운동 효율 및 안정성에 대한 상태의 영향

이 기사에서는 모터 회로 분석(MCA)과 진동 기술의 조합을 검토하여 모터 상태가 전기 모터 효율과 신뢰성에 미치는 재정적 영향에 대해 설명합니다. 에너지, 생산 및 유지 관리에 대한 비용 영향이 설명됩니다.

이 주제는 유틸리티 연구와 2000년과 2001년 미국 에너지부 시장 전환 성공을 둘러싸고 있습니다. 주요 관심 영역은 위상 균형, 로터 바, 청정도 및 베어링 문제입니다.

소개

전기 모터는 산업의 원동력이자 상업용 건물의 일반적인 편안함입니다. 모터 시스템은 미국에서 사용되는 모든 에너지의 20%와 생성되는 모든 전기의 59%를 소비합니다. 각 부문 내:

<울>

산업 시스템에서 전기 에너지의 78%(공정 산업에서 90% 이상)

상업용 건물의 전기 에너지의 43%

가정의 전기 에너지의 37%

미국 전역에서 사용되는 모든 유형의 전기 모터는 12억 개가 훨씬 넘습니다. 그러나 전기 모터는 번아웃 또는 치명적인 베어링 고장으로 인해 생산이 중단될 때까지 종종 눈에 띄지 않고 마음에 들지 않습니다.

대부분의 치명적인 오류가 발생하기 전에 장비는 일반적으로 시간이 지남에 따라 오류가 발생하고 신뢰도는 감소하며 손실은 증가(효율 감소)한다는 점을 이해하는 것이 중요합니다.

일부 장비 결함은 순간적이지만 생산에 영향을 미치는 대부분의 치명적인 결함은 유지 관리 프로그램 구현 실패의 결과입니다.

이러한 실패는 주로 경영진이 유지 관리가 비즈니스 비용이 아니라 비즈니스에 대한 투자라는 것을 완전히 이해하지 못하기 때문입니다.

자재, 장비 및 인력에 투자하지 않으면 판매할 제품이 없습니다. 예측 유지보수 관행(예방적 유지보수, 전체 생산 유지보수, 신뢰성 중심 유지보수 또는 기타 프로그램)에 투자하지 않으면 판매할 제품이 없습니다. 더 높은 전체 생산 비용으로 제품을 판매하거나 더 적게 판매할 수 있습니다.

유지 관리 프로그램의 적절한 구현은 공장의 에너지 소비를 14%까지 줄이는 것으로 나타났습니다 ^{1 2} , 계획되지 않은 생산 중단 시간도 줄입니다. 평균 다운타임 비용은 다음과 같이 표시됩니다.

표 1:다운타임 비용 추정 ³

최근 유틸리티 에너지 및 신뢰성 프로젝트에서 다음을 포함한 여러 산업에서 5~200마력의 전기 모터 그룹이 검토되었습니다. 임산물; 식품 가공; 채광(채석); 및 펄프 및 종이.

발전소는 기존의 계획된 유지보수 프로그램이 없는 것부터 기존 에너지 프로그램을 포함한 완전한 구현에 이르기까지 다양했습니다. 무작위로 평가된 이러한 모터 중 80%는 적어도 하나의 결함이 있는 것으로 밝혀졌고 그 중 60%(원래의 48%)는 교체 비용 효율적인 것으로 나타났습니다.

프로그램이 없는 공장은 결함이 있는 모터의 수가 가장 많았습니다. 기존 유지보수 및 에너지 프로그램이 있는 공장의 모터 결함 수가 가장 적었습니다.

진동 분석 및 모터 회로 분석(MCA)을 사용하여 오류 유형과 수정 조치(수리 또는 교체)로 잠재적인 비용 회피를 결정하기 위해 모터의 8%가 평가되었습니다. 몇몇은 전기적 및 기계적 문제가 복합적으로 발생했습니다.

표 2:유틸리티 에너지 프로젝트 결과

여러 모터에 진동과 전기적 결함이 결합되어 있었습니다. 몇몇은 절연 저항 결함과 결합된 권선 결함이 있었습니다. 몇몇은 생산 문제를 계속 일으키는 단락된 권선을 가지고 있었지만 성가신 트립으로 기록되었습니다(MCA를 사용하여 연구에서 감지). "모터 PAT 도구 데모 프로젝트의 고급 부분에서 발견한 바에 따르면 저항, 인덕턴스, 임피던스, 위상각 및 I/F(전류/주파수 응답)의 위상 불균형에 대한 측정이 더 유용한 결과를 제공했습니다." ⁴

결함이 있는 모터 20개를 5마력에서 250마력으로 결합하여 증분 생산 비용을 절감한 결과는 297,100달러였으며 구현 비용은 미미했습니다.

이 기사의 목적은 먼저 전기 모터에 대한 유지 관리 프로그램의 적용을 통해 비용 회피를 결정하기 위한 정보를 제공하는 것입니다. 모터 회로 분석(MCA) 및 진동 분석의 구현에 대한 논의가 이어집니다.

유지 관리를 통한 비용 절감

유지 관리 프로그램의 구현을 통해 비용 회피를 결정하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 이 논의에서는 매우 기본적이고 보수적인 방법을 제공하는 미국 에너지부의 산업 평가 센터(IAC)를 통해 도입된 방법에 초점을 맞출 것입니다.

PAT 도구 데모 프로젝트는 훨씬 더 복잡한 방법을 사용했습니다. ⁵ , 이 문서의 범위를 벗어납니다. 그러나 MotorMaster Plus ⁶ 과 같은 일부 도구는 , 모터 수리 비용에 대한 비용 정보를 제공하는 데 사용됩니다.

유틸리티 담당자는 예방 유지보수 프로그램이 없는 시설에 대한 조사에서 모터 되감기가 총 모터 수리 횟수의 85%를 차지한다고 밝혔습니다(평균).

예방 정비 프로그램이 수립된 후 되감기 횟수는 전체의 약 20%로 감소했습니다. ⁷ 이 진술은 Dreisilker의 전체 모터 시스템 유지 관리 및 관리 프로그램(DTM 2), PAT 도구 프로젝트 등을 포함한 연구 프로젝트를 통해 사실로 밝혀졌습니다.

이 논의의 목적을 위해 우리는 485개의 모터가 있는 판지 공장을 고려할 것입니다. 가동 중지 시간 비용이 각각 $6,575인 두 개의 생산 라인이 있습니다.

한 달에 평균 3개의 모터가 수리되었으며, 그 중 대다수(70%)는 되감기 교체가 필요했습니다(일반적으로 침수, 오염 또는 모터가 재료 코팅으로 인해 발생함).

이 시설은 연간 8,000시간 동안 운영되었으며 일반적으로 한 번에 하나의 라인에 장애가 발생하는 치명적인 오류가 발생했습니다. 이 논의에서 다루지 않은 추가 비용에는 작업을 다시 시작하기 전에 시스템을 청소하는 것이 포함됩니다. 유지 관리 프로그램이 없습니다.

표 3:모터 마력 및 수리 비용 분석

첫 번째 단계는 계획되지 않은 생산 중단 시간 비용을 계산하는 것입니다.

공식 1:계획되지 않은 생산 중단 시간 비용

PC_다운타임 =(MF/년) x (P_손실 /실패) x (P_비용 )

=(36 모터/년) x (4시간/고장) x ($6,575/시간)

=$946,800/년

PC는 계획되지 않은 가동 중지 시간의 연간 비용, MF는 모터 고장 수, P는 생산량을 나타냅니다.

2단계는 되감기 장비의 평균 비용을 계산하는 것입니다. 이 경우 우리는 20마력 이상에만 집중할 것입니다.

식 2:모터를 되감는 평균 비용

R_평균 =((N_n1 x RWC_n1 ) + … + (Nnn x RWC_nn ))/N_T

=((15₂₀ x $660₂₀ ) + (10₂₅ x $760₂₅ ) + ... + (4₇₅₀ x $7735₇₅₀ )) / 138 모터

=$1,650

여기서 R_평균 평균 되감기 비용, N_n 각 마력에 대한 모터 수, RWC_n 각 마력에 대한 되감기 비용입니다.

모터 재생에 대한 평균 비용은 되감기 비용 대신 재생 비용이 사용된다는 점을 제외하고는 동일한 방식으로 계산됩니다. 이 예의 경우 평균 수리 비용은 $555입니다.

3단계는 유지보수 시행 전후에 모터당 평균 수리비를 계산하는 것입니다.

식 3:모터당 평균 수리 비용

R_평균 =(% 재조정 x $/재조정) + (% 되감기 x $/되감기)

=(30% x $555) + (70% x $1,650)

=$1,322 / 모터

리와인드된 모터의 수와 재생된 모터의 수가 프로그램의 적용과 반대라고 가정할 때, 리와인드 모터의 수는 30%이고 평균 수리 비용은 모터당 $884입니다.

프로그램이 실행되면 전체적으로 수리해야 하는 모터의 수가 줄어들 것입니다.

4단계에서는 보수적인 절감 추정치를 산출하기 위해 연간 수리된 모터의 수와 재생된 모터와 되감기한 모터의 차이를 사용합니다.

공식 4:수리 비용 절감 추정치(RRC_est )

RRC_est =(수리된 모터/년 x 초기 수리 비용) (수리된 모터/년 x 새로운 수리 비용)

=(36 모터/년 x $1,322/모터) (36 모터/년 x $884/모터)

=연간 $15,768

5단계는 잠재적인 에너지 절약을 결정하는 것입니다. 보수적인 추정을 위해 효율성이 2% 향상되는 것으로 가정합니다. 유지 보수 구성 요소에는 다음이 포함됩니다(이 문서의 경우 평가에 사용되는 테스트 시스템 유형, 진동 및 MCA만 해당).

<울>

향상된 윤활(진동)

적절한 정렬 및 균형 조정(진동)

회로 불균형 수정(MCA)

모터 온도 감소(MCA, 진동)

되감기로 인한 효율성 손실 감소(미국 에너지부는 1%로 추정합니다.

되감기당 포인트 효율성 감소)

향상된 드라이브 시스템 성능

공식 5:에너지 비용 절감

에너지 절약 =(고려된 모터의 총 hp) x (부하 계수) x (작동 시간) x (%savings) x (.746kW/hp) x (전기 사용 비용)

=14,930마력 x 75% 부하 x 8,000시간 x 2% 절약 x 0.746kW/hp x $0.06/kWh

=연간 $80,192

6단계는 프로그램을 구현하기 위한 사내 인건비를 결정하는 것입니다. 연간 모터당 1인시를 가정합니다. 이 예의 예상 비용은 시간당 $25를 기준으로 합니다.

공식 6:사내 인건비

노동 =(1시간/월/모터) x (모터 수) x (12개월/년) x ($/인시)

=1시간/월/모터 x 138 모터 x 12개월/년 x ($25/인시)

=연간 $41,400

7단계는 MCA 및 진동분석장비 구매가격입니다. 이 기사의 목적을 위해 유틸리티 PAT 프로젝트에 대해 선택된 동일한 장비가 사용됩니다. ALL-TEST IV PRO 의 예상 총 비용 2000 MCA 기기와 Pruftechnik 진동 분석 장비는 $22,000입니다.

8단계는 시스템 구현을 위한 교육 비용입니다. 1인당 장비 교육 비용이 $4,500이고 유지 보수 교육 비용이 1인당 $6,000라고 가정하면 비용은 1인당 약 $10,500입니다.

마지막 단계는 프로그램 구현에 대한 단순 회수를 결정하는 것입니다. 이 예의 경우 첫 해에 계획되지 않은 가동 중지 시간이 50% 감소한다고 가정합니다.

표 4:유지 관리 구현을 위한 비용 및 절감액

공식 7:단순 유지 보수 회수

투자 회수 =(연간 총 비용) / (연간 총 절감액)

=$73,900 / $569,360

=0.13년 또는 1.6개월

이 특정 공장의 크기가 작으면 유지보수 프로그램을 완벽하게 구현할 수 있습니다. 대규모 제조 공장에는 수천 개의 전기 모터가 있는 경우가 많으며 성공적인 구현을 위해 부서 또는 영역을 세분화해야 할 수 있습니다.

진동 분석의 적용

진동 분석은 유지 보수 전문가가 회전 장비의 기계적 결함 및 일부 제한된 전기적 결함을 감지하는 수단으로 사용합니다. 정기적으로 예정된 테스트를 수행하여 전기 모터의 작동 신뢰성을 트렌딩을 통해 결정할 수 있습니다.

베어링 고장, 그리스, 벨트 장력, 정렬 불량 또는 기타 불균형에 따라 에너지 손실이 증가할 수 있습니다. 이러한 손실은 진동, 소음 및 열로 표시됩니다. 부적절한 벨트 장력과 그리스는 모터의 마찰과 바람 손실을 증가시킵니다. 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

공식 8:베어링 손실

와트 손실 =(부하, lbs x JournalDiameter,인치 x rpm x f) / 169

f는 사용된 오일과 온도에 따라 다릅니다. 0.005가 일반적입니다.

문제 해결을 위한 진동 분석은 주로 베어링(고장의 41%) 결함, 균형 및 정렬(고장의 12%) 결함을 감지합니다. 또한 로터 결함(고장의 10%)과 일부 전기적 결함(고장의 37%)을 어느 정도 감지합니다.

그러나 전기 및 회전자 결함은 다른 장비와 관련될 수 있고 부하와 직접적으로 관련된 주파수 범위에 속하는 경향이 있습니다. 진동 분석을 위해서는 전기 모터가 경향이 있는 각 테스트 동안 일정한 부하에서 작동해야 합니다.

모터 회로 분석의 적용

개별 모터의 품질 예방 유지보수를 수행하는 데 사용할 수 있는 많은 도구가 있습니다. 이 중 모터 회로 분석(MCA) 시스템은 비용이 많이 드는 고장이 발생하기 전에 모터 문제를 식별하고 일반적으로 모터 시스템의 전반적인 효율성을 향상시킬 수 있는 큰 가능성을 가지고 있습니다. ⁸

모터 회로 분석을 통해 분석가는 전기 모터의 권선 결함 및 회전자 결함을 감지할 수 있습니다. 이러한 유형의 테스트 방법의 장점 중 하나는 장비의 전원을 차단해야 한다는 것입니다. 이를 통해 전기 모터의 초기 수신 테스트 및 장비 고장 시 문제 해결이 가능합니다. 감지할 수 있는 1차 에너지 손실에는 위상 불균형 및 I ² 가 포함됩니다. R 손실, 결함에는 단락된 권선, 느슨한 연결, 접지 결함 및 회전자 결함이 포함됩니다.

저항성 결함은 손실로 열을 제공합니다. 예를 들어, 95암페어에서 작동하는 100마력 전기 모터의 0.5옴 느슨한 연결:

공식 9:저항 손실

킬로와트 손실 =(I ² R)/1000

=(95 ² x 0.5)/1000

=4.5kW(수요 손실)

식 10:에너지 사용 손실

$/년 =kW x 시간/년 x $/kWh

=4.5kW x 8000시간/년 x $0.06/kWh

=연간 $2,160

전기 모터 위상 불균형(인덕턴스 및 임피던스)은 전류 불균형에 영향을 미치고 모터가 더 뜨거워지고 모터가 토크를 생성하는 능력을 감소시킵니다. 임피던스의 불균형 비율은 전기 모터의 효율 감소 및 추가 가열을 결정하기 위해 평가될 수 있습니다. 일반적으로 작동 온도가 섭씨 10도 상승할 때마다 장비 수명이 절반으로 감소합니다.

그림 1. 임피던스 불균형으로 인한 효율성 감소

예를 들어, 판지 회사는 일반적으로 95% 효율이고 3.5% 임피던스 불균형을 갖는 100마력 전기 모터를 가지고 있습니다. 효율성은 4포인트 또는 91%로 감소합니다.

식 10:위상 불균형 손실로 인한 에너지 비용

$/년 절약 =hp x 0.746 x %load x $/kWh x 작동 시간((100/Le) (100/He))

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

=$1,240/년

그림 2. 위상 불균형으로 인한 온도 상승 증가

임피던스 불균형은 I ² 의 증가에 따라 작동 온도도 증가시킵니다. R 손실. 100마력 전동기의 경우 섭씨 30도 정도 온도가 올라가거나 전동기의 절연 수명이 원래의 13%로 줄어든다는 뜻이다.

모터 회로 분석은 또한 권선의 오염을 평가하는 데 사용됩니다. “모터 흡입구(있는 경우)와 냉각 핀을 자주 청소하는 것은 더러운 환경에서 특히 중요합니다. … 테스트를 통해 가혹한 부하, 정격 및 대형 모터라도 이러한 조건에서 두껍게 코팅되거나 가볍게 코팅되고 공기 흐름이 절반으로 줄어들면 이러한 조건에서 빠르게 고장날 수 있음이 확인되었습니다. 그러면 절연 수명이 정상의 13~25%로 떨어질 수 있습니다.” ⁹ 권선에 오염 물질이 코팅되어 있는 경우에도 동일한 현상이 발생합니다.

MCA 회전자 테스트는 회전자의 360도 회전을 통한 인덕턴스 및 임피던스 판독값이 필요합니다. 판독값은 그래프로 표시되고 대칭을 위해 표시됩니다. 회전자 테스트 결과는 회전자의 최종 상태를 제공하며 수리 중 또는 모터에 토크 문제가 있는 것으로 식별될 때 승인 프로그램의 일부로 진동에 의한 가능한 회전자 결함 식별 후 종종 수행됩니다.

결론

전기 모터 유지 관리 프로그램의 구현은 회사의 수익에 큰 영향을 미칩니다. 회사에 수백 개의 모터가 있든 수천 개의 모터가 있든 관계없이 진동 및 MCA에 대한 투자로 인한 간단한 투자 회수를 일반적으로 몇 개월이라고 합니다. 투자 회수는 인력, 교육 및 장비에 대한 최소한의 투자로 생산 가용성으로 인한 절감, 장비 수리 비용 절감 및 에너지 비용 개선의 영향을 받습니다.

이 두 기술의 적용은 유지 관리 프로그램의 진행 상황을 평가하고 장비 가용성을 개선하는 동시에 서로를 보완합니다. 진동 해석은 장비의 기계적 상태를 평가하고 MCA는 장비의 전기적 상태를 평가합니다. 종합하여 분석가는 전기 모터의 전체 상태를 볼 수 있습니다.

저자 정보:

Howard W. Penrose 박사는 ALL-TEST Pro, 를 대신하여 이 문서를 제공했습니다. LLC. 자세한 내용은 www.alltestpro.com을 방문하거나 860-399-4222로 전화하거나 [email protected]으로 이메일을 보내십시오.

참조
¹ 산업 생산성 교육 매뉴얼, 1996년 연례 IAC 이사 회의, Rutgers 대학, 미국 에너지부 산업 기술 사무소, 1996년

² 전기 모터 성능 분석 테스트 도구 데모 프로젝트, Pacific Gas &Electric, 2001년.

³ 산업 생산성 교육 매뉴얼, 1996년 연례 IAC 이사 회의, Rutgers 대학, 미국 에너지부 산업 기술 사무소, 1996년

⁴ 전기 모터 성능 분석 테스트 도구 데모 프로젝트, Pacific Gas &Electric, 2001년.

⁵ 전기 모터 성능 분석 테스트 도구 데모 프로젝트, Pacific Gas &Electric, 2001년.

⁶ MotorMaster Plus는 미국 에너지부를 통해 제공되는 무료 모터 에너지 및 관리 소프트웨어입니다. www.oit.doe.gov/bestpractices/.

⁷ 산업 생산성 교육 매뉴얼, 1996년 연례 IAC 이사 회의, Rutgers 대학, 미국 에너지부 산업 기술 사무소, 1996년

⁸ DrivePower, 12장, 1993

⁹ DrivePower, 12장, 1993