Методы оптимизации КПД электродвигателя

Широко опубликованные оценки показывают, что системы, приводимые в действие электродвигателями, потребляют более половины электроэнергии, производимой в Соединенных Штатах, и более 70 процентов электроэнергии, используемой на многих промышленных предприятиях. ¹ Теперь, когда затраты на электроэнергию и эксплуатационные расходы высоки, имеет смысл как никогда ранее повышать эффективность двигателей.

Многие предприятия считают целесообразным разделить свою стратегию повышения эффективности двигателей на три этапа:

• Общая оценка
• Немедленные улучшения
• Долгосрочные

В этой статье кратко описывается Шаг 1 и подробно рассказывается о Шаге 2. В следующей статье будет подробно рассказано о Шаге 3.

Методы повышения эффективности электродвигателя

Этап 1. Оценка
Вот что включает в себя оценка моторики:

1. Изучите и задокументируйте, сколько двигателей, какого возраста, мощности и мощности, с каким уровнем контроля установлено на вашем предприятии.
2. Определите самые высокие и самые критические нагрузки.
3. Для этих ключевых устройств используйте регистратор мощности, чтобы оценить их энергопотребление (потребляемую мощность).

Это даст вам общую карту энергопотребления для двигателей на вашем предприятии.

Этап 2. Немедленные улучшения
Есть два вида немедленных улучшений, которые вы можете внести.

1. Изменения в агрегатах и ​​работе агрегата
2. Ремонт

Изменения в агрегатах могут включать в себя замену одних двигателей на модели с более высоким КПД или большего размера, добавление элементов управления для других для выпуска продукции нужного размера и изменение графика работы двигателей по сравнению со спросом и тарифами на коммунальные услуги.

Чтобы определить, имеют ли смысл какие-либо из этих изменений на вашем предприятии, используйте калькулятор КПД двигателя, например MotorMaster + от Министерства энергетики США. Он может помочь вам рассчитать экономию на каждый двигатель и на ступень эффективности.

В противном случае есть три точки проверки, которые вы должны выполнить для всех двигателей, которые вы собираетесь поддерживать в рабочем состоянии:

1. Несимметрия напряжения
2. Текущий дисбаланс
3. Коэффициент мощности

Если тесты показывают проблемы с любой из этих трех переменных, исправление этих проблем может привести к немедленному повышению эффективности. По логике вещей, вы также должны включить эти тесты в долгосрочное регулярное обслуживание, чтобы поддерживать любые краткосрочные улучшения, которые вы делаете на этом этапе.

Несимметрия напряжений
Несимметрия напряжений - это мера разницы напряжений между фазами трехфазной системы. Для оптимальной работы двигателя фазные напряжения должны быть равными или очень близкими к равным. Несимметрия напряжения не только снижает производительность двигателя, но и сокращает срок его службы.

Несимметрия напряжения в 100 раз больше максимального отклонения напряжения от среднего, деленного на среднее напряжение трех фаз. Этот расчет дает дисбаланс в процентах. Министерство энергетики США (DOE) представляет следующий пример: ² Если измеренные линейные напряжения составляют 462 В, 463 В и 455 В, среднее значение составляет 460 В. Таким образом, несимметрия напряжений составляет:

[(460–455) x 100] ÷ 460 =1,1%

В целом, несимметрия напряжения должна быть менее 1 процента и никогда не должна превышать 5 процентов. Стандарт EN50160 требует менее 2% несимметрии напряжения в точке общего соединения. Согласно спецификациям Национальной ассоциации производителей электрооборудования (NEMA) нагрузка двигателя должна составлять менее 5 процентов, но рекомендуется, чтобы дисбаланс напряжения на клеммах двигателя не превышал 1 процента, а номинальные параметры двигателей были снижены на более высокие проценты. ³

Измерение несимметрии напряжения следует регулярно выполнять на клеммах двигателя с помощью анализатора качества электроэнергии, чтобы убедиться, что несимметрия напряжения составляет менее 5 процентов. Кроме того, регулярные тепловые осмотры могут выявить соединения с высоким сопротивлением в распределительном устройстве, разъединителях или соединительных коробках двигателя, что может вызвать дисбаланс напряжения. Другие возможные источники несимметрии напряжения включают неисправные устройства коррекции коэффициента мощности, несимметричные или несогласованные напряжения питания, несимметричные блоки трансформаторов, неравномерно распределенные однофазные нагрузки, однофазные замыкания на землю или обрыв цепи в первичной цепи распределительной системы.>

Исправления должен проводить опытный электрик или энергетик. Начните с проверки напряжения питания от преобразователя частоты (если он используется в системе). Также проверьте вводы электросети на установку и выводы трансформатора в систему. Если у этих «источников» обнаружены сбалансированные фазы, то лучший подход - начать с двигателя и систематически возвращаться к исходному источнику, электроснабжению от электросети.

Возможная экономия и рентабельность инвестиций: Лучший способ подсчитать общую экономию - использовать программный инструмент, например MotorMaster +. Вот как работают основные вычисления, если вам известно следующее (примерные значения указаны в скобках):

• Нагрузка на двигатель (100%)
• Мощность (100 л.с.)
• Время работы (8 000 часов в год)
• КПД при номинальном дисбалансе для нагрузки (94,4%) ⁴
• КПД при фактическом дисбалансе и нагрузке (93%)
• Одна лошадиная сила превращается в 0,746 киловатта.

Используя предоставленные примерные значения, годовая экономия энергии (AE) после корректирующих действий будет:

AEs =100 л.с. x 0,746 кВт / л.с. x 8000 часов / год x (100 ÷ 93 - 100 ÷ 94,4) =9 517 кВтч

Если электроэнергия стоит 0,05 доллара за кВтч, годовая экономия в долларах (австралийских долларах) составит:

AS $ =9 517 кВтч x 0,50 доллара США / кВтч =476 долларов США в год

В промышленных условиях многие двигатели могут питаться от одного и того же несимметричного источника питания. Следовательно, потенциальная экономия будет намного больше, чем для одного двигателя, при этом фактическая экономия будет зависеть от нагрузки, времени работы, мощности и т. Д.

Наконец, помните, что двигатели нагреваются сильнее, когда их источники питания не сбалансированы; примерно в два раза больше квадрата несимметрии напряжений (несимметрия напряжений 2 x%). Например, при 2-процентном дисбалансе напряжения двигатель будет испытывать повышение температуры на 8 градусов Цельсия. Каждое повышение рабочей температуры на 10 градусов сокращает срок службы изоляции обмотки двигателя вдвое.

Текущий дисбаланс
Несимметрия тока - это мера разницы в токе, потребляемом двигателем на каждой ветви трехфазной системы. Коррекция несимметрии тока помогает предотвратить перегрев и повреждение изоляции обмотки двигателя. Ничья на каждой ноге должна быть равной или близкой к равной. Одной из причин несимметрии тока является несимметрия напряжений, которая может вызвать несимметрию тока, намного превышающую саму несимметрию напряжения. Когда несимметрия токов происходит при отсутствии дисбаланса напряжений, ищите другую причину несимметрии токов (например, неисправная изоляция или замыкание фазы на землю).

Несимметрия тока рассчитывается так же, как несимметрия напряжения. Это в 100 раз больше максимального отклонения тока от среднего, деленного на средний ток трех фаз. Итак, если измеренный ток составляет 30 ампер, 35 ампер и 30 ампер, среднее значение составляет 31,7 ампер, а дисбаланс тока равен

[(35–31,7) x 100] ÷ 31,7 =10,4%

Несимметрия по току для трехфазных двигателей не должна превышать 10 процентов.

К измерению несимметрии тока должен подключаться опытный электрик или энергетик. Как и в случае несимметрии напряжения, его следует регулярно выполнять на клеммах двигателя с помощью анализатора качества электроэнергии. Два измерения дисбаланса - напряжения и тока - можно выполнять и сохранять одновременно с помощью одного и того же анализатора качества электроэнергии.

Исправление текущего дисбаланса может включать любую или все следующие стратегии:

• Если дисбаланс является результатом подаваемой мощности, устройство коррекции коэффициента мощности может решить проблему.
• Если проблема заключается в самом двигателе, например, из-за неисправной изоляции или замыкания фазы на массу, тщательно взвесьте свои варианты. Решение отремонтировать (перемотать) мотор вместо замены на новый сложно. Согласно DOE ⁴ …
  • Перемотка почти всегда снижает эффективность и надежность двигателя. Учитывайте такие переменные, как стоимость перемотки, ожидаемые потери при перемотке, закупочная цена нового двигателя (как для стандартных, так и для энергоэффективных моделей), размер двигателя и первоначальный КПД, коэффициент нагрузки, годовые часы работы, цена на электроэнергию, наличие скидки для коммунальных предприятий и простая окупаемость. критерии.
• В большинстве случаев покупайте новый двигатель, если:
  1. неисправный двигатель мощностью менее 40 лошадиных сил и возрастом более 15 лет, особенно если он был предварительно перемотан,
  2. это не специализированный двигатель мощностью менее 15 лошадиных сил, или
  3. стоимость перемотки составляет более 50% стоимости нового двигателя.

В последнем случае повышение эффективности и надежности должно обеспечить быструю окупаемость инвестиций.

Возможная экономия и рентабельность инвестиций: Окупаемость инвестиций принимает две формы - экономию энергии и долгосрочную экономию производства (предотвращение поломки двигателя и простоя). Возможные скидки на коммунальные услуги также имеют значение.

Экономию энергии бывает сложно определить, особенно если выбрано перемотка. Окончательные потери при перемотке неизвестны до момента перемотки.

Если вы решили купить новый двигатель, используйте программное обеспечение MotorMaster + для расчета годовой экономии энергии (AS $), которую вы можете ожидать от замены. Вам понадобится следующая информация: ⁶

• Номинальная мощность двигателя (л.с.)
• Коэффициент нагрузки (L =процент полной нагрузки ÷ 100)
• Часы работы в год (часы)
• Средние затраты на электроэнергию (C =$ / кВтч)
• Существующий КПД двигателя (Estd, в процентах)
• Рейтинг эффективности нового двигателя (Eee, в процентах)
• Коэффициент перевода л.с. в кВт (0,746).

Учитывая эту информацию,

AS $ =hp x L x 0,746 x час x C x [(100 ÷ Estd) - (100 ÷ Eee)]

Как правило, электродвигатели с повышенным КПД примерно на 1% эффективнее электродвигателей со стандартным КПД, а экономия энергии обычно приводит к окупаемости менее 18 месяцев. По сравнению с существующим агрегатом с перемоткой новый двигатель с повышенным КПД будет эффективнее более чем на 1 процент.

Коэффициент мощности
Плохой коэффициент мощности возникает из-за работы некоторых типов оборудования и приводит к штрафам со стороны коммунального предприятия. Оцените коэффициент мощности всех основных цепей и нагрузок, включая двигатели. Чем ближе ваш коэффициент мощности к 100 процентам или «1», тем лучше (коммунальные предприятия обычно взимают штраф за коэффициент мощности менее 95 процентов). Увеличение коэффициента мощности приведет к:

• Уменьшите счет за электричество.
• Увеличьте мощность электрической системы.
• Уменьшить падение напряжения

Коэффициент мощности (PF) вызывается индуктивными нагрузками (нагрузками с катушками), такими как двигатели и трансформаторы. Он выражается в процентах или числе, где 100 процентов или 1 являются идеальными. Коэффициент мощности - это отношение реальной (рабочей) мощности (киловатт кВт) к полной (полной) мощности (киловольт-ампер кВА). Полная мощность - это комбинация активной и реактивной мощности (киловар кВАр).

Увеличение реактивной мощности вызывает увеличение кажущейся мощности и, как следствие, уменьшение коэффициента мощности. Таким образом, уменьшение реактивной мощности приведет к увеличению коэффициента мощности, и в целом это хорошо.

Коэффициент мощности лучше всего измерять с помощью анализатора качества электроэнергии. Перед тем как начать, узнайте:

• Как ваша коммунальная компания взимает плату за низкий коэффициент мощности или переменные мощности.
• По данным коммунального предприятия, ваш средний коэффициент мощности за месяц.
• Какова ваша плата за спрос.
• Как коммунальное предприятие измеряет коэффициент мощности или VAR:интервалы пиковых значений или средние значения?

Цель состоит в том, чтобы определить нагрузки, которые вызывают отставание реактивной мощности, и разработать стратегию повышения коэффициента мощности. ⁶

Начните со служебного входа, где коммунальное предприятие отслеживает свои данные, и проверяйте отдельные нагрузки. Анализатор качества электроэнергии позволит вам найти средний коэффициент мощности за определенный период записи.

Скорректируйте коэффициент мощности, используя следующие стратегии:

• Сократить или сократить использование двигателей на холостом ходу или с малой нагрузкой.
• Не эксплуатируйте двигатели с напряжением выше их номинального.
• Замените вышедшие из строя стандартные двигатели энергосберегающими моделями.
• Установите конденсаторы в затронутых цепях, чтобы снизить реактивную мощность.

Возможная экономия и рентабельность инвестиций: Используйте информацию от утилиты и из вашего расследования, чтобы рассчитать свою экономию. Предположим, ваша коммунальная компания добавляет 1 процент платы за потребление на каждый 1 процент, когда ваш коэффициент мощности ниже 0,97 процента. Если ваш коэффициент мощности составляет в среднем 86 процентов каждый месяц, то ваша работа на 11 процентов (97 процентов минус 86 процентов) ниже порогового значения 97 процентов. Если ваша плата за потребление составляет 7000 долларов в месяц, то ваши ежегодные затраты, которых можно избежать с помощью коррекции коэффициента мощности, равны:

(11% x 7 000 долларов США в месяц) x 12 месяцев =9240 долларов США

Дальнейшие действия
По мере того, как вы завершаете свое непосредственное исследование эффективности двигателя, оцените свои методы долгосрочного технического обслуживания и тоже начните вносить в них изменения. Включайте те же проверки несимметрии напряжения и тока в регулярные проверки. Также рассмотрите возможность регулярной проверки соединений и заземления, нестандартного напряжения и сопротивления изоляции для дополнительных долгосрочных улучшений производительности.

Эта статья любезно предоставлена ​​Fluke Corporation. Чтобы узнать больше по этому поводу, посетите www.fluke.com.

Примечания
¹ Информационный бюллетень:«Оптимизация вашей системы с приводом от двигателя». Motor Challenge документ. Motor Challenge - это программа Министерства энергетики США. Для получения дополнительной информации посетите http://www1.eere.energy.gov/industry/bestpractices.

² Совет по системам двигателей № 7 (сентябрь 2005 г.):«Устранение несимметрии напряжений» и Советы по использованию энергии - Системы двигателей документ, написанный для Программы промышленных технологий Министерства энергетики США.

³ Определение эффективности двигателя вне лаборатории затруднительно и требует значительных затрат труда и оборудования. Кроме того, эффективность ± 1% существенно повлияет на расчетную экономию в долларах. (См. Памятку № 2 по системам двигателей (сентябрь 2005 г.):«Оценка эффективности двигателей в полевых условиях» и Советы по использованию энергии - Системы двигателей документ, написанный для Программы промышленных технологий Министерства энергетики США.) Когда процент загрузки известен, программное обеспечение MotorMaster + 4.0 автоматически выбирает коэффициент полезного действия при загрузке на основе имеющихся данных.

⁴ Информационный бюллетень:«Оптимизация вашей системы с приводом от двигателя».

⁵ Из информационного бюллетеня Министерства энергетики США:«Покупка энергоэффективного электродвигателя», документ Motor Challenge; Вопрос 5:«Когда энергоэффективный двигатель рентабелен?»

⁶ См. Информационный бюллетень DOE:«Снижение затрат на коэффициент мощности», Motor Challenge документ.