Effektivitet och tillförlitlighet för elmotorer: Ny testmetod överensstämmer med verkliga förhållanden

01-21-2019 | Elkvalitet

Elmotorer är viktiga komponenter i många industriella processer och kan svara för upp till 70 % av den totala energiförbrukningen för en industrifastighet, och förbrukar upp till 46 % av all producerad elektricitet över hela världen. På grund av den kritiska roll elmotorer spelar i industriella processer kan kostnaden för driftstopp som beror på motorfel uppgå till tiotusentals kronor per timme. Att se till att motorer är effektiva och driftsäkra är en av de viktigaste uppgifterna som underhållstekniker och ingenjörer hanterar dagligen.

Motoranalysator effektivitet tillförlitlighet

Effektiv användning av elektricitet är inte bara en något som är ”bra att ha”. I många sammanhang kan energieffektivitet betyda skillnaden mellan lönsamhet och ekonomiska förluster. Och eftersom motorer förbrukar en så stor del av energin inom industrin har de blivit den främsta måltavlan för att uppnå besparingar och upprätthålla lönsamhet. Dessutom driver viljan att identifiera besparingar genom förbättrad effektivitet och minskat beroende av naturresurser många företag att införa industristandarder såsom ISO 50001. Standarden ISO 50001 ger ramar och krav för att upprätta, implementera och underhålla ett energihanteringssystem för att leverera hållbara besparingar.

Traditionella metoder för motortest

Det traditionella sättet att mäta elmotorers prestanda och effektivitet är väldefinierad, men processen kan bli kostsam att konfigurera och svår att tillämpa i arbetsprocesser. Faktum är att kontroller av motorprestanda i många fall kräver en total avstängning av systemet vilket kan resultera i dyra driftstopp. För att mäta en elmotors effektivitet måste både den elektriska ineffekten och den mekaniska uteffekten fastställas under ett stort antal olika dynamiska driftförhållanden. Den traditionella metoden att mäta motorprestanda kräver först att tekniker installerar motorn i en motorprovbänk. Provbänken består av motorn som testas monterad på antingen en generator eller en dynamometer.

Traditionell provbänk för motortest

Motorn som testas ansluts sedan till laster via en axel. På axeln har en hastighetsgivare (varvräknare) och en uppsättning sensorer för vridmoment monterats som tillhandahåller data som gör att den mekaniska effekten kan beräknas. Det här systemet tillhandahåller information inklusive varvtal, vridmoment och mekanisk effekt. Vissa system inkluderar också möjlighet till elektrisk effektmätning så att effektiviteten kan beräknas.

Effektivitet beräknas så här:

ɳ(effektivitet) = 

Mekanisk effekt
 Elektrisk effekt

Anslutna vridmomentsensorer

Lasten varieras under testningen för att fastställa effektiviteten i olika driftlägen. Provbänksystemet kan verka enkelt men har flera nackdelar:

  1. Motorn måste tas ur bruk.
  2. Motorlasten är inte fullt representativ för den last motorn driver när den används.
  3. Vid testning måste driften avbrytas (vilket skapar driftstopp) eller så måste en ny motor tillfälligt installeras.
  4. Vridmomentsensorer är dyra och har begränsat arbetsområde och därför behövs kanske flera sensorer för att testa olika motorer.
  5. En motorprovbänk som kan täcka in ett stort urval motorer är dyr och användare av den här provbänkstypen är vanligtvis specialiserade organisationer för reparation eller utveckling av motorer.
  6. ”Verkliga” driftförhållanden tas inte med i beräkningen.
Traditionellt vridmomenttest

Elmotorns parametrar

Elmotorer är utformade för specifika typer av tillämpningar beroende på lasten och därför har varje motor olika egenskaper. Dessa egenskaper är klassificerade enligt standarder från NEMA (National Electrical Manufacturers Association) eller IEC (International Electrotechnical Commission) och har en direkt inverkan på motorns funktion och effektivitet. Varje motor har en märkplåt som räknar upp motorns viktigaste driftparametrar och effektivitetsinformation i enlighet med rekommendationer från antingen NEMA eller IEC. Informationen på märkplåten kan sedan användas till att jämföra motorns krav mot det verkliga driftanvändningsläget. När du till exempel jämför dessa värden kan du få reda på att en motor överskrider sina förväntade varvtals- eller vridmomentspecifikationer, i vilket fall motorns livslängd kan förkortas eller förtida funktionsfel kan uppstå. Andra effekter, som obalans i spänning eller ström och övertoner förknippade med dålig elkvalitet, kan också minska motorns prestanda. Om något av dessa tillstånd förekommer måste motorn ”nedgraderas”, dvs. motorns förväntade prestanda måste minskas, vilket kan resultera i en störning av processen om inte tillräcklig mekanisk effekt produceras. Nedgraderingen beräknas enligt NEMA-standarden i enlighet med de data som specificeras för motortypen. NEMA- och IEC-standarderna har vissa skillnader men följer i stort samma linjer.

Verkliga driftförhållanden

Testning av elmotorer på en motorprovbänk brukar innebära att motorn testas under bästa möjliga förhållanden. Omvänt gäller att när motorn är i bruk existerar vanligen inte de bästa driftförhållandena. De här skillnaderna i driftförhållanden bidrar till försämringen av motorns prestanda. I en industrianläggning kan det exempelvis finnas laster installerade som har en direkt inverkan på elkvaliteten och orsakar obalans i systemet eller potentiellt orsakar övertoner. Vart och ett av dessa förhållanden kan allvarligt påverka motorns prestanda. Dessutom är lasten som motorn driver kanske inte optimal eller överensstämmer inte med motorns ursprungliga konstruktion. Lasten kan vara för stor att hantera för motorn. Motorn kan också vara överbelastad på grund av dålig processtyrning och kan till och med hindras genom överfriktion orsakad av att ett främmande föremål blockerar en pump eller ett fläkthjul. Att fånga in de här avvikelserna kan vara svårt och mycket tidskrävande vilket gör effektiv felsökning problematisk.

En ny metod

Fluke 438-II elkvalitets- och motoranalysator ger en rationaliserad och kostnadseffektiv metod för testning av motoreffektivitet och eliminerar behovet av yttre mekaniska sensorer och dyra driftstopp. Fluke 438-II bygger på Fluke 430-II-seriens elkvalitets- och energianalysatorer och har full kapacitet att mäta elkvalitet och samtidigt mäta mekaniska parametrar för motorer som är direkt online. Med hjälp av data från motorns märkplåt (antingen NEMA- eller IEC-data) tillsammans med trefaseffektmätningar gör 438-II realtidsberäkningar av motorns prestandadata inklusive varvtal, vridmoment, mekanisk effekt och effektivitet utan behov av extra vridmoments- och hastighetsgivare. 438-II beräknar också direkt motorns nedgraderingsfaktor i driftläge.

Den information som krävs för att Fluke 438-II ska kunna utföra den här mätningen matas in av teknikern eller ingenjören och inkluderar den nominella effekten i kW eller hk, nominell spänning och ström, nominell frekvens, nominell cos φ eller effektfaktorn, nominell servicefaktor och motorns konstruktionstyp från NEMA- eller IEC-klasserna.

Resultat från vridmomenttest

Så här fungerar det

Fluke 438-II-enheten gör mekaniska mätningar (motorns rotationshastighet, last, vridmoment och effektivitet) genom att använda egenutvecklade algoritmer på elektriska vågformssignaler. Algoritmerna kombinera en blandning av fysikbaserade och datadrivna modeller av en asynkronmotor utan att behöva någon testning före mätningen som oftast krävs för att uppskatta motormodellparametrar, t.ex. statorresistans. Motorns varvtal kan uppskattas från de rotorspaltsövertoner som förekommer i strömvågformerna. Motoraxelns vridmoment kan relateras till en asynkronmotors spänningar, strömstyrkor och eftersläpning genom välkända men komplicerade fysikaliska samband. Elektrisk effekt mäts med hjälp av ingående ström- och spänningsvågformer. När vridmoment och varvtal har uppskattats beräknas den mekaniska effekten (eller lasten) genom att multiplicera vridmomentet med varvtalet. Motorns effektivitet beräknas genom att dividera den uppskattade mekaniska effekten med den uppmätta elektriska effekten. Fluke utförde omfattande testning med instrumenterade motorer som drev dynamometrar. Den faktiska elektriska effekten, motoraxelns vridmoment och motorns varvtal uppmättes och jämfördes med de värden som rapporterats av 438-II för att fastställa noggrannhetsnivåer.

Sammanfattning

Även om traditionella metoder för att mäta elmotorers prestanda och effektivitet är väldefinierade används de inte nödvändigtvis i någon större utsträckning. Det beror till stor del på kostnaderna för de driftstopp som krävs för att ta motorer och ibland hela system ur bruk för teständamål. Fluke 438-II ger mycket användbar information som det hittills har varit extremt svårt och dyrt att investera i. Dessutom använder Fluke 438-II sina avancerade elkvalitetsanalyser till att mäta elkvalitetsstatus medan systemet är i drift. Att göra kritiska mätningar av motoreffektivitet har förenklats genom att eliminera behovet av externa och separata sensorer för vridmoment och varvtal, vilket gör det möjligt att analysera prestanda hos de flesta industriella motordrivna processer medan de fortfarande är i drift. Det här ger tekniker möjlighet att minska driftstopp och att följa trenden med motorprestanda över tid, vilket ger dem en bättre bild av hela systemets hälsa och prestanda. Genom att följa prestandatrenden går det att se förändringar som kan indikera omedelbart förestående motorfel och möjliggör byte före ett haveri.