Methoden om de efficiëntie van elektromotoren te optimaliseren

Uit algemeen gepubliceerde schattingen blijkt dat systemen die worden aangedreven door elektromotoren, meer dan de helft van de elektriciteit verbruiken die in de Verenigde Staten wordt geproduceerd en meer dan 70 procent van de elektriciteit die in veel industriële installaties wordt gebruikt. ¹ Nu de energie- en bedrijfskosten hoog zijn, is het logischer dan ooit om de motorefficiëntie te verhogen.

Veel faciliteiten vinden het zinvol om hun strategie voor motorefficiëntie op te delen in drie fasen:

• Algemene beoordeling
• Onmiddellijke verbeteringen
• Lange termijn

Dit artikel geeft een korte beschrijving van stap 1 en geeft details over stap 2. Een volgend artikel zal details geven over stap 3.

Methoden om de efficiëntie van elektromotoren te optimaliseren

Fase 1:Beoordeling
Dit is wat een motorische beoordeling inhoudt:

1. Onderzoek en documenteer hoeveel motoren, met welke leeftijd, pk's en classificaties, met welk bedieningsniveau in uw faciliteit aanwezig zijn.
2. Identificeer de hoogste en meest kritische belastingen.
3. Gebruik voor die sleuteleenheden een stroomlogger om hun energieverbruik (stroomverbruik) te evalueren.

Dit geeft u een algemene energieverbruikskaart voor motoren in uw instelling.

Fase 2:Onmiddellijke verbeteringen
Er zijn twee soorten directe verbeteringen die u kunt aanbrengen.

1. Wijzigingen in de eenheden en in de werking van de eenheid
2. Reparaties

Wijzigingen aan de eenheden kunnen zijn:het vervangen van sommige motoren door modellen met een hoger rendement of grotere afmetingen, het toevoegen van bedieningselementen aan andere voor de juiste uitvoer en het opnieuw plannen van welke motoren draaien in vergelijking met de vraag en de nutstarieven.

Gebruik een motorefficiëntiecalculator zoals MotorMaster+ van het U.S. Department of Energy om te bepalen of een van deze wijzigingen zinvol is in uw instelling. Het kan u helpen besparingen per motor en per efficiëntiestap te berekenen.

Anders zijn er drie inspectiepunten die u moet maken voor alle motoren die u operationeel wilt houden:

1. Spanningsonbalans
2. Huidig ​​onevenwicht
3. Vermogensfactor

Als tests problemen met een van deze drie variabelen laten zien, kan het corrigeren van die problemen onmiddellijke efficiëntieverbeteringen opleveren. Logischerwijs moet u deze tests ook opnemen in regelmatig onderhoud op de lange termijn om eventuele verbeteringen op korte termijn die u in dit stadium aanbrengt, vast te houden.

Spanningsonbalans
Spanningsonbalans is een maat voor spanningsverschillen tussen de fasen van een driefasensysteem. Voor optimale motorprestaties moeten de fasespanningen gelijk of bijna gelijk zijn. Naast het veroorzaken van slechte motorprestaties, verkort spanningsonbalans de levensduur van een motor.

Spanningsonbalans is 100 keer de maximale spanningsvariatie van het gemiddelde gedeeld door de gemiddelde spanning van de drie fasen. Deze berekening levert de onbalans in procenten op. Het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) geeft het volgende voorbeeld: ² Als de gemeten lijnspanningen 462 V, 463 V en 455 V zijn, is het gemiddelde 460 V. De spanningsonbalans is dus:

[(460 – 455) x 100] ÷ 460 =1,1%

Over het algemeen moet de spanningsonbalans minder dan 1 procent en nooit meer dan 5 procent zijn. Norm EN50160 vereist minder dan 2 procent spanningsonbalans op het punt van gemeenschappelijke koppeling. De specificaties van de National Electrical Manufacturers Association (NEMA) vereisen minder dan 5 procent voor motorbelastingen, maar raden aan dat de spanningsonbalans op de motorklemmen niet groter is dan 1 procent en dat de motoren worden afgesteld voor hogere percentages. ³

Het meten van spanningsonbalans moet regelmatig worden uitgevoerd op motorklemmen met behulp van een netvoedingskwaliteitsanalysator om te controleren of de spanningsonbalans lager is dan 5 procent. Bovendien kunnen bij regelmatige thermische inspecties hoogohmige verbindingen in de schakelapparatuur, scheidingsschakelaars of motoraansluitkasten aan het licht komen, waardoor spanningsonbalans kan ontstaan. Andere mogelijke bronnen van spanningsonbalans zijn onder meer defecte vermogensfactorcorrectie-apparaten, ongebalanceerde of inconsistente voedingsspanningen, ongebalanceerde transformatorbanken, ongelijk verdeelde enkelfasige belastingen, enkelfasige naar aardingsfouten of een open circuit op een primair distributiesysteem.

Correcties dienen te worden uitgevoerd door een ervaren elektricien of stroomspecialist. Begin met het controleren van de voedingsspanningen van de frequentieregelaar (als deze in het systeem wordt gebruikt). Controleer ook de nutsingangen naar de installatie en de transformatoruitgangen naar het systeem. Als bij deze "bronnen" gebalanceerde fasen worden gevonden, is de beste aanpak om bij de motor te beginnen en systematisch terug te werken naar de oorspronkelijke bron, de elektriciteitsvoorziening van het nutsbedrijf.

Potentiële besparingen en ROI: De beste manier om de totale besparing te berekenen, is door een softwaretool zoals MotorMaster+ te gebruiken. Hier is hoe de basisberekening werkt, als u het volgende weet (voorbeeldwaarden verschijnen tussen haakjes):

• Laden op de motor (100%)
• PK (100 pk)
• Looptijd (8.000 uur per jaar)
• Rendement bij nominale onbalans voor de belading (94,4%) ⁴
• Efficiëntie bij werkelijke onbalans en belasting (93%)
• Eén pk wordt omgezet in 0,746 kilowatt

Aan de hand van de verstrekte voorbeeldwaarden zou de jaarlijkse energiebesparing (AE's) na corrigerende maatregelen zijn:

AE's =100 pk x 0,746 kW/pk x 8.000 uur/jr x (100 ÷ 93 – 100 ÷ 94,4) =9.517 kWh

Als elektriciteit $ 0,05 per kWh kost, zal de jaarlijkse besparing in dollars (AS$) zijn:

AS$ =9.517 kWh x $ 0,50/kWh =$ 476/jaar

In industriële omgevingen kunnen veel motoren worden gevoed door dezelfde ongebalanceerde voeding. Daarom zullen de potentiële besparingen veel meer zijn dan voor een enkele motor, waarbij de werkelijke besparingen afhankelijk zijn van belasting, looptijden, pk's, enz.

Onthoud ten slotte dat motoren heter worden wanneer hun voedingen uit balans zijn; ongeveer twee keer het kwadraat van de spanningsonbalans (2 x % spanningsonbalans). Bij een spanningsonbalans van 2 procent zal een motor bijvoorbeeld een temperatuurstijging van 8 graden Celsius ervaren. Elke bedrijfstemperatuurstijging van 10 graden C halveert de levensduur van de isolatie van de motorwikkeling.

Huidige onbalans
Stroomonbalans is een maat voor het verschil in stroom die wordt getrokken door een motor op elke poot van een driefasensysteem. Het corrigeren van de huidige onbalans helpt oververhitting en de verslechtering van de isolatie van de motorwikkeling te voorkomen. De loting op elk been moet gelijk of bijna gelijk zijn. Een oorzaak van stroomonbalans is spanningsonbalans, die een stroomonbalans kan veroorzaken die ver buiten proportie is met de spanningsonbalans zelf. Als er stroomonbalans optreedt terwijl er geen spanningsonbalans is, zoek dan naar een andere oorzaak van de stroomonbalans (bijv. defecte isolatie of een kortgesloten fase naar aarde).

Stroomonbalans wordt op dezelfde manier berekend als spanningsonbalans. Het is 100 keer de maximale stroomvariatie van het gemiddelde gedeeld door de gemiddelde stroom van de drie fasen. Dus als de gemeten stroom 30 amp, 35 amp en 30 amp is, is het gemiddelde 31,7 ampère en is de huidige onbalans

[(35 – 31,7) x 100] ÷ 31,7 =10,4%

De huidige onbalans voor driefasenmotoren mag niet groter zijn dan 10 procent.

Bij het meten van stroomonbalans moet een ervaren elektricien of stroomspecialist worden ingeschakeld. Net als bij spanningsonbalans, moet dit regelmatig worden uitgevoerd op motorklemmen met behulp van een netvoedingskwaliteitsanalysator. De twee metingen voor onbalans – spanning en stroom – kunnen gelijktijdig worden uitgevoerd en opgeslagen met dezelfde power quality-analysator.

Het corrigeren van huidige onbalans kan een of alle van de volgende strategieën omvatten:

• Als de onbalans het gevolg is van het geleverde vermogen, kan een apparaat voor arbeidsfactorcorrectie het probleem oplossen.
• Als het probleem de motor zelf is, bijvoorbeeld door een defecte isolatie of een kortgesloten fase naar aarde, weeg dan zorgvuldig uw opties af. De beslissing om een ​​motor te repareren (opwinden) of deze te vervangen door een nieuwe is moeilijk. Volgens de DOE ⁴ …
  • Terugspoelen vermindert bijna altijd de efficiëntie en betrouwbaarheid van een motor. Houd rekening met variabelen als terugspoelkosten, verwachte terugspoelverliezen, aanschafprijs nieuwe motor (voor zowel standaard- als energiezuinige modellen), motorgrootte en oorspronkelijke efficiëntie, belastingsfactor, jaarlijkse bedrijfsuren, elektriciteitsprijs, beschikbaarheid van een energiekorting en eenvoudige terugverdientijd criteria.
• Koop in de meeste gevallen een nieuwe motor als:
  1. de defecte motor is minder dan 40 pk en meer dan 15 jaar oud, vooral als deze eerder is opgewonden,
  2. de motor een niet-speciale motor is van minder dan 15 pk, of
  3. de kosten voor het terugspoelen bedragen meer dan 50 procent van de kosten van een nieuwe motor.

In het laatste geval zouden verhoogde efficiëntie en betrouwbaarheid een snel rendement op de investering moeten opleveren.

Potentiële besparingen en ROI: ROI neemt twee vormen aan:energiebesparingen en productiebesparingen op de lange termijn (voorkomen van motorstoringen en uitvaltijd). Mogelijke kortingen op nutsvoorzieningen spelen ook een rol.

Energiebesparing kan moeilijk te bepalen zijn, vooral wanneer terugspoelen de gekozen oplossing is. Definitieve terugspoelverliezen zijn pas bekend na het terugspoelen.

Als u besluit een nieuwe motor te kopen, gebruik dan MotorMaster+-software om de jaarlijkse energiebesparing (AS$) te berekenen die u van de vervanging kunt verwachten. Je hebt de volgende informatie nodig: ⁶

• Motorvermogen (pk)
• Belastingsfactor (L =percentage van vollast ÷ 100)
• Jaarlijkse bedrijfsuren (uur)
• Gemiddelde energiekosten (C =$/kWh)
• Bestaande motorefficiëntie (Geest, als een percentage)
• Rendement van de nieuwe motor (Eee, als een percentage)
• De conversiefactor van pk naar kW (0,746)

Gezien deze informatie,

AS$ =pk x L x 0,746 x uur x C x [(100 ÷ Estd) – (100 ÷ Eee)]

Over het algemeen zijn motoren met premium efficiëntie ongeveer 1 procent efficiënter dan motoren met standaard efficiëntie, en de energiebesparingen zullen doorgaans resulteren in een terugverdientijd van minder dan 18 maanden. Vergeleken met een bestaande teruggewikkelde unit, zal een nieuwe premium efficiency-motor aanzienlijk meer dan 1 procent efficiënter zijn.

Vermogensfactor
Een slechte arbeidsfactor wordt gegenereerd door sommige soorten apparatuur en resulteert in boetes van het nutsbedrijf. Evalueer de arbeidsfactor op alle belangrijke circuits en belastingen, inclusief motoren. Hoe dichter uw arbeidsfactor bij 100 procent of "1" ligt, hoe beter (nutsbedrijven rekenen gewoonlijk een boete voor een arbeidsfactor van minder dan 95 procent). Het verhogen van uw arbeidsfactor zal:

• Verlaag uw elektriciteitsrekening
• Verhoog de capaciteit van het elektrische systeem
• Spanningsverlies verminderen

Vermogensfactor (PF) wordt veroorzaakt door inductieve belastingen (belastingen met spoelen) zoals motoren en transformatoren. Het wordt uitgedrukt als een percentage of een getal, waarbij 100 procent of 1 ideaal is. De arbeidsfactor is de verhouding tussen het werkelijke (werk)vermogen (kilowatt kW) en het schijnbaar (totale) vermogen (kilovolt-ampère kVA). Schijnbaar vermogen is een combinatie van echt vermogen en reactief vermogen (kilovars kVAR).

Een toename van het reactief vermogen zorgt ervoor dat het schijnbare vermogen toeneemt en bijgevolg de arbeidsfactor afneemt. Dus het verminderen van het reactieve vermogen zal de arbeidsfactor verhogen, en dat is over het algemeen een goede zaak.

Het meten van de arbeidsfactor kan het beste worden gedaan met een power quality analyzer. Ontdek voordat u begint:

• Hoe uw nutsbedrijf wordt opgeladen voor een lage arbeidsfactor of VAR's
• Wat het hulpprogramma zegt dat uw arbeidsfactor gemiddeld per maand is
• Wat uw vraagkosten zijn
• Hoe het hulpprogramma de arbeidsfactor of VAR's meet:piekintervallen of gemiddelden?

Het doel is om belastingen te identificeren die een achterblijvend reactief vermogen veroorzaken en een strategie te ontwikkelen om de arbeidsfactor te verbeteren. ⁶

Begin bij de service-ingang, waar het hulpprogramma zijn gegevens controleert, en controleer individuele belastingen. Met de power-kwaliteitsanalysator kunt u de gemiddelde vermogensfactor vinden over een specifieke opnameperiode.

Corrigeer de arbeidsfactor met behulp van de volgende strategieën:

• Beperk of verminder het gebruik van stationair draaiende of licht belaste motoren
• Vermijd het gebruik van motoren boven hun nominale spanning
• Vervang defecte standaardmotoren door energiezuinige modellen
• Installeer condensatoren in de betreffende circuit(s) om het reactieve vermogen te verminderen

Potentiële besparingen en ROI: Gebruik de informatie van het hulpprogramma en van uw onderzoek om uw besparingen te berekenen. Laten we aannemen dat uw nutsbedrijf een vraagprijs van 1 procent toevoegt voor elke 1 procent dat uw arbeidsfactor lager is dan 0,97 procent. Als uw arbeidsfactor elke maand gemiddeld 86 procent is, ligt uw bedrijf 11 procent (97 procent minus 86 procent) onder de drempel van 97 procent. Als uw vraagkosten $ 7.000 per maand bedragen, zijn uw vermijdbare jaarlijkse kosten via vermogensfactorcorrectie gelijk aan:

(11% x $7.000 per maand) x 12 maanden =$9.240

Volgende stappen
Terwijl u uw onmiddellijke onderzoek naar motorefficiëntie afrondt, evalueert u uw langetermijnonderhoudspraktijken en begint u ook daar wijzigingen aan te brengen. Neem dezelfde spannings- en stroomonbalanscontroles op bij regelmatige inspecties. Overweeg ook om regelmatig verbindingen en aardingen, afwijkende spanning en isolatieweerstand te inspecteren voor extra prestatieverbeteringen op de lange termijn.

Dit artikel is afkomstig van Fluke Corporation. Ga voor meer informatie over dit onderwerp naar www.fluke.com.

Opmerkingen
¹ Factsheet:“Uw motoraangedreven systeem optimaliseren”. een motorische uitdaging document. Motor Challenge is een programma van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE). Ga voor meer informatie naar http://www1.eere.energy.gov/industry/bestpractices.

² Motor Systems Tip Sheet #7 (sept. 2005):"Eliminating Voltage Unbalance", een Energy Tips - Motor Systems document geschreven voor DOE's Industrial Technologies Program.

³ Het bepalen van de efficiëntie van een motor buiten het laboratorium is moeilijk en brengt veel arbeid en apparatuur met zich mee. Bovendien zal een efficiëntie van ±1% een aanzienlijke invloed hebben op de berekende besparingen in dollars. (Zie Motor Systems Tip Sheet #2 (september 2005):“Estimating Motor Efficiency in the Field”, een Energy Tips – Motor Systems document geschreven voor DOE's Industrial Technologies-programma.) Wanneer het belastingspercentage bekend is, kiest MotorMaster+ 4.0-software automatisch de efficiëntie tijdens het laden op basis van beschikbare gegevens.

⁴ Factsheet:"Uw motoraangedreven systeem optimaliseren".

⁵ Uit het factsheet van DOE:"Een energie-efficiënte elektrische motor kopen", een document over de motoruitdaging; Vraag 5:“Wanneer is een energiezuinige motor rendabel?”

⁶ Zie de factsheet van DOE:"Reducing Power Factor Cost", een motorische uitdaging document.