Elektromotory jsou klíčovou součástí mnoha průmyslových procesů a představují až 70% celkové energie spotřebované v průmyslu a spotřebují až 46% veškeré vyrobené elektřiny na celém světě.
Vzhledem k jejich zásadní důležitosti pro průmyslové procesy mohou být náklady na prostoje spojené s poruchami motorů stovky tisíc korun za hodinu. Zajištění efektivity a spolehlivosti motorů je jedním z nejdůležitějších úkolů, kterým technici a inženýři údržby denně čelí.
Efektivní využití elektřiny není jen „dobrý přístup“. V mnoha případech může energetická účinnost znamenat rozdíl mezi ziskovostí a finančními ztrátami firmy.
A protože motory spotřebovávají v průmyslu tak významnou část energie, staly se hlavním cílem pro generování úspor a udržení ziskovosti. Kromě toho touha identifikovat úspory prostřednictvím zvyšování účinnosti a snižování závislosti na přírodních zdrojích vede mnoho společností k přijetí průmyslových standardů, jako je například ISO 50001. Tato norma poskytuje rámec a požadavky pro zřízení, implementaci a údržbu systému řízení energie za účelem dosažení udržitelných úspor.
Tradiční metody testování motorů
Tradiční metoda měření parametrů elektromotorů a pohonů, a jejich účinnosti je dobře definována, ale tento proces je nákladný a obtížně použitelný v provozním prostředí. Ve skutečnosti ve většině případů ověření parametrů pohonu vyžaduje úplné vypnutí systému, což má za následek nákladné prostoje ve výrobě.
Měření účinnosti pohonu od elektrického napájení až po mechanický výstup (hřídel) musí být prováděno v širokém rozsahu dynamických provozních podmínek. Tradiční metoda měření vlastností motoru vyžaduje instalaci motoru do testovacího stojanu. Ten se skládá ze zkoušeného motoru připojeného hřídelí na dynamometr a řídícího systému. Na hřídel je připojen snímač rychlosti (otáčkoměr) a sada snímačů točivého momentu, které poskytují data pro výpočet mechanické síly. Pro výpočet účinnosti je pak samozřejmě potřeba provést i měření elektrického výkonu na svorkách motoru nebo měniče.
Účinnost se vypočte podle: η (účinnost) = Mechanický výkon / Elektrický výkon
Během testování se zátěž mění, aby se stanovila účinnost v různých provozních režimech.
Systém využívající testovacího stojanu se může zdát docela jednoduchý a bezproblémový, ale má řadu základních nevýhod:
- Motor musí být vyřazen z provozu.
- Zatížení motoru nereprezentuje skutečné zatížení, při kterém motor (pohon) pracuje během provozu.
- Během testování musí být motor nahrazen jiným, který musí být dočasně nainstalován (vytvoření prostojů).
- Snímače točivého momentu jsou drahé a mají omezený pracovní rozsah, takže je třeba používat několik senzorů k testování různých motorů.
- Testovací stojan, který je schopen pokrýt širokou řada motorů je drahý a uživateli takovýchto stojanů jsou obvykle specializované organizace provádějící opravy nebo vývoj motorů (pohonů).
- Při testech prováděných s využitím takových to stojanů nejsou brány v potaz podmínky „skutečného světa“.
Komplikovanost, náročnost na vybavení i na personál pak samozřejmě vede k tomu, že podobné zkoušky se provádějí jen na pohonech velmi velkých výkonů, kde je snaha o jistou optimalizaci. Nicméně obrovské množství instalovaných pohonů malých a středních výkonů je ponecháno představě, že konstruktér daného zařízení osazeného motory „věděl co dělá“ a tudíž pohon má pro daný provoz optimální vlastnosti i spotřebu. Praxe však říká, že to není ani náhodou pravda.
Parametry elektrického motoru
Elektromotory jsou určeny pro různé druhy aplikací v závislosti na zatížení a provozních podmínkách, a proto má každý motor poněkud odlišné vlastnosti. Tyto charakteristiky jsou klasifikovány podle norem IEC (Mezinárodní elektrotechnická komise) nebo NEMA (Národní asociace výrobců elektrických zařízení). Tyto normy mají přímý dopad na konstrukci, provoz a účinnost motoru.
Každý motor má typový štítek, který uvádí hlavní provozní parametry a informace o účinnosti v souladu s doporučeními NEMA nebo IEC.
Data na štítku pak lze použít k porovnání požadavků motoru se skutečným provozním režimem. Například, když porovnáním těchto hodnot zjistíte, že motor překračuje očekávané otáčky nebo točivý moment uvedený ve specifikaci, v takovém případě může dojít ke zkrácení životnosti motoru, nebo dokonce k jeho předčasnému selhání.
Další vlivy, jako je nevyváženost napětí nebo proudu a harmonické, spojené se špatnou kvalitou elektřiny mohou také snížit výkon motoru. Jestliže existuje u daného motoru nebo pohonu některá z uvedených skutečností, motor bude mít nižší výkon – to znamená, že nebude schopen dodávat očekávaný mechanický výkon. To může pak mít za následek zastavení motoru a narušení výrobního procesu. Tak zvaný "derating" (snížení) se vypočte ze štítkových hodnot se podle normy NEMA nebo IEC. Normy NEMA a IEC mají sice určité rozdíly, ale obecně sledují stejný cíl.
Skutečné provozní podmínky
Testování elektrických motorů na zkušebním stojanu obvykle znamená, že motor je testován pro nejlepší možné podmínky.
Naopak, když se motor používá v provozu s nejlepšími provozními podmínkami obvykle nelze počítat.
Tyto změny a odchylky v provozních podmínkách přispívají ke zhoršení provozních parametrů motorů (pohonů). Například uvnitř průmyslového zařízení mohou být instalovány zátěže, které mají přímý vliv na kvalitu elektrické energie a způsobí nevyváženost elektrické sítě, nebo potenciálně vytvářejí harmonické složky. Každý z těchto vlivů může vážně ovlivnit schopnosti motoru či pohonu. Kromě toho, zátěž, kterou motor pohání nemusí být optimální nebo odpovídající konstrukci motoru. Zátěží může být příliš velká na to, aby ji motor správně zvládal. Motor může být přetížený i z důvodu špatného řízení daného procesu.
Může být například přetížen dokonce i nadměrným třením způsobeným cizím předmětem blokujícím oběžné kolo čerpadla nebo ventilátoru. Zachycení těchto anomálií může být obtížné a časově náročné pro efektivní řešení problémů.
Nový přístup
Motor a analyzátor kvality Fluke 438-II (obr. 1) poskytuje efektivní a nákladově výhodnou metodu pro testování účinnosti motoru a pohonů přímo v provozu. Eliminuje potřebu vnějších mechanických senzorů a drahé odstávky. Fluke 438-II je založen na analyzátoru kvality elektrické energie a výkonu řady Fluke 430-II. Má plné schopnosti pro měření kvality energie ale i měření mechanických parametrů jak na přímo napájených motorech i napájených z regulátorů. Využitím dat uvedených na štítku motoru (buď údaje NEMA nebo IEC) ve spojení s třífázovým měřením energie a parametrů sítě (obr. 2), vypočítá Fluke 438-II údaje o výkonu motoru v reálném čase včetně rychlosti, točivého momentu, mechanického výkonu a účinnosti bez nutnosti používat jakákoliv čidla na mechanické straně, tedy čidla točivého momentu a otáček (obr. 3).
Fluke 438-II také přímo vypočítává faktor snižování motoru (derating) v provozním režimu motoru (obr. 4). Data požadovaná přístrojem Fluke 438-II k provedení tohoto měření zadává technik a zahrnují jmenovitý výkon v kW, jmenovité napětí a proud, jmenovitou frekvenci, jmenovitý cos φ nebo účiník a konstrukční typ motoru dle NEMA nebo třídy IEC. Toť vše.
Jak to funguje
Přístroj Motor Analyzer Fluke 438-II zjišťuje mechanické veličiny (otáčky motoru, zatížení, točivý moment a účinnost) použitím proprietárních algoritmů aplikovaných na elektrické signály měřené na vstupu pohonu. Algoritmy kombinují směs fyzikálních modelů a modelů založených na naměřených datech indukčního motoru, bez nutnosti jakýchkoliv předběžných měření, obvykle používaných pro odhad parametrů modelu motoru, například jako statorový odpor a podobně.
Otáčky motoru jsou odvozeny z harmonických složek slotů rotoru přítomných v časovém průběhu proudu odebíraném motorem. Krouticí moment hřídele motoru je ve vztahu k napětí indukčního motoru, proudům a skluzu z dobře známých, ale komplexních fyzikálních vztahů. Elektrická energie se měří pomocí vstupního průběhy proudu a napětí. Velikosti točivého momentu a rychlosti a mechanického výkonu (nebo zatížení) se vypočte pomocí momentů rychlosti. Účinnost motoru se vypočte vydělením vypočteného mechanického výkonu naměřeným elektrickým výkonem.
Společnost Fluke provedla rozsáhlé testování a srovnání s měřeními získanými na motorech řízených dynamometry. Skutečná elektrická energie, točivý moment hřídele motoru a otáčky motoru byly porovnánys hodnotami získanými Fluke 438-II a ověřena vysoká shoda na úrovni přesnosti 1 %.
Souhrn
Zatímco tradiční metody měření vlastností a účinnosti elektrických motorů jsou dobře definovány, nejsou bohužel široce využívány v průmyslové praxi. To je z velké části způsobeno právě cenou prostoje spojenou s nutnou demontáží motorů i cenou celého systému a nutnosti testování mimo provozní prostředí na speciálních testovacích stojanech.
Fluke 438-II využívá své pokročilé schopnosti analýzy kvality elektřiny pro měření a ověření stavu zdraví systému, zatímco systém je ve skutečném pracovní režimu.
Provedení kritických měření účinnosti motoru je zjednodušeno vyloučením potřeby externích čidel točivého momentu a rychlosti, což umožňuje analyzovat výkon většiny průmyslových procesů poháněných motorem, zatímco jsou stále v provozu. To dává technikům možnost snížit prostoje a také jim dává příležitost k ověření trendu změn průběhu parametrů v čase. To pak poskytuje lepší obrázek o celkovém stavu a výkonu systému.
Sledováním trendu změn vlastností pohonu je možné vidět změny, které mohou naznačovat možnost bezprostředního selhání pohonu a umožní výměnu před selháním.
Motor Analyzer Fluke 438-II tedy poskytuje velmi užitečné a cenné informace, které bylo dosud extrémně složité a drahé získat a umožňuje tak snadno optimalizovat pohony, prodlužovat jejich životnost a snižovat náklady. Další podrobnosti o přístroji Fluke 438II získáte od výhradního technického distributora Fluke pro ČR a SR, společnosti:
Blue Panther s.r.o.
Mezi Vodami 29, 143 00 Praha
Tel.: +420 241 762 724
E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
www.blue-panther.cz
