birlikte enerji tasarrufu, güvenilirlik iyileştirmeleri ve üretim çalışma süresi açısından mükemmel sonuçlar verecektir.

Kaynakça

Sarma, Mulukutla S., Elektrik Makineleri: Steady-State Theory and Dynamic Performance, PWS Publishing Company, 1994.

Nasar, SyedA.,TheoryandProblemsofElectricMachinesandElectromechanics,SchaumsOutlineSeries,1981.

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

Hammond, et.al., Engineering Electromagnetism, Physical Processes and Computation, Oxford Science Publications, 1994.

Penrose, Howard W., PWM İnvertör Uygulaması Amaçlı Alçak Gerilim Polifaz İndüksiyon Motorları için Onarım Şartnamesi, Kennedy-Western Üniversitesi, 1995.

Penrose, Howard W., A Novel Approach to Total Motor System Maintenance and Management for Improved Uptime and Energy Costs in Commercial and Industrial Facilities, Kennedy-Western University, 1997.

Penrose, Howard W., A Novel Approach to Industrial Assessments for Improved Energy, Waste Stream, Process and Reliability, Kennedy-Western University, 1999.

Penrose, Howard W., Enerji Verimli Bir Elektrik Motoru Onarımının Anatomisi, Elektrik Yalıtım Dergisi, Ocak/Şubat 1997.

Gerilim Dengesizliğinin İndüksiyon Makineleri Üzerindeki Etkilerinin Faz Çerçevesi Analizi, IEEE Transactions on Industrial Applications, Vol. 33, No. 2, Mart/Nisan 1997, s. 415.

Bonnett, Austin A., Üç Fazlı Sincap Kafesli İndüksiyon Motorları için Rotor ve Stator Arızaları Nasıl Analiz Edilir, EASA Konferansı, 1997.

Varatharasa, Logan, et.al., Arızalar Sırasında Üç Fazlı Asenkron Motor Performansının Simülasyonu, EIC/EMCW Konferansı 1998 CD Rom.

ABD Enerji Bakanlığı, ve diğerleri, Elektrik Sisteminizdeki Kıvılcımı Korumak, ABD DOE, Ekim, 1995.

Yazar Hakkında

Dr. Howard W. Penrose, Ph.D. elektrik motoru ve elektrik motoru onarım endüstrisinde 15 yılı aşkın bir süredir çalışmaktadır. ABD Donanması’nda elektrik motoru tamir kalfası olarak başlayarak, büyük bir Ortabatı motor tamir atölyesinin Baş Mühendisi olarak her türden küçükten büyüğe dönen ekipmanın saha servisine ve değerlendirmesine kadar. Dr. Penrose, AC, DC, sargılı rotor, senkron, makine aleti ve özel ekipmanların geri sarılması, eğitimi ve sorun giderme işlemlerinde doğrudan yer almıştır. Onun. Diğer çalışmalar elektrik motoru ve endüstriyel güvenilirlik, test yöntemleri, enerji verimliliği ve bakımın üretim üzerindeki etkisini içermektedir. Dr. Penrose, IEEE Chicago Bölümü eski Başkanı, IEEE Chicago Dielektrik ve Elektrik İzolasyon Topluluğu eski Başkanı, Elektrik Üretim Bobini ve Sarma Derneği Profesyonel Üyesi, ABD Enerji Bakanlığı Sertifikalı Motor Master Uzmanı, Titreşim Analisti, Kızılötesi Analisti ve Motor Devre Analistidir.