电机电路分析可提高能效、可靠性和生产成本

简介

新闻报道称，由于电力需求增加而导致停电，控制能源成本的方法不再是一种绿色选择，而更像是一种生存策略。 在工业领域，通过电机系统能源战略进行能源控制的潜力最大。

在美国，电机系统使用的能源占全部能源的 19%，占全部发电量的 57%。 制造业 70% 以上的电能，以及加工业 90% 的电能，都是由电机系统消耗的。 电机改造、变频驱动应用和其他能效战略一直受到令人鼓舞的关注。 然而，在提高能效方面，有两个领域往往被忽视，即维护和可靠性。

据 EPRI 称，通过适当的维护，机械设备的效率一般可提高 10-15%。 这包括预防性、预测性、主动性和纠正性维护计划。 特别是，持续应用电机电路分析 (MCA) 可以帮助避免电机故障，实现主动维护或更换，并从总体上提高电机系统的能效。

仅凭能源成本并不总能证明电机维护计划的合理性。 然而，结合生产率和相关的可靠性成本，MCA 计划可以立即证明自己的合理性。 例如，某工厂一条生产线的主驱动电机功率为 100 马力，占总产量的 10%，每年运行 6000 小时。 如果工厂 100%停机，则每小时的停机成本为 25,000 美元。 在发生灾难性故障时，更换电机需要 6 小时，而启动时间为 2 小时。 电机负载为 75%，能耗成本为 0.06 美元/千瓦时和 14 美元/千瓦，检测到 5%的阻抗不平衡。 不包括浪费的产品在内，每年增加的总费用为 24 875 美元。 93.6% 是由于生产损失，3.1% 是由于耗电量增加，1.2% 是由于电机寿命缩短，2.1% 是由于需求成本增加（图 1）。

电机电路分析描述

MCA 的基本概念是让分析人员有机会查看简单电阻 (R)、复合电阻 (Z – 阻抗)、电感 (L)、相位角 (功率因数)、接地绝缘状况 (Meg-Ohms) 和其他测试，以确定电机绕组的状况。 为了安全和准确起见，这些读数最好在设备断电的情况下获得。

从原理上讲，电机电路是一系列电阻（包括简单电阻和复杂电阻）、电感和由此产生的相位角，在三相系统中，每个相位角相差 120 度（图 2）。 当三相绕组因原始缺陷或即将发生的故障而不完美时，根据物理定律，这些绕组就会变得不平衡。 在组装好的电动机中，转子中的铸件空隙或断裂的棒材、不良的气隙或弯曲的轴都会因定子和转子之间的相互感应而产生变化。

MCA 设备能够读取定子和转子之间的互感，这也使分析人员能够有效、快速、安全地检测转子或气隙内的缺陷。 大多数 MCA 设备可在从零马力到超过 10,000 马力、从 12 伏到超过 13.8 千伏的电机上运行，因此其运行范围很广，但不应与 RCL 表混淆，后者仅提供电阻、电容和感应读数，通常还增加了兆欧表或极化指数测试。 此外，购买高质量的 MCA 设备（包括软件包）的价格远低于 10,000 美元，因此是非常经济实惠的主动维护工具。

RCL 功率计和 MCA 功率计的一个重要区别是阻抗读数。 由于电流等于阻抗上的电压，因此在交流电应用中，电压和电流不平衡成反比。 这是一个重要的区别，因为在电压不平衡的经济影响方面已经完成了大量工作。 仅使用简单的电阻就能确定某一点的 I2R 损耗，但却无法确定系统可靠性；仅使用电感也无法确定系统可靠性，因为电感随绕组设计和转子到绕组的位置而变化。 不幸的是，以电感为基础的系统往往会使好的电动机和绕组失效。 为了获得电机绕组的真实情况，必须查看所有电机电路元件，包括电阻、阻抗、电感、相位角和绝缘电阻。 至少有一家 MCA 设备制造商增加了一项特殊测试，将应用频率提高一倍，并查看由此产生的绕组之间的比率。 这样就能及早发现匝与匝之间以及线圈与线圈之间的故障，否则这些故障将无法被发现。

甲基氯仿对能源的影响

电机的作用是将电能转换为机械扭矩。 当三相相位相差 120 度，且定子、转子和摩擦损耗得到控制时，它的运行效果最佳。 当相位相差 120 度时，电机的效率就会降低，因为磁场转动转子变得更加困难。 当偏差足够大时，它们就会开始相互干扰。 电压不平衡和阻抗不平衡都会产生这种影响，包括对效率、可靠性和生产的影响。 与电压不平衡一样，1-2% 的不平衡是可以接受的，但不平衡不应超过 5%，因为此时温升将超过 50%。 当阻抗不平衡度超过 2% 时，应按照图 4 所示对电机进行降额。

阻抗不平衡的一个重要影响是能效和相关的成本影响。 电动机效率的简单能量计算如下：

公式 1：

千瓦损耗千瓦 = 马力 * .746 * 负载 * [(100/E1) – (100/E2)] 。

其中：hp 为马力，E1 为新效率，E2 为原始效率

公式 2：

千瓦/年需求成本 = 千瓦/美元 * 千瓦 * 12 个月/年

公式 3：

千瓦时/年能源使用成本 = 千瓦时/美元 * 小时/年 * 千瓦时

阻抗不平衡对效率的影响见图 3。 一台 50 马力的节能电动机，转速 1800 RPM，效率 95%，负载 85%，每年运行 6000 小时，阻抗不平衡为 3.5%，其效率为 91%。 平均能源成本为 0.06 美元/千瓦时，平均需求成本为 14 美元/千瓦时，由此产生的能源成本如下：

例 1：阻抗不平衡率为 3.5% 的 50 马力电机

50 马力 * .746 * .85 * [(100/91) – (100/95)] = 1.47 千瓦

14 美元/千瓦 * 1.47 千瓦/月 * 12 个月/年 = 246.96 美元/年

0.06 美元/千瓦时 * 6000 小时/年 * 1.47 千瓦 = 529.20 美元/年

每年能源总成本 = 776.16 美元/年

运行该电机每年增加的能源成本非常可观。 随着更多电机的出现，工厂内的阻抗不平衡效应会变得更加严重。 在效率降低的同时，电机系统的可靠性和生产也会受到影响。

共同国家评估对可靠性的影响

MCA 对可靠性的影响 阻抗不平衡的直接后果是，电机的工作温度会升高，电机绕组和转子内的机电应力也会增加。 图 5 显示了损耗的增加，图 6 显示了对工作温度的影响，图 7 显示了电机可靠性的降低。 重要的是要明白，确定相位不平衡或潜在的绕组故障并不能预测电机故障。 可以对测试进行跟踪和趋势分析，以确定可靠性或电机按设计运行的信心会降低到什么程度，从而使业主决定对电机进行维修或更换。 对于非关键电机而言，这一点的容差应相当大，而对于关键设备而言，容差则较小。

同样是 50 马力的电机，如果阻抗不平衡率为 3.5%，则可靠性损耗如下：

损失增加 20%。

温度上升 25%。 对于额定环境温度为 40 摄氏度、绝缘等级为 F 的电机，在 22 摄氏度的环境中运行时，85% 负载下的正常温升为 80 摄氏度。 25% 的增幅将使新的温度上升到 100 摄氏度，即温度上升 20 摄氏度。

温度每升高 20 摄氏度，电动机的潜在寿命就会缩短至原来的 25%（温度每升高 10 摄氏度，绝缘材料的寿命就会缩短一半）。 这不包括对隔热系统或转隔热系统的任何其他潜在影响。

MCA 测试对生产的影响

能源成本增加和可靠性降低对生产的直接影响取决于电机对运行的关键程度。 例如，生产线的主传动装置非常关键，而空气处理装置对生产的影响可能微乎其微。 随着故障概率的增加，可以估算出生产成本。 根据图 9，可以确定每小时 1,000 美元的生产成本估算，其中要考虑到生产将受到多大影响，以及如果电机发生意外故障，可能需要的停机时间和启动时间。

阻抗不平衡率为 3.5%的 50 马力电动机出现故障的几率为 60%，潜在生产损失为 600 美元/1000 美元。 因此，如果 50 马力的关键电机对每小时 5000 美元的生产线产生 100% 的影响，停机时间为 4 小时，开机时间为 1 小时，那么影响成本将是 15000 美元的潜在损失：

等式 4：生产损失

600 美元/1000 美元 * 5000 美元 * 4 小时 * 1 小时 = 生产损失 15 000 美元

综合分析 在文章中使用的示例中，使用了一台重要的 50 马力电动机，其阻抗不平衡度为 3.5%。 与这种阻抗不平衡相关的潜在费用总额为

为了避免潜在的费用，可以对该电机进行维修或更换。 如果在下一次停机时拆卸和更换电机：

更换一台 95% 高效电机的费用：2,250 美元

更换人工费：500 美元

MCA 测试设备原价：7,995 美元

测试工时（5 分钟，60 美元/小时）：$5

共计：10 750 美元

简单投资回收期：0.68 年或 8 个月简单投资回收期

不包括测试设备费用：0.17 年或 2 个月

新电机到厂后，应进行可靠性检查，以确保没有制造缺陷。

总结

电机电路分析是一款功能强大的工具，操作简单，本质安全（离线测试）。 测试范围和潜在回报几乎是立竿见影的。 本文中使用的示例仅代表工厂中的一台电机。 如果通过分析确定有更多的电机需要关注，结合能源和生产成本，最初购买和实施的 MCA 计划将立竿见影。 作为一项内部计划或服务，实施这样的计划非常简单：

MCA 培训 – 大多数系统的基本操作只需 1 至 8 小时的内部培训，高级分析的使用学习曲线合理

确定关键电机 – 对运行至关重要的电机

对选定的电机进行分析并确定结果

至少每季度（如有可能每月）对关键电机进行一次跟踪和趋势分析

落实机会

在成功的基础上扩大测试范围

MCA 计划的成果与其他前瞻性维护系统相结合，将在节约能源、提高可靠性和生产正常运行时间方面产生卓越的效果。

书目

Sarma, Mulukutla S., Electric Machines：稳态理论与动态性能》，PWS 出版公司，1994 年。

Nasar，SyedA.，TheoryandProblemsofElectricMachinesandElectromechanics，SchaumsOutlineSeries，1981。

Edminster，Joseph 等，《电路》第三版，Schaums Electronic Tutor，1997 年。

Hammond 等人，《工程电磁学、物理过程与计算》，牛津科学出版社，1994 年。

Penrose，Howard W.，《用于 PWM 逆变器应用的低压多相感应电机维修规范》，肯尼迪-西部大学，1995 年。

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., Anatomy of an Energy Efficient Electric Motor Repair, Electrical Insulation Magazine, January/February 1997.

电压不平衡对感应电机影响的相框分析》，《电气和电子工程师学会工业应用学报》，第 1 卷，第 2 期，第 1 页。 33, No. 2, Mar/Apr 1997, p. 415.

Bonnett, Austin A., How to Analyze Rotor and Stator Failures for Three-Phase Squirrel Cage Induction Motors, EASA Conference, 1997.

Varatharasa, Logan, et.al., Simulation of Three-Phase Induction Motor Performance During Faults, EIC/EMCW Conference 1998 CD Rom.

美国能源部等，《保持电气系统的火花》，美国能源部，1995 年 10 月。

关于作者

霍华德-W-彭罗斯博士在电动机和电动机维修行业有超过15年的经验。 从美国海军的电机维修技工开始，到现场服务和评估各种类型的小型到大型旋转设备，担任中西部一家大型电机维修店的总工程师。 彭罗斯博士直接参与了交流、直流、绕线转子、同步、机床和特种设备的复卷、培训和故障排除。 他的 进一步的研究涉及电机和工业可靠性、测试方法、能源效率和维护对生产的影响。 Penrose 博士是电气和电子工程师学会芝加哥分会前任主席、电气和电子工程师学会芝加哥分会电介质和电气绝缘学会前任主席、电气制造线圈和绕组协会专业会员、美国能源部认证的电机主专业人员、振动分析师、红外线分析师和电机电路分析师。