전기 모터 효율 최적화 방법

널리 알려진 추정에 따르면 전기 모터로 구동되는 시스템은 미국에서 생산되는 전기의 절반 이상과 많은 산업 공장에서 사용되는 전기의 70% 이상을 소비합니다. ¹ 이제 에너지 및 운영 비용이 프리미엄이 되기 때문에 모터 효율성을 높이는 것이 그 어느 때보다 합리적입니다.

많은 시설에서 모터 효율 전략을 세 단계로 나누는 것이 합리적이라고 생각합니다.

<울>

종합 평가

즉각적인 개선

장기

이 문서에서는 1단계를 간략하게 설명하고 2단계에 대한 세부 정보를 제공합니다. 다음 문서에서 3단계에 대한 세부 정보를 제공할 것입니다.

전기 모터 효율을 최적화하는 방법

1단계:평가
운동 평가에는 다음이 포함됩니다.

<올>

귀하의 시설에 있는 제어 수준과 함께 모터 수, 연령, 마력 및 정격을 조사하고 문서화하십시오.

가장 높은 부하와 가장 중요한 부하를 식별합니다.

이러한 주요 장치의 경우 전력 로거를 사용하여 에너지 소비(전력 소모)를 평가합니다.

이렇게 하면 시설의 모터에 대한 일반적인 에너지 소비 지도를 얻을 수 있습니다.

2단계:즉각적인 개선
즉시 개선할 수 있는 두 가지 유형이 있습니다.

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부대 및 부대 운용 변경

수리

장치 변경에는 일부 모터를 더 높은 효율 또는 더 나은 크기의 모델로 교체하고, 다른 모터에 적절한 크기의 출력을 제어하도록 추가하고, 수요 및 유틸리티 요금과 비교할 때 실행할 모터 일정을 재조정하는 것이 포함될 수 있습니다.

이러한 변경 사항이 시설에서 의미가 있는지 확인하려면 미국 에너지부의 MotorMaster+와 같은 모터 효율 계산기를 사용하십시오. 모터당 및 효율 단계당 절감액을 계산하는 데 도움이 될 수 있습니다.

그렇지 않으면 계속 작동하려는 모든 모터에 대해 세 가지 검사 지점을 만들어야 합니다.

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전압 불균형

현재 불균형

역률

테스트에서 이 세 가지 변수 중 하나에 문제가 있는 경우 해당 문제를 수정하면 효율성이 즉시 향상될 수 있습니다. 논리적으로 이 단계에서 수행하는 단기 개선 사항을 유지하려면 이러한 테스트를 장기 정기 유지 관리에 통합해야 합니다.

전압 불균형
전압 불균형은 3상 시스템의 위상 간의 전압 차이를 측정한 것입니다. 최적의 모터 성능을 위해서는 위상 전압이 같거나 거의 같아야 합니다. 모터 성능이 저하될 뿐만 아니라 전압 불균형은 모터 수명을 단축시킵니다.

전압 불균형은 평균에서 최대 전압 변동을 3상 평균 전압으로 나눈 값의 100배입니다. 이 계산은 불균형을 백분율로 생성합니다. 미국 에너지부(DOE)는 다음 예를 제시합니다. ² 측정된 라인 전압이 462V, 463V 및 455V인 경우 평균은 460V입니다. 따라서 전압 불균형은 다음과 같습니다.

[(460 – 455) x 100] ÷ 460 =1.1%

전반적으로 전압 불균형은 1% 미만이어야 하며 절대 5%를 넘지 않아야 합니다. 표준 EN50160은 공통 결합 지점에서 2% 미만의 전압 불균형을 요구합니다. NEMA(National Electrical Manufacturers Association) 사양에서는 모터 부하에 대해 5% 미만을 요구하지만 모터 단자의 전압 불균형은 1%를 초과하지 않고 모터는 더 높은 비율로 경감될 것을 권장합니다. ³

전압 불균형에 대한 측정은 전압 불균형이 5% 미만인지 확인하기 위해 전력 품질 분석기를 사용하여 모터 단자에서 정기적으로 수행해야 합니다. 또한 정기적인 열 검사에서 스위치기어, 차단기 또는 모터 연결 상자의 고저항 연결이 드러날 수 있으며, 이는 전압 불균형을 유발할 수 있습니다. 전압 불균형의 다른 가능한 원인에는 결함이 있는 역률 보정 장치, 불균형 또는 일관성 없는 공급 전압, 불균형 변압기 뱅크, 고르지 않게 분포된 단상 부하, 단상에서 접지 오류 또는 배전 시스템 1차측의 개방 회로가 있습니다.

숙련된 전기 기술자나 전력 전문가가 수정해야 합니다. 가변 속도 드라이브(시스템에 사용되는 경우)에서 공급 전압을 확인하는 것으로 시작합니다. 또한 플랜트에 대한 유틸리티 입력과 시스템에 대한 변압기 출력을 확인하십시오. 이러한 "소스"에서 균형 위상이 발견되면 가장 좋은 방법은 모터에서 시작하여 초기 소스인 유틸리티의 전기 공급으로 체계적으로 다시 작업하는 것입니다.

잠재적 비용 절감 및 ROI: 전체 절감액을 계산하는 가장 좋은 방법은 MotorMaster+와 같은 소프트웨어 도구를 사용하는 것입니다. 다음을 알고 있는 경우 기본 계산이 작동하는 방식은 다음과 같습니다(샘플 값은 괄호 안에 표시됨).

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모터에 부하(100%)

마력(100hp)

실행 시간(연간 8,000시간)

부하에 대한 공칭 불균형 시 효율성(94.4%) ⁴

실제 불균형 및 로딩 시 효율성(93%)

1마력은 0.746킬로와트로 변환됩니다.

제공된 샘플 값을 사용하여 시정 조치 후 연간 에너지 절약(AE)은 다음과 같습니다.

AE =100hp x 0.746kW/hp x 8,000hr/yr x (100 ÷ 93 – 100 ÷ 94.4) =9,517kWh

전기 비용이 kWh당 $0.05인 경우 연간 절감액(달러)은 다음과 같습니다.

AS$ =9,517kWh x $0.50/kWh =$476/년

산업 환경에서 많은 모터가 동일한 불균형 전원 공급 장치에서 전원을 공급받을 수 있습니다. 따라서 잠재적인 절감 효과는 단일 모터보다 훨씬 더 많으며 실제 절감액은 부하, 작동 시간, 마력 등에 따라 달라집니다.

마지막으로, 전원 공급 장치가 불균형할 때 모터가 더 뜨거워진다는 것을 기억하십시오. 전압 불균형의 약 2배(2 x % 전압 불균형). 예를 들어, 2% 전압 불균형에서 모터는 섭씨 8도의 온도 상승을 경험합니다. 작동 온도가 섭씨 10도 상승할 때마다 모터 권선 절연의 수명이 절반으로 줄어듭니다.

현재 불균형
전류 불균형은 3상 시스템의 각 레그에서 모터가 끌어오는 전류의 차이를 측정한 것입니다. 전류 불균형을 수정하면 모터 권선 절연의 과열 및 열화를 방지하는 데 도움이 됩니다. 각 다리의 무승부는 같거나 같아야 합니다. 전류 불평형의 한 가지 원인은 전압 불평형이며, 이는 전압 불평형 자체에 비례하지 않는 전류 불평형을 일으킬 수 있습니다. 전압 불평형이 없는 상태에서 전류 불평형이 발생하면 전류 불평형의 다른 원인(예:절연 불량 또는 위상 접지 단락)을 찾으십시오.

전류 불평형은 전압 불평형과 같은 방식으로 계산됩니다. 평균에서 최대 전류 변동을 3상 평균 전류로 나눈 값의 100배입니다. 따라서 측정된 전류가 30A, 35A, 30A라면 평균은 31.7A이고 전류 불균형은

[(35 – 31.7) x 100] ÷ 31.7 =10.4%

3상 모터의 전류 불균형은 10%를 초과해서는 안 됩니다.

전류 불균형을 측정하려면 숙련된 전기 기술자 또는 전력 전문가가 참여해야 합니다. 전압 불균형과 마찬가지로 전력 품질 분석기를 사용하여 모터 단자에서 정기적으로 수행해야 합니다. 전압과 전류의 불균형에 대한 두 가지 측정을 동일한 전력 품질 분석기로 동시에 수행하고 저장할 수 있습니다.

현재 불균형 수정에는 다음 전략 중 일부 또는 전체가 포함될 수 있습니다.

<울>

공급된 전원으로 인해 불균형이 발생한 경우 역률 보정 장치로 문제를 해결할 수 있습니다.

문제가 예를 들어 절연 결함이나 접지에 대한 위상 단락으로 인해 모터 자체에 있는 경우 옵션을 신중하게 고려하십시오. 모터를 수리(되감기)하는 것과 새 것으로 교체하는 것의 결정은 어렵습니다. DOE에 따르면 ⁴ … <울>

되감기는 거의 항상 모터의 효율성과 신뢰성을 감소시킵니다. 되감기 비용, 예상 되감기 손실, 새 모터 구매 가격(표준 및 에너지 효율적인 모델 모두에 대해), 모터 크기 및 원래 효율성, 부하 계수, 연간 작동 시간, 전기 가격, 유틸리티 리베이트 가용성 및 단순 회수와 같은 변수를 고려합니다. 기준.

대부분의 경우 다음과 같은 경우 새 모터를 구입하십시오.

1. 결함이 있는 모터는 40마력 미만이고 15년 이상 된 것입니다. 특히 이전에 되감기한 적이 있는 경우
2. 모터가 15마력 미만의 비특수 모터이거나
3. 되감기 비용이 새 모터 비용의 50% 이상입니다.

후자의 경우 효율성과 안정성이 향상되어 빠른 투자 수익을 얻을 수 있습니다.

잠재적 비용 절감 및 ROI: ROI는 에너지 절약과 장기적인 생산 절약(모터 고장 및 가동 중지 시간 방지)의 두 가지 형태를 취합니다. 가능한 유틸리티 리베이트도 적용됩니다.

특히 되감기가 선택된 솔루션인 경우 에너지 절감을 결정하기 어려울 수 있습니다. 최종 되감기 손실은 되감기 전까지 알 수 없습니다.

새 모터를 구입하기로 결정했다면 MotorMaster+ 소프트웨어를 사용하여 교체로 기대할 수 있는 연간 에너지 절감액(AS$)을 계산하십시오. 다음 정보가 필요합니다. ⁶

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모터 정격 마력(hp)

부하 계수(L =전체 부하의 백분율 ÷ 100)

연간 운영 시간(시간)

평균 에너지 비용(C =$/kWh)

기존 모터 효율(Estd, 백분율)

새 모터의 효율 등급(Eee, 백분율)

hp에서 kW로의 변환 계수(0.746)

이 정보를 감안할 때

AS$ =hp x L x 0.746 x hr x C x [(100 ÷ 예상) – (100 ÷ Eee)]

일반적으로 프리미엄 효율 모터는 표준 효율 모터보다 약 1% 더 효율적이며 에너지 절약은 일반적으로 18개월 미만의 투자 회수 기간으로 이어집니다. 기존 되감기 장치와 비교하여 새로운 프리미엄 효율 모터는 1% 이상 훨씬 더 효율적입니다.

역률
일부 유형의 장비 작동으로 인해 불량 역률이 발생하여 유틸리티에서 패널티 요금이 발생합니다. 모터를 포함한 모든 주요 회로 및 부하에 대한 역률을 평가합니다. 역률이 100% 또는 "1"에 가까울수록 더 좋습니다(유틸리티는 일반적으로 역률 95% 미만에 대해 벌금을 부과함). 역률을 높이면:

<울>

전기 요금 줄이기

전기 시스템 용량 증가

전압 강하 감소

역률(PF)은 모터 및 변압기와 같은 유도 부하(코일을 포함하는 부하)에 의해 발생합니다. 백분율 또는 숫자로 표시되며 100% 또는 1이 이상적입니다. 역률은 실제(작동) 전력(킬로와트 kW) 대 피상(총) 전력(킬로볼트-암페어 kVA)의 비율입니다. 피상 전력은 실제 전력과 무효 전력(킬로바 kVAR)의 조합입니다.

무효 전력이 증가하면 피상 전력이 증가하고 결과적으로 역률이 감소합니다. 따라서 무효 전력을 낮추면 역률이 증가하며 이는 일반적으로 좋은 현상입니다.

역률 측정은 전력 품질 분석기로 가장 잘 수행됩니다. 시작하기 전에 알아보세요:

<울>

저역률 또는 VAR에 대한 유틸리티 요금 청구 방식

유틸리티에서 말하는 월 평균 역률

수요 요금이 얼마인지

전력회사가 역률 또는 VAR:피크 간격 또는 평균을 어떻게 측정합니까?

목표는 지연 무효 전력을 유발하는 부하를 식별하고 역률 개선 전략을 개발하는 것입니다. ⁶

유틸리티가 데이터를 모니터링하고 개별 부하를 확인하는 서비스 입구에서 시작합니다. 전력 품질 분석기를 사용하면 특정 기록 기간 동안의 평균 역률을 찾을 수 있습니다.

다음 전략을 사용하여 역률을 수정하십시오.

<울>

공회전 또는 부하가 적은 모터의 사용을 줄이거나 줄입니다.

정격 전압 이상으로 모터를 작동하지 마십시오.

고장난 표준 모터를 에너지 효율적인 모델로 교체

영향을 받는 회로에 커패시터를 설치하여 무효 전력 감소

잠재적 비용 절감 및 ROI: 유틸리티 및 조사에서 얻은 정보를 사용하여 절감액을 계산하십시오. 유틸리티에서 역률이 0.97% 미만인 각 1%에 대해 1%의 수요 요금을 추가한다고 가정해 보겠습니다. 역률이 매월 평균 86%이면 작업은 97% 임계값보다 11%(97% - 86%) 낮은 것입니다. 수요 요금이 월 $7,000인 경우 역률 보정을 통해 피할 수 있는 연간 비용은 다음과 같습니다.

(11% x 월 $7,000) x 12개월 =$9,240

다음 단계
즉각적인 모터 효율 조사를 마무리하면서 장기 유지 관리 방식을 평가하고 변경 작업도 시작하십시오. 이러한 동일한 전압 및 전류 불균형 검사를 정기 검사에 포함시키십시오. 또한 장기적인 성능 향상을 위해 연결 및 접지, 설계 외 전압 및 절연 저항을 정기적으로 검사하는 것이 좋습니다.

이 기사는 Fluke Corporation에서 제공한 것입니다. 이 주제에 대해 자세히 알아보려면 www.fluke.com을 방문하십시오.

메모
¹ 팩트 시트:"모터 구동 시스템 최적화". 모터 챌린지 문서. 모터 챌린지는 미국 에너지부(DOE)의 프로그램입니다. 자세한 내용은 http://www1.eere.energy.gov/industry/bestpractices를 방문하십시오.

² 모터 시스템 팁 시트 #7(2005년 9월):"전압 불균형 제거", 에너지 팁 – 모터 시스템 DOE의 산업 기술 프로그램을 위해 작성된 문서입니다.

³ 실험실 외부에서 모터의 효율성을 결정하는 것은 어렵고 많은 노동력과 장비가 필요합니다. 또한 효율성의 ±1%는 계산된 비용 절감에 상당한 영향을 미칩니다. (모터 시스템 팁 시트 #2(2005년 9월) 참조:"현장에서 모터 효율 추정", 에너지 팁 – 모터 시스템 DOE의 산업 기술 프로그램을 위해 작성된 문서입니다.) 부하 비율을 알면 MotorMaster+ 4.0 소프트웨어는 사용 가능한 데이터를 기반으로 부하 효율을 자동으로 선택합니다.

⁴ 자료표:"모터 구동 시스템 최적화".

⁵ DOE의 팩트 시트에서:"에너지 효율적인 전기 모터 구매", 모터 챌린지 문서; 질문 5:"에너지 효율적인 모터는 언제 비용 효율적입니까?"

⁶ DOE의 팩트 시트:모터 챌린지인 "역률 비용 감소"를 참조하십시오. 문서.