Russian

Эффективность и надежность электродвигателя: Новый подход к контролю соответствует реальным условиям работы

Электродвигатели являются важнейшим элементом многих промышленных процессов, они потребляют до 70 % от общего количества энергии на промышленном предприятии и до 46 % от общего количества производимого электричества в мире. Учитывая то, насколько большую роль электродвигатели играют в промышленных процессах, стоимость простоев, связанных с их неисправностью, может измеряться десятками тысяч долларов в час. Обеспечение эффективной и надежной работы электродвигателей — это одна из наиболее важных задач, которую ежедневно решают технические специалисты и инженеры по обслуживанию.

Эффективность и надежность анализатора работы электродвигателей

Эффективное использование электричества — это не просто «полезно». Во многих ситуациях от энергоэффективности зависит, прибыльной или убыточной является компания. Поскольку электродвигатели потребляют на промышленных объектах столь значительное количество энергии, эффективность их использования стала основным фактором, от которого зависит экономия и поддержание прибыльности. Кроме того, из-за желания обеспечить экономию посредством увеличения эффективности и снизить зависимость от природных ресурсов многие компании начинают следовать промышленным стандартам, таким как ИСО 50001. Стандарт ИСО 50001 устанавливает основные положения и требования для организации, внедрения и поддержания системы управления энергопотреблением, призванной обеспечить постоянную экономию.

Традиционные методы проверки электродвигателей

Традиционный метод проверки производительности и КПД электродвигателей тщательно разработан, но его организация может быть связана с большими расходами, а реализация в рамках рабочих процессов трудноосуществима. Часто для проверки производительности электродвигателя требуется даже полное отключение системы, что может привести к дорогостоящему простою. Чтобы определить КПД электродвигателя, необходимо измерить широкий диапазон динамических рабочих параметров — как для входной электрической мощности, так и для выходной механической мощности. Для измерения характеристик производительности электродвигателя традиционным методом сначала техническим специалистам необходимо установить электродвигатель на испытательный стенд. Испытательный стенд представляет собой проверяемый электродвигатель, закрепленный на генераторе или на динамометре.

Традиционный испытательный стенд для проверки электродвигателей

Затем с помощью вала проверяемый электродвигатель соединяют с нагрузкой. На валу закреплен датчик скорости (тахометр), а также комплект датчиков крутящего момента, которые предоставляют данные, позволяющие рассчитывать механическую мощность. Система предоставляет различные данные, включая данные о скорости, крутящем моменте и механической мощности. Некоторые системы также позволяют измерять электрическую мощность, благодаря чему можно рассчитать КПД.

КПД вычисляется по формуле:

ɳ(КПД) = 

Механическая мощность
 Электрическая мощность

Установленные датчики крутящего момента

Во время проверки нагрузка изменяется, что позволяет определять КПД для различных режимов работы. Система испытательного стенда может показаться достаточно простой, однако с ее использованием связано несколько характерных недостатков:

  1. Электродвигатель необходимо снять с места использования.
  2. Значения нагрузки электродвигателя не являются по-настоящему репрезентативными, поскольку не характеризуют производительность электродвигателя во время реальной работы.
  3. Во время проведения проверки работу необходимо приостановить (что создает простой), либо необходимо временно установить сменный электродвигатель.
  4. Датчики крутящего момента отличаются высокой стоимостью и ограниченным рабочим диапазоном, поэтому для проверки различных электродвигателей может потребоваться несколько датчиков.
  5. Испытательный стенд, на котором можно проверять широкий диапазон электродвигателей, имеет высокую стоимость. Такие испытательные стенды обычно используются специалистами по ремонту электродвигателей или исследовательскими организациями.
  6. Не учитываются «реальные» рабочие условия.
Традиционная проверка крутящего момента электродвигателя

Параметры электродвигателей

Электродвигатели могут предназначаться для различных областей применения с различными нагрузками, поэтому характеристики каждого электродвигателя отличаются. Классификация характеристик осуществляется в соответствии со стандартами Национальной ассоциации производителей электрооборудования (NEMA) или Международной электротехнической комиссии (МЭК). От этих характеристик напрямую зависит работа и КПД электродвигателя. На каждом электродвигателе закреплена паспортная табличка, на которой указаны основные рабочие параметры и информация о КПД электродвигателя в соответствии с рекомендациями NEMA или МЭК. Указанные на паспортной табличке данные можно сравнивать с реальными характеристиками режима использования. Например, сравнивая эти значения, можно узнать, что электродвигатель превышает ожидаемые характеристики скорости или крутящего момента, что может привести к сокращению срока службы электродвигателя или к преждевременному выходу из строя. Негативно сказаться на характеристиках производительности электродвигателя могут также такие явления, как асимметрия напряжения или тока, а также гармоники, связанные с плохим качеством электроэнергии. При существовании какого-либо из этих условий необходимо снизить номинал электродвигателя (то есть ожидаемая производительность электродвигателя должна быть снижена), что может привести к нарушению выполняемых процессов, если не будет производиться достаточное количество механической мощности. Снижение номинала рассчитывается по стандарту NEMA в соответствии с данными, указанными для данного типа электродвигателя. Стандарты NEMA и МЭК некоторым образом отличаются друг от друга, но в целом они придерживаются одинаковых положений.

«Реальные» рабочие условия

При выполнении проверки электродвигателей на стенде электродвигатель обычно работает в самых лучших условиях. Однако во время реальной работы самые лучшие условия, как правило, не удается обеспечить. Непостоянство рабочих условий приводит к снижению производительности электродвигателя. Например, на промышленном предприятии могут быть нагрузки, оказывающие непосредственное влияние на качество электроэнергии и вызывающие асимметрию в системе или потенциально вызывающие гармоники. Каждое из этих условий может серьезно повлиять на производительность электродвигателя. Кроме того, нагрузка, приводимая в движение электродвигателем, может быть неоптимальной или может не соответствовать изначальному предназначению электродвигателя. Нагрузка может быть слишком большой для данного электродвигателя, или возможна перегрузка вследствие плохого управления процессами. Движению электродвигателя может также препятствовать чрезмерное трение, вызванное наличием какого-либо постороннего предмета, блокирующего работу насоса или рабочего колеса вентилятора. Обнаружение этих аномалий может быть затруднено и может потребовать много времени, вследствие чего эффективный поиск неисправностей будет проблематичным.

Новый подход

Анализатор качества электроэнергии и работы электродвигателей Fluke 438-II обеспечивает модернизированный и экономичный способ проверки КПД электродвигателя, при этом отсутствует необходимость в установке внешних механических датчиков и в дорогостоящих простоях. Прибор Fluke 438-II, созданный на основе анализаторов качества электроэнергии Fluke серии 430-II, оснащен полным набором функций для анализа качества электроэнергии, а также для измерения механических параметров на электродвигателях прямого пуска. 438-II использует данные, указанные на паспортной табличке электродвигателя (NEMA или МЭК) вместе с данными измерений трехфазного питания, чтобы в режиме реального времени рассчитывать параметры производительности электродвигателя, включая скорость, крутящий момент, механическую мощность и КПД, при этом использование дополнительных датчиков крутящего момента и частоты вращения не требуется. Кроме того, 438-II непосредственно вычисляет коэффициент снижения мощности электродвигателя в режиме работы.

Чтобы прибор Fluke 438-II выполнил эти измерения, технический специалист или инженер должен ввести следующие данные: номинальную мощность в кВт или л. с., номинальное напряжение и силу тока, номинальную частоту, номинальный cos φ или коэффициент мощности, номинальный сервис-фактор, а также тип электродвигателя в соответствии с классификацией NEMA или МЭК.

Результаты проверки крутящего момента двигателя

Принцип работы

Fluke 438-II выполняет механические измерения параметров (скорости вращения электродвигателя, нагрузки, крутящего момента и КПД), применяя уникальные алгоритмы к электрическим сигналам. Эти алгоритмы основаны на сочетании физических и управляемых данными моделей асинхронного электродвигателя. При этом не требуются предварительные проверки, которые обычно нужны для измерения параметров электродвигателя (например, сопротивление статора). Скорость электродвигателя можно рассчитать на основе гармоник пазов ротора, присутствующих в сигналах тока. Крутящий момент вала электродвигателя можно связать со значениями напряжения, силы тока и скольжения асинхронного электродвигателя, используя хорошо известные, но сложные физические формулы. Электрическая мощность измеряется с использованием входных сигналов силы тока и напряжения. При получении расчетного значения крутящего момента и скорости, механическая мощность (или нагрузка) вычисляется на основе крутящего момента, умноженного на частоту вращения. КПД электродвигателя вычисляется путем деления рассчитанной механической мощности на измеренную электрическую мощность. Компания Fluke провела обширные испытания на электродвигателях, приводящих в движение динамометры. Были измерены значения фактической электрической мощности, крутящего момента вала электродвигателя, а также скорости электродвигателя. Эти значения сравнивались со значениями, полученными с прибора 438-II для определения погрешности.

Сводный обзор

Традиционные методы проверки производительности и КПД электродвигателей тщательно разработаны, однако это не означает, что они широко используются. В значительной степени это объясняется тем, что отключение электродвигателей, а иногда и целых систем, для выполнения проверок приводит к простою производства, а это связано с большими расходами. Прибор Fluke 438-II предоставляет чрезвычайно полезную информацию, которую до этого было крайне сложно и дорого получить. Кроме того, наличие на приборе Fluke 438-II передовых функций по анализу качества электроэнергии позволяет измерять качество электроэнергии непосредственно во время работы системы. Выполнение важных измерений для определения КПД электродвигателя стало проще, поскольку использование отдельных внешних датчиков крутящего момента и скорости не требуется, благодаря чему можно анализировать производительность самых распространенных промышленных процессов, использующих электродвигатель, не прерывая их выполнения. Это позволяет техническим специалистам сокращать время простоя и отслеживать тенденции производительности электродвигателя во времени, благодаря чему можно получить более полную картину общего состояния системы и ее производительности. Отслеживание тенденций производительности позволяет увидеть изменения, которые могут указывать на приближающийся отказ электродвигателя. Благодаря этой информации можно выполнить замену до того, как электродвигатель выйдет из строя.