条件对电机效率和可靠性的影响

本文通过回顾电机电路分析 (MCA) 和振动技术的组合，讨论电机状况对电机效率和可靠性的财务影响。将概述对能源、生产和维护的成本影响。

该主题将围绕一项公用事业研究和美国能源部 2000 年和 2001 年市场转型的成功。主要关注的领域是相平衡、转子条、清洁度和轴承问题。

简介

电动机是工业的原动力，也是我们在商业建筑中的普遍舒适度。电机系统消耗了美国所有能源的 20% 和所有发电量的 59%。在每个部门内：

• 工业系统中 78% 的电能（过程工业中超过 90%）
• 43% 的商业建筑电能
• 家庭中 37% 的电能

全美使用的各类电动机超过 12 亿台。然而，电动马达往往是看不见的，在生产因烧坏或灾难性的轴承故障而停工之前。

在大多数灾难性故障发生之前，设备通常会随着时间的推移发生故障、可靠性降低和损失增加（效率降低），了解这一点很重要。

虽然有些设备故障是瞬间发生的，但影响生产的灾难性故障绝大多数是由于维护计划执行失败造成的。

这次失败的主要原因是管理层没有完全理解维护是对业务的投资，而不是业务的费用。

如果您不投资于材料、设备和人员，您就没有可销售的产品：如果您不投资于预测性维护实践（预防性维护、全面生产性维护、以可靠性为中心的维护或任何其他计划），您就不会以较高的总体生产成本销售或减少产品。

事实证明，正确实施维护计划可以将工厂的能源消耗降低多达 14% ^{1 2} ，同时也减少了计划外的生产停机时间。平均停机成本如下所示：

表 1：停机成本估算 ³

在最近的一个公用事业能源和可靠性项目中，对几个行业的一组 5 到 200 马力的电动机进行了审查，包括：石油和化工；林产品；食品加工;采矿（采石场）；和纸浆和造纸。

这些工厂从没有现有的计划维护计划到全面实施，包括现有的能源计划。在随机评估的这些电机中，80% 的电机至少存在一处缺陷，其中 60%（原始电机的 48%）被认为具有成本效益以进行更换。

没有程序的工厂有最多的有缺陷的电机；具有现有维护和能源计划的工厂的电机故障数量最少。

通过使用振动分析和电机电路分析 (MCA)，对 8% 的电机进行了评估，以确定故障类型和采取纠正措施（维修或更换）的潜在成本避免。有几个同时存在电气和机械问题：

表 2：公用事业能源项目调查结果

几台电机同时存在振动和电气故障。少数有绕组故障和绝缘电阻故障。有几个绕组短路，继续导致生产问题，但作为滋扰跳闸被注销（在研究中使用 MCA 检测到）。 “电机 PAT 工具演示项目高级部分的发现表明，测量电阻、电感、阻抗、相角和 I/F（电流/频率响应）的相位不平衡提供了更有用的结果。” ⁴

20 个有缺陷的电机（从 5 马力到 250 马力）的总增量生产成本避免为 297,100 美元，使实施成本微不足道。

本文的目的是首先提供信息，以确定通过在电动机上应用维护计划来避免成本。接下来将讨论电机电路分析（MCA）和振动分析的实现。

通过维护避免成本

有多种方法可以通过实施维护计划来确定成本规避。在本次讨论中，重点将放在通过美国能源部工业评估中心 (IAC) 引入的方法上，这些方法提供了一种非常基本和保守的方法。

PAT 工具演示项目使用了更复杂的方法 ⁵ ，这超出了本文的范围。但是，某些工具，例如 MotorMaster Plus ⁶ , 将用于提供电机维修费用的成本信息。

公用事业代表表示，在对没有预防性维护计划的设施的调查中，电机倒带占电机维修总数的 85%（平均）。

在制定预防性维护计划后，倒带次数减少到总数的 20% 左右。 ⁷ 通过研究项目，包括 Dreisilker 的全面电机系统维护和管理计划 (DTM 2)、PAT 工具项目等，发现此声明是正确的。

出于本次讨论的目的，我们将考虑具有 485 台电机的纸板厂。有两条运行中的生产线，每条生产线的潜在停机成本为 6,575 美元。

平均每月维修 3 台电机，其中大部分 (70%) 需要更换回卷（通常由浸入、污染或电机被材料覆盖引起）。

该设施每年运行 8,000 小时，灾难性故障通常一次导致一条生产线出现故障。本讨论未涵盖的额外费用包括在重新启动操作之前清洁系统。没有适当的维护计划。

表 3：电机马力分解和维修成本

第一步是计算计划外生产停机成本：

公式 1：计划外生产停机成本

PCDowntime =(MF/year) x (PLost/failure) x (PCost)

=（36 台电机/年）x（4 小时/故障）x（6,575 美元/小时）

=946,800 美元/年

其中 PC 是计划外停机的年成本，MF 是电机故障的数量，P 代表生产。

第二步是计算复卷设备的平均成本。在这种情况下，我们将专注于 20 马力和更大的功率。

公式 2：复卷电机的平均成本

Ravg =((Nn1 x RWCn1) + … + (Nnn x RWCnn))/NT

=((1520 x 66020 美元) + (1025 x 76025 美元) + … + (4750 x 7735750 美元)) / 138 个电机

=$1,650

其中 Ravg 是平均回卷成本，Nn 是每马力的电机数量，RWCn 是每马力的回卷成本

维修电机的平均成本以相同的方式计算，不同之处在于使用维修成本而不是重绕成本。对于此示例，平均翻新成本为 555 美元。

第三步，计算维修实施前后每台电机的平均维修成本。

公式 3：每台电机的平均维修成本

Ravg =(% Recondition x $/Recondition) + (% Rewind x $/Rewind)

=(30% x 555 美元) + (70% x 1,650 美元)

=$1,322 / 电机

假设电机重绕与修复的数量将与程序的应用成反比，则重绕电机的数量将为 30%，平均维修成本为每台电机 884 美元。

该计划实施后，总体上需要维修的电机数量将减少。

第 4 步使用每年维修的电机数量以及修复电机与重绕电机之间的差异，以得出节省的保守估计。

公式 4：维修成本降低估算 (RRCest)

RRCest =（维修电机数/年 x 初始维修费用）（维修电机数/年 x 新维修费用）

=（36 台电机/年 x 1,322 美元/台）（36 台电机/年 x 884 美元/台）

=每年 15,768 美元

第 5 步是确定潜在的节能。出于保守估计的目的，将假设效率提高 2%。维护组件包括（以及测试系统的类型、振动和 MCA，仅在本文中用于评估）：

• 改善润滑（振动）
• 正确对齐和平衡（振动）
• 修正电路不平衡 (MCA)
• 降低电机温度（MCA、振动）
• 减少因倒带造成的效率损失（美国能源部估计为 1%
• 每次倒带会降低点效率）
• 改进驱动系统性能

公式 5：能源成本节约

节能 =（考虑的电机总马力）x（负载系数）x（运行时间）x（节省百分比）x（.746 kW/hp）x（电力使用成本）

=14,930 马力 x 75% 负载 x 8,000 小时 x 2% 节省 x 0.746 kW/hp x $0.06/kWh

=每年 80,192 美元

第 6 步是确定实施该计划的内部劳动力成本。假设每台电机每年一个工时。此示例的估计成本将基于每小时 25 美元。

公式 6：内部劳动力成本

人工 =（1 小时/月/电机）x（电机数量）x（12 个月/年）x（美元/工时）

=1 小时/月/电机 x 138 台电机 x 12 个月/年 x（25 美元/工时）

=每年 41,400 美元

第 7 步是 MCA 和振动分析设备的购买价格。就本文而言，将使用为公用事业 PAT 项目选择的相同设备。 ALL-TEST IV PRO 的估计综合成本 2000 MCA 仪器和 Pruftechnik 振动分析设备为 22,000 美元。

第 8 步是实施系统的培训成本。假设设备培训费用为每人 4,500 美元，维护培训费用为每人 6,000 美元，则费用约为每人 10,500 美元。

最后一步是确定程序实施的简单回报。在本示例中，假设第一年计划外停机时间减少了 50%：

表 4：维护实施的成本和节省

公式 7：简单的维护回报

回报 =（每年总成本）/（每年总节省）

=73,900 美元 / 569,360 美元

=0.13 年或 1.6 个月

该特定工厂的较小规模将允许完整实施维护计划。较大的制造工厂通常有数千台电动机，可能需要细分部门或领域才能成功实施。

振动分析的应用

维护专业人员使用振动分析作为检测旋转设备中机械故障和一些有限电气故障的一种手段。通过定期进行计划测试，可以通过趋势确定电动机的运行可靠性。

基于轴承故障、润滑、皮带张力、不对中或其他不平衡，可能会增加能量损失。这些损失表现为振动、噪音和热量。皮带张力和润滑不当会增加电机的摩擦和风阻损失。这可以计算为：

公式 8：轴承损耗

瓦特损耗 =（负载，磅 x 轴颈直径，英寸 x rpm x f）/ 169

f 取决于使用的油和温度； 0.005 是典型值

用于故障排除的振动分析将主要检测轴承（41% 的故障）故障、平衡和对准（12% 的故障）故障。它还可以在一定程度上检测转子故障（10% 的故障）和一些电气故障（37% 的故障）。

然而，电气和转子故障往往落在可能与其他设备相关的频率范围内，并且与负载直接相关。振动分析要求电动机在每次趋势测试期间以恒定负载运行。

电机电路分析的应用

有许多工具可用于对单个电机进行质量预防性维护。其中，电机电路分析 (MCA) 系统对于在代价高昂的故障之前识别电机问题以及提高电机系统的总体效率具有很大的希望。 ⁸

电机电路分析允许分析人员检测电机中的绕组故障和转子故障。这种类型的测试方法的一个优势是它要求设备断电，这允许对电动机进行初始传入测试并在设备出现故障时进行故障排除。可以检测到的主要能量损失包括相位不平衡和 I ² R 损耗，而故障包括绕组短路、连接松动、接地故障和转子故障。

电阻故障会产生热量，作为损耗。例如，在 95 安培下运行的 100 马力电动机上的 0.5 欧姆松动连接：

公式 9：电阻损耗

千瓦损耗 =(I ² R)/1000

=(95 ² x 0.5)/1000

=4.5 kW（需求损失）

公式 10：能源使用损失

$/年 =kW x 小时/年 x $/kWh

=4.5 kW x 8000 小时/年 x $0.06/kWh

=每年 2,160 美元

电机相位不平衡（电感和阻抗）会影响电流不平衡，导致电机运行更热并降低电机产生扭矩的能力。可以评估阻抗的不平衡百分比以确定电动机的效率降低和额外加热。一般的规律是，工作温度每升高10摄氏度，设备的寿命就会减少一半。

图 1. 阻抗不平衡导致的效率降低

例如，纸板公司有一个 100 马力的电动机，通常效率为 95%，阻抗不平衡为 3.5%。效率将降低4个效率点，即91%。

公式 10：由于相位不平衡损失引起的能源成本

$/yr 节省 =hp x 0.746 x %load x $/kWh x 运行小时数 ((100/Le) (100/He))

=100 hp x 0.756 x .75 负载 x $0.06/kWh x 8000 小时 ((100/91) (100/95))

=$1,240 / 年

图 2. 相位不平衡导致温升增加

由于I ² 的增加，阻抗不平衡也会引起工作温度的增加 R 损失。以100马力的电机为例，这意味着温升约30摄氏度，或者说电机绝缘寿命降低到原来的13%。

电机电路分析也用于评估绕组的污染。 “经常清洁电机的进气口（如果有的话）和散热片在肮脏的环境中尤为重要。 … 测试证实，即使是重载、大额定值和超大尺寸的电机，如果涂层较厚或涂层较薄且气流减少一半，也会在这种情况下迅速失效。然后它们的绝缘寿命会下降到正常值的 13% 到 25%。” ⁹ 如果绕组被污染物覆盖，也会出现同样的现象。

MCA 转子测试需要通过转子 360 度旋转的电感和阻抗读数。读数被绘制和查看对称。转子测试结果提供了转子的确定性条件，通常在通过振动识别出可能的转子故障后执行，作为验收程序的一部分，在维修期间或当电机被识别为有扭矩问题时。

结论

电动机维护计划的实施将对公司的底线产生重大影响。无论公司拥有数百台电机还是数千台电机，投资振动和 MCA 的简单回报通常以月为单位。投资回报受到生产可用性节省、设备维修成本降低和能源成本改善的影响，所有这些都需要最少的人力、培训和设备投资。

这两种技术的应用相互补充，同时也评估维护计划的进展并提高设备可用性。振动分析评估设备的机械状况，而 MCA 评估设备的电气状况。结合起来，分析人员可以查看电机的完整状态。

关于作者：

Howard W. Penrose 博士代表 ALL-TEST Pro, 提供了这篇文章 有限责任公司。欲了解更多信息，请访问 www.alltestpro.com，致电 860-399-4222 或发送电子邮件至 [email protected]。

参考资料
¹ 工业生产力培训手册，1996 年度 IAC 董事会议，罗格斯大学，美国能源部工业技术办公室，1996。

² 电动机性能分析测试工具示范项目，Pacific Gas &Electric，2001。

³ 工业生产力培训手册，1996 年度 IAC 董事会议，罗格斯大学，美国能源部工业技术办公室，1996。

⁴ 电动机性能分析测试工具示范项目，Pacific Gas &Electric，2001。

⁵ 电动机性能分析测试工具示范项目，Pacific Gas &Electric，2001。

⁶ MotorMaster Plus 是美国能源部提供的免费电机能源和管理软件； www.oit.doe.gov/bestpractices/。

⁷ 工业生产力培训手册，1996 年度 IAC 董事会议，罗格斯大学，美国能源部工业技术办公室，1996。

⁸ DrivePower，第 12 章，1993 年

⁹ DrivePower，第 12 章，1993 年