Phân tích mạch động cơ để cải thiện năng lượng, độ tin cậy và chi phí sản xuất

Giới thiệu

Với các bản tin trích dẫn tình trạng mất điện do nhu cầu điện tăng cao, các phương pháp kiểm soát chi phí năng lượng không còn là một lựa chọn xanh nữa mà là một chiến lược sinh tồn. Trong ngành công nghiệp, tiềm năng số một về kiểm soát năng lượng là thông qua các chiến lược năng lượng của hệ thống động cơ điện.

Hệ thống động cơ điện sử dụng 19% tổng năng lượng ở Hoa Kỳ, chiếm 57% tổng năng lượng điện được tạo ra. Hơn 70% năng lượng điện được sử dụng trong sản xuất và 90% trong các ngành công nghiệp chế biến được tiêu thụ bởi các hệ thống động cơ. Cải tiến động cơ điện, ứng dụng biến tần và các chiến lược tiết kiệm năng lượng khác đang nhận được sự quan tâm đáng khích lệ. Tuy nhiên, hai lĩnh vực thường bị bỏ qua để có cơ hội sử dụng năng lượng hiệu quả là bảo trì và độ tin cậy.

Theo EPRI, hiệu suất của thiết bị cơ khí nói chung có thể tăng lên 10-15% nếu bảo trì thích hợp. Điều này bao gồm các chương trình bảo trì phòng ngừa, dự đoán, chủ động và khắc phục. Đặc biệt, được áp dụng nhất quán, Phân tích mạch động cơ (MCA) có thể giúp tránh hỏng hóc động cơ, cho phép chủ động bảo trì hoặc thay thế và cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống động cơ nói chung.

Chỉ riêng chi phí năng lượng không phải lúc nào cũng phù hợp với chương trình bảo trì động cơ. Tuy nhiên, kết hợp với năng suất và chi phí về độ tin cậy liên quan, chương trình MCA có thể tự chứng minh ngay lập tức. Ví dụ, hãy xem xét một động cơ truyền động chính 100 mã lực cho một dây chuyền của nhà máy, chiếm 10% tổng sản lượng và vận hành 6.000 giờ mỗi năm. Chi phí ngừng hoạt động của nhà máy sẽ là 25.000 USD mỗi giờ nếu 100% nhà máy không hoạt động. Sẽ mất 6 giờ để thay thế động cơ trong trường hợp hỏng hóc nghiêm trọng với thời gian khởi động là 2 giờ. Động cơ được tải 75% với chi phí năng lượng là 0,06 USD/kWh và 14 USD/kW và đã phát hiện sự mất cân bằng trở kháng 5%. Tổng chi phí tăng lên, không bao gồm sản phẩm bị lãng phí, sẽ là 24.875 USD mỗi năm. 93,6% là do ngừng sản xuất, 3,1% do tiêu thụ điện năng tăng, 1,2% do tuổi thọ động cơ giảm và 2,1% do chi phí nhu cầu tăng (Hình 1).

Mô tả phân tích mạch động cơ

Khái niệm cơ bản của MCA là cho phép nhà phân tích có cơ hội xem điện trở đơn giản (R), điện trở phức tạp (Z – trở kháng), độ tự cảm (L), góc pha (hệ số công suất), tình trạng cách điện mặt đất (Meg-Ohms) và các thử nghiệm khác để xác định tình trạng của cuộn dây động cơ điện. Những số liệu này thu được tốt nhất cả về độ an toàn và độ chính xác khi thiết bị được ngắt điện.

Về nguyên tắc, mạch động cơ điện là một chuỗi điện trở, cả đơn giản và phức tạp, độ tự cảm và tạo ra các góc pha cách nhau 120 độ trong hệ thống ba pha (Hình 2). Khi cuộn dây ba pha không hoàn hảo, do lỗi ban đầu hoặc sự cố sắp xảy ra, theo các định luật vật lý, chúng sẽ trở nên mất cân bằng. Trong động cơ điện đã lắp ráp, các lỗ rỗng đúc hoặc các thanh bị gãy trong rôto, khe hở không khí kém hoặc trục cong sẽ gây ra sự biến đổi do cảm ứng lẫn nhau giữa stato và rôto.

Khả năng của thiết bị MCA đọc được độ tự cảm tương hỗ giữa stato và rôto cũng cho phép người phân tích phát hiện các khuyết tật trong rôto hoặc khe hở không khí một cách hiệu quả, nhanh chóng và an toàn. Hầu hết các thiết bị MCA có thể hoạt động trên các động cơ từ phân số đến hơn 10.000 mã lực, 12 volt đến trên 13,8kV, mang lại cho chúng phạm vi hoạt động rộng, nhưng không nên nhầm lẫn với máy đo RCL, thường cung cấp các chỉ số về điện trở, điện dung và cảm ứng. với phép thử chỉ số megger hoặc phân cực được thêm vào. Ngoài ra, bạn có thể mua các thiết bị MCA chất lượng cao với giá dưới 10.000 USD, bao gồm các gói phần mềm, khiến chúng trở thành một công cụ bảo trì chủ động có giá rất phải chăng.

Sự khác biệt quan trọng giữa máy đo RCL và máy đo MCA là số đo trở kháng. Vì dòng điện bằng điện áp trên trở kháng nên trong ứng dụng dòng điện xoay chiều, sự mất cân bằng điện áp và dòng điện tỷ lệ nghịch. Điều này mang lại sự khác biệt quan trọng vì rất nhiều công việc đã được hoàn thành về tác động kinh tế của mất cân bằng điện áp. Chỉ bằng cách sử dụng điện trở đơn giản, tổn thất I2R có thể được xác định trên một điểm, nhưng độ tin cậy của hệ thống không thể được xác định, điều này cũng không thể thực hiện được chỉ bằng điện cảm, vốn có thể thay đổi tùy thuộc vào thiết kế cuộn dây và vị trí rôto đến cuộn dây. Thật không may, các hệ thống sử dụng điện cảm làm cơ sở thường sẽ hỏng động cơ điện và cuộn dây tốt. Để có được tình trạng thực sự của cuộn dây động cơ, người ta phải xem tất cả các thành phần mạch động cơ, bao gồm điện trở, trở kháng, độ tự cảm, góc pha và điện trở cách điện. Ít nhất một nhà sản xuất thiết bị MCA bổ sung thêm một thử nghiệm đặc biệt giúp tăng gấp đôi tần số áp dụng và xem tỷ số kết quả giữa các cuộn dây. Điều này cho phép phát hiện sớm các lỗi lần lượt và cuộn dây mà nếu không sẽ không bị phát hiện.

Tác động năng lượng của MCA

Mục đích của động cơ điện là chuyển đổi năng lượng điện thành mômen cơ học. Nó hoạt động tốt nhất khi cả ba pha cách nhau 120 độ và các tổn thất ma sát, rôto và stato khác được kiểm soát. Khi các pha lệch nhau 120 độ, hiệu suất của động cơ sẽ giảm do từ trường làm quay rôto trở nên khó khăn hơn. Khi ở đủ xa, chúng bắt đầu can thiệp lẫn nhau. Hiệu ứng này có thể được tìm thấy trong cả sự mất cân bằng điện áp và trở kháng, bao gồm các tác động đến hiệu suất, độ tin cậy và sản xuất. Đối với mất cân bằng điện áp, mất cân bằng 1-2% có thể chấp nhận được, nhưng mất cân bằng không được vượt quá 5% vì mức tăng nhiệt độ sẽ vượt quá 50% tại thời điểm đó. Khi mất cân bằng trở kháng vượt quá 2%, động cơ sẽ bị giảm định mức như trong Hình 4.

Một tác động quan trọng của sự mất cân bằng trở kháng là hiệu quả sử dụng năng lượng và các tác động liên quan đến chi phí. Việc tính toán năng lượng đơn giản cho hiệu suất của động cơ điện như sau:

Phương trình 1:

kW Tổn thấtKW = mã lực * .746 * tải * [(100/E1) – (100/E2)]

Trong đó: hp là mã lực, E1 là hiệu suất mới, E2 là hiệu suất ban đầu

Phương trình 2:

Chi phí nhu cầu $kW/năm = $/kW * kW * 12 tháng/năm

Phương trình 3:

Chi phí sử dụng năng lượng $kWh/năm = $/kWh * giờ / năm * kW

Tác động hiệu quả của sự mất cân bằng trở kháng có thể được tìm thấy trong Hình 3. Một động cơ điện tiết kiệm năng lượng 50 mã lực, tốc độ 1800 vòng/phút, hiệu suất 95%, tải 85%, hoạt động trong 6000 giờ mỗi năm, với sự mất cân bằng trở kháng 3,5% sẽ mang lại hiệu suất là 91%. Với chi phí năng lượng trung bình là 0,06 USD/kWh và chi phí nhu cầu trung bình là 14 USD/kW, chi phí năng lượng sẽ như sau:

Ví dụ 1: Động cơ 50 mã lực có trở kháng mất cân bằng 3,5%

50 mã lực * 0,746 * 0,85 * [(100/91) – (100/95)] = 1,47 kW

14 USD/kW * 1,47 kW / tháng * 12 tháng / năm = 246,96 USD / năm

0,06 USD / kWh * 6000 giờ / năm * 1,47 kW = 529,20 USD / năm

Tổng chi phí năng lượng hàng năm = 776,16 USD / năm

Sự gia tăng chi phí năng lượng hàng năm để vận hành động cơ này là đáng kể. Hiệu ứng mất cân bằng trở kháng trong nhà máy càng trở nên nghiêm trọng hơn khi có thêm động cơ điện. Cùng với việc giảm hiệu suất, độ tin cậy và sản xuất của hệ thống động cơ điện cũng bị ảnh hưởng.

Tác động về độ tin cậy của MCA

Tác động đến độ tin cậy của MCA Là kết quả trực tiếp của sự mất cân bằng trở kháng, nhiệt độ vận hành của động cơ điện sẽ tăng lên, cũng như các ứng suất cơ điện trong cuộn dây và rôto của động cơ. Sự gia tăng tổn thất có thể được tìm thấy trong Hình 5, với tác động đến nhiệt độ vận hành được tìm thấy trong Hình 6 và mức giảm độ tin cậy của động cơ trong Hình 7. Điều quan trọng là phải hiểu rằng việc xác định sự mất cân bằng pha hoặc sự cố cuộn dây có thể xảy ra sẽ không cho phép bạn dự đoán lỗi động cơ điện. Việc kiểm tra có thể được theo dõi và định hướng để xác định điểm mà độ tin cậy hoặc độ tin cậy rằng động cơ sẽ hoạt động như thiết kế sẽ giảm xuống mức mà chủ sở hữu sẽ xác định rằng động cơ nên được sửa chữa hoặc thay thế. Điểm này phải có dung sai tương đối đối với động cơ không quan trọng và có dung sai thấp đối với thiết bị quan trọng.

Cùng một động cơ 50 mã lực có trở kháng mất cân bằng 3,5% sẽ có những tổn thất về độ tin cậy sau:

Tổn thất tăng 20%.

Nhiệt độ tăng 25%. Đối với động cơ có nhiệt độ môi trường xung quanh được đánh giá là 40oC, cách điện loại F, hoạt động trong môi trường 22oC, mức tăng nhiệt độ bình thường ở mức tải 85% sẽ là 80oC. Mức tăng 25% sẽ làm cho nhiệt độ mới tăng lên 100C, tức là nhiệt độ tăng thêm 20oC.

Nhiệt độ tăng thêm 20 sẽ làm giảm tuổi thọ tiềm năng của động cơ điện xuống 25% so với tiềm năng ban đầu (tuổi thọ của lớp cách nhiệt giảm một nửa khi nhiệt độ tăng thêm 10oC). Điều này không bao gồm bất kỳ tác động tiềm tàng nào khác lên hệ thống cách nhiệt hoặc hệ thống cách điện quay.

Tác động sản xuất của thử nghiệm MCA

Tác động trực tiếp đến sản xuất của việc tăng chi phí năng lượng kết hợp và giảm độ tin cậy sẽ phụ thuộc vào mức độ quan trọng của động cơ đối với hoạt động. Ví dụ, bộ truyền động chính của dây chuyền sản xuất sẽ rất quan trọng, trong khi bộ phận xử lý không khí có thể có tác động tối thiểu đến sản xuất. Với sự gia tăng xác suất thất bại, chi phí sản xuất ước tính có thể được thiết lập. Ước tính chi phí sản xuất này có thể được xác định trên mỗi 1.000 USD mỗi giờ so với Hình 9 bằng cách tính đến mức độ ảnh hưởng của sản xuất cũng như thời gian ngừng hoạt động và thời gian khởi động tiềm ẩn nếu động cơ bị hỏng đột ngột.

Động cơ điện 50 mã lực có trở kháng mất cân bằng 3,5% sẽ có 60% khả năng hỏng hóc và có khả năng tổn thất sản xuất là 600 USD / 1000 USD. Do đó, nếu 50 mã lực là động cơ điện quan trọng có tác động 100% đến dây chuyền trị giá 5.000 USD/giờ, với thời gian ngừng hoạt động là 4 giờ và thời gian khởi động là 1 giờ, thì chi phí tác động sẽ là khoản lỗ tiềm tàng là 15.000 USD:

Phương trình 4: Tổn thất sản xuất

600 USD/1000 USD * 5000 USD * 4 giờ * 1 giờ = 15.000 USD sản lượng bị mất

Kết hợp tất cả lại với nhau Trong ví dụ được sử dụng trong bài viết, một động cơ điện tới hạn 50 mã lực có trở kháng mất cân bằng 3,5% đã được sử dụng. Tổng chi phí tiềm ẩn liên quan đến sự mất cân bằng trở kháng này sẽ là:

Động cơ này có thể được sửa chữa hoặc thay thế để tránh các chi phí tiềm ẩn. Nếu động cơ được tháo ra và thay thế trong lần tắt máy tiếp theo:

Chi phí thay thế một động cơ điện hiệu suất 95%: 2.250 USD

Nhân công thay thế: $500

Giá thiết bị kiểm tra MCA gốc: 7.995 USD

Lao động thử nghiệm (5 phút với giá $60/giờ): $5

Tổng cộng: $10,750

Hoàn vốn đơn giản: 0,68 năm hoặc 8 tháng hoàn vốn đơn giản

Chưa bao gồm chi phí thiết bị kiểm tra: 0,17 năm hoặc 2 tháng

Việc kiểm tra độ tin cậy của động cơ mới phải được thực hiện khi nó đến nhà máy để đảm bảo rằng không có lỗi sản xuất.

Phần kết luận

Phân tích mạch động cơ là một công cụ mạnh mẽ, đơn giản và an toàn về bản chất (kiểm tra ngoại tuyến). Phạm vi thử nghiệm và khả năng hoàn vốn gần như ngay lập tức. Ví dụ được sử dụng trong bài viết này chỉ đại diện cho một động cơ trong nhà máy. Nếu phân tích xác định các động cơ điện bổ sung cần được chú ý thì việc mua ban đầu và triển khai chương trình MCA khi kết hợp chi phí năng lượng và sản xuất sẽ được thực hiện ngay lập tức. Việc triển khai một chương trình như một chương trình hoặc dịch vụ nội bộ rất đơn giản:

Đào tạo MCA – hầu hết các hệ thống yêu cầu không quá 1 đến 8 giờ đào tạo nội bộ để vận hành cơ bản với đường cong học tập sử dụng hợp lý để phân tích nâng cao

Xác định động cơ quan trọng – động cơ quan trọng để vận hành

Thực hiện phân tích trên các động cơ đã chọn và xác định kết quả

Theo dõi và xu hướng các động cơ quan trọng ít nhất hàng quý, hàng tháng nếu có thể

Triển khai cơ hội

Tăng phạm vi thử nghiệm dựa trên thành công

Kết quả của chương trình MCA, kết hợp với các hệ thống bảo trì chủ động khác, sẽ mang lại kết quả tuyệt vời về tiết kiệm năng lượng, cải thiện độ tin cậy và thời gian hoạt động sản xuất.

Thư mục

Sarma, Mulukutla S., Máy điện: Lý thuyết trạng thái ổn định và hiệu suất động, Công ty xuất bản PWS, 1994.

Nasar, SyedA., Lý thuyết và các vấn đề về Máy điện và Cơ điện tử, SchaumsOutlineSeries, 1981.

Edminster, Joseph, et.al., Mạch điện tái bản lần thứ ba, Gia sư điện tử Schaums, 1997.

Hammond, et.al., Điện từ kỹ thuật, Quy trình vật lý và tính toán, Nhà xuất bản Khoa học Oxford, 1994.

Penrose, Howard W., Thông số kỹ thuật sửa chữa cho động cơ cảm ứng nhiều pha điện áp thấp dành cho ứng dụng biến tần PLC, Đại học Kennedy-Western, 1995.

Penrose, Howard W., Phương pháp tiếp cận mới đối với quản lý và bảo trì toàn bộ hệ thống động cơ nhằm cải thiện thời gian hoạt động và chi phí năng lượng trong các cơ sở thương mại và công nghiệp, Đại học Kennedy-Western, 1997.

Penrose, Howard W., Cách tiếp cận mới đối với các đánh giá công nghiệp để cải thiện năng lượng, dòng chất thải, quy trình và độ tin cậy, Đại học Kennedy-Western, 1999.

Penrose, Howard W., Giải phẫu sửa chữa động cơ điện hiệu quả năng lượng, Tạp chí cách điện, tháng 1/tháng 2 năm 1997.

Phân tích khung pha về ảnh hưởng của mất cân bằng điện áp trên máy cảm ứng, Giao dịch IEEE trên các ứng dụng công nghiệp, Tập. 33, Số 2, tháng 3/tháng 4 năm 1997, tr. 415.

Bonnett, Austin A., Cách phân tích lỗi rôto và stato cho động cơ cảm ứng lồng sóc ba pha, Hội nghị EASA, 1997.

Varatharasa, Logan, et.al., Mô phỏng hiệu suất của động cơ cảm ứng ba pha khi có sự cố, CD Rom Hội nghị EIC/EMCW 1998.

Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và các cộng sự, Giữ tia lửa trong hệ thống điện của bạn, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, tháng 10 năm 1995.

Giới thiệu về tác giả

Tiến sĩ Howard W. Penrose, Ph.D. có hơn 15 năm trong ngành sửa chữa động cơ điện và động cơ điện. Bắt đầu với tư cách là một thợ sửa chữa động cơ điện trong Hải quân Hoa Kỳ để phục vụ tại hiện trường và đánh giá các loại thiết bị quay từ nhỏ đến lớn, với tư cách là Kỹ sư trưởng của một cửa hàng sửa chữa động cơ lớn ở Trung Tây. Tiến sĩ Penrose đã trực tiếp tham gia vào việc quấn lại, đào tạo và khắc phục sự cố AC, DC, rôto quấn dây, đồng bộ, máy công cụ và thiết bị chuyên dụng. Của anh ấy. các nghiên cứu sâu hơn liên quan đến động cơ điện và độ tin cậy công nghiệp, phương pháp thử nghiệm, hiệu suất năng lượng và tác động của việc bảo trì đối với sản xuất. Tiến sĩ Penrose từng là Chủ tịch Phân khu Chicago của IEEE, cựu Chủ tịch Hiệp hội Điện môi và Cách điện của IEEE Chicago, Thành viên Chuyên môn của Hiệp hội Cuộn dây và Cuộn dây Sản xuất Điện, Chuyên gia Thạc sĩ Động cơ được Bộ Năng lượng Hoa Kỳ chứng nhận, một Nhà phân tích rung động, nhà phân tích hồng ngoại và nhà phân tích mạch động cơ.