Methoden zur Optimierung der Effizienz von Elektromotoren

Weit verbreitete Schätzungen zeigen, dass von Elektromotoren angetriebene Systeme mehr als die Hälfte des in den USA produzierten Stroms und mehr als 70 % des in vielen Industrieanlagen verbrauchten Stroms verbrauchen. ¹ Da Energie- und Betriebskosten knapp werden, ist es sinnvoller denn je, die Motoreffizienz zu steigern.

Viele Einrichtungen halten es für sinnvoll, ihre Motoreffizienzstrategie in drei Phasen zu unterteilen:

• Gesamtbewertung
• Sofortige Verbesserungen
• Langfristig

Dieser Artikel skizziert Schritt 1 kurz und enthält Details zu Schritt 2. In einem kommenden Artikel werden Details zu Schritt 3 beschrieben.

Methoden zur Optimierung der Elektromotoreffizienz

Phase 1:Bewertung
So beinhaltet eine motorische Bewertung:

1. Begutachten und dokumentieren Sie, wie viele Motoren in welchem ​​Alter, wie viel PS und wie viel Leistung Sie mit welchen Kontrollen in Ihrer Einrichtung vorhanden sind.
2. Identifizieren Sie die höchsten und kritischsten Belastungen.
3. Verwenden Sie für diese wichtigen Einheiten einen Stromlogger, um ihren Energieverbrauch (Leistungsaufnahme) zu bewerten.

Dadurch erhalten Sie eine allgemeine Energieverbrauchskarte für Motoren in Ihrer Anlage.

Phase 2:Sofortige Verbesserungen
Es gibt zwei Arten von sofortigen Verbesserungen, die Sie vornehmen können.

1. Änderungen an den Einheiten und an der Einheitenbedienung
2. Reparaturen

Änderungen an den Einheiten können das Ersetzen einiger Motoren durch Modelle mit höherem Wirkungsgrad oder größerer Größe, das Hinzufügen von Steuerungen zu anderen für die richtige Ausgangsgröße und die Neuplanung der Motoren im Vergleich zu Nachfrage und Strompreisen umfassen.

Um festzustellen, ob eine dieser Änderungen in Ihrer Einrichtung sinnvoll ist, verwenden Sie einen Motoreffizienzrechner wie MotorMaster+ des U.S. Department of Energy. Es kann Ihnen helfen, Einsparungen pro Motor und pro Effizienzstufe zu berechnen.

Ansonsten gibt es drei Inspektionspunkte, die Sie an allen Motoren machen sollten, die Sie betriebsbereit halten möchten:

1. Spannungsungleichgewicht
2. Aktuelles Ungleichgewicht
3. Leistungsfaktor

Wenn Tests Probleme mit einer dieser drei Variablen zeigen, kann die Korrektur dieser Probleme zu sofortigen Effizienzverbesserungen führen. Logischerweise sollten Sie diese Tests auch in die langfristige regelmäßige Wartung einbeziehen, um kurzfristige Verbesserungen, die Sie in dieser Phase vornehmen, aufrechtzuerhalten.

Spannungsungleichgewicht
Spannungsasymmetrie ist ein Maß für Spannungsunterschiede zwischen den Phasen eines Dreiphasensystems. Für eine optimale Motorleistung sollten die Phasenspannungen gleich oder nahezu gleich sein. Abgesehen von einer schlechten Motorleistung verkürzt die Spannungsunsymmetrie die Lebensdauer des Motors.

Die Spannungsasymmetrie ist das 100-fache der maximalen Spannungsabweichung vom Durchschnitt geteilt durch die durchschnittliche Spannung der drei Phasen. Diese Berechnung ergibt die Unwucht in Prozent. Das US-Energieministerium (DOE) präsentiert das folgende Beispiel: ² Wenn die gemessenen Netzspannungen 462 V, 463 V und 455 V betragen, beträgt der Durchschnitt 460 V. Die Spannungsasymmetrie ist also:

[(460 – 455) x 100] ÷ 460 =1,1 %

Insgesamt sollte die Spannungsasymmetrie weniger als 1 Prozent und nie mehr als 5 Prozent betragen. Die Norm EN50160 erfordert weniger als 2 Prozent Spannungsunsymmetrie am Punkt der gemeinsamen Kopplung. Die Spezifikationen der National Electrical Manufacturers Association (NEMA) verlangen weniger als 5 % für die Motorlast, empfehlen jedoch, dass Spannungsasymmetrien an den Motorklemmen 1 Prozent nicht überschreiten und die Motoren bei höheren Prozentsätzen gedrosselt werden. ³

Die Spannungsasymmetrie sollte regelmäßig an den Motorklemmen mit einem Netzqualitätsanalysator gemessen werden, um sicherzustellen, dass die Spannungsasymmetrie unter 5 Prozent liegt. Darüber hinaus können bei regelmäßigen thermischen Prüfungen hochohmige Verbindungen in Schaltanlagen, Trennschaltern oder Motoranschlusskästen aufgedeckt werden, die zu Spannungsunsymmetrien führen können. Andere mögliche Quellen für Spannungsasymmetrien sind fehlerhafte Leistungsfaktorkorrekturgeräte, asymmetrische oder ungleichmäßige Versorgungsspannungen, asymmetrische Transformatorbänke, ungleich verteilte einphasige Lasten, einphasige Erdschlüsse oder ein offener Stromkreis auf der Primärseite eines Verteilungssystems.

Korrekturen sollten von einem erfahrenen Elektriker oder Energiespezialisten durchgeführt werden. Beginnen Sie mit der Überprüfung der Versorgungsspannungen des Frequenzumrichters (sofern im System verwendet). Überprüfen Sie außerdem die Netzeingänge zur Anlage und die Transformatorausgänge zum System. Wenn an diesen "Quellen" symmetrische Phasen gefunden werden, ist es am besten, beim Motor zu beginnen und systematisch zur ursprünglichen Quelle, der Stromversorgung des Versorgungsunternehmens, zurückzukehren.

Einsparpotenzial und ROI: Der beste Weg, um die Gesamteinsparungen zu berechnen, ist die Verwendung eines Softwaretools wie MotorMaster+. So funktioniert die grundlegende Berechnung, wenn Sie Folgendes wissen (Beispielwerte erscheinen in Klammern):

• Belastung des Motors (100 %)
• PS (100 PS)
• Laufzeit (8.000 Stunden pro Jahr)
• Wirkungsgrad bei nominaler Unwucht für die Beladung (94,4%) ⁴
• Wirkungsgrad bei tatsächlicher Unwucht und Belastung (93 %)
• Eine PS entspricht 0,746 Kilowatt

Unter Verwendung der bereitgestellten Beispielwerte wären die jährlichen Energieeinsparungen (AEs) nach den Korrekturmaßnahmen:

AEs =100 PS x 0,746 kW/PS x 8.000 h/Jahr x (100 ÷ 93 – 100 ÷ 94,4) =9.517 kWh

Wenn Strom 0,05 USD pro kWh kostet, beträgt die jährliche Einsparung in Dollar (AS$):

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

In industriellen Umgebungen können viele Motoren von derselben unsymmetrischen Stromversorgung gespeist werden. Daher sind die potenziellen Einsparungen viel höher als bei einem einzelnen Motor, wobei die tatsächlichen Einsparungen von Belastung, Laufzeiten, PS usw. abhängen.

Denken Sie schließlich daran, dass Motoren heißer werden, wenn ihre Stromversorgung unausgeglichen ist; etwa das Doppelte des Quadrats der Spannungsasymmetrie (2 x % Spannungsasymmetrie). Bei einem Spannungsungleichgewicht von 2 Prozent erfährt ein Motor beispielsweise einen Temperaturanstieg von 8 Grad Celsius. Jede Erhöhung der Betriebstemperatur um 10 °C halbiert die Lebensdauer der Motorwicklungsisolation.

Aktuelles Ungleichgewicht
Die Stromunsymmetrie ist ein Maß für die Stromdifferenz, die von einem Motor an jedem Zweig eines Dreiphasensystems gezogen wird. Die Korrektur der Stromunsymmetrie trägt dazu bei, eine Überhitzung und die Verschlechterung der Motorwicklungsisolation zu verhindern. Der Zug an jedem Bein sollte gleich oder nahezu gleich sein. Eine Ursache der Stromunsymmetrie ist die Spannungsunsymmetrie, die zu einer Stromunsymmetrie führen kann, die in keinem Verhältnis zur Spannungsunsymmetrie selbst steht. Wenn eine Stromunsymmetrie ohne Spannungsunsymmetrie auftritt, suchen Sie nach einer anderen Ursache für die Stromunsymmetrie (z. B. fehlerhafte Isolierung oder eine Phase mit Masseschluss).

Die Stromunsymmetrie wird genauso berechnet wie die Spannungsunsymmetrie. Es ist das 100-fache der maximalen Stromabweichung vom Durchschnitt geteilt durch den durchschnittlichen Strom der drei Phasen. Wenn der gemessene Strom also 30 Ampere, 35 Ampere und 30 Ampere beträgt, beträgt der Durchschnitt 31,7 Ampere und die Stromunsymmetrie ist

[(35 – 31,7) x 100] ÷ 31,7 =10,4 %

Die Stromunsymmetrie für Drehstrommotoren sollte 10 Prozent nicht überschreiten.

Zur Messung der Stromunsymmetrie sollte ein erfahrener Elektriker oder Energiespezialist hinzugezogen werden. Wie bei Spannungsunsymmetrien sollte sie regelmäßig mit einem Netzqualitätsanalysator an den Motorklemmen durchgeführt werden. Die beiden Messungen für Unsymmetrie – Spannung und Strom – können gleichzeitig mit demselben Netzqualitätsanalysator durchgeführt und gespeichert werden.

Die Korrektur des Stromungleichgewichts kann eine oder alle der folgenden Strategien umfassen:

• Wenn die Unwucht auf die zugeführte Leistung zurückzuführen ist, kann ein Gerät zur Leistungsfaktorkorrektur das Problem lösen.
• Wenn das Problem am Motor selbst liegt, z. B. aufgrund einer fehlerhaften Isolierung oder eines Erdschlusses, wägen Sie Ihre Optionen sorgfältig ab. Die Entscheidung, einen Motor zu reparieren (zurückspulen) oder ihn durch einen neuen zu ersetzen, ist schwierig. Gemäß dem DOE ⁴ …
  • Das Zurückspulen verringert fast immer die Effizienz und Zuverlässigkeit eines Motors. Berücksichtigen Sie Variablen wie Rückspulkosten, erwartete Rückspulverluste, Anschaffungspreis für neue Motoren (sowohl für Standard- als auch für energieeffiziente Modelle), Motorgröße und ursprüngliche Effizienz, Auslastungsfaktor, jährliche Betriebsstunden, Strompreis, Verfügbarkeit eines Versorgungsrabatts und einfache Amortisation Kriterien.
• Kaufen Sie in den meisten Fällen einen neuen Motor, wenn:
  1. der defekte Motor hat weniger als 40 PS und ist älter als 15 Jahre, insbesondere wenn er zuvor zurückgespult wurde,
  2. der Motor ist kein Spezialmotor mit weniger als 15 PS oder
  3. Die Rückspulkosten betragen mehr als 50 % der Kosten eines neuen Motors.

Im letzteren Fall sollten erhöhte Effizienz und Zuverlässigkeit eine schnelle Kapitalrendite bieten.

Einsparpotenzial und ROI: Der ROI hat zwei Formen – Energieeinsparungen und langfristige Produktionseinsparungen (Verhinderung von Motorausfällen und Ausfallzeiten). Auch mögliche Versorgungsrabatte kommen ins Spiel.

Energieeinsparungen können schwer zu bestimmen sein, insbesondere wenn das Zurückspulen die gewählte Lösung ist. Endgültige Rückspulverluste sind erst nach dem Rückspulen bekannt.

Wenn Sie sich für den Kauf eines neuen Motors entscheiden, verwenden Sie die Software MotorMaster+, um die jährliche Energieeinsparung (AS$) zu berechnen, die Sie durch den Austausch erwarten können. Sie benötigen die folgenden Informationen: ⁶

• Motorleistung (PS)
• Auslastungsfaktor (L =Prozentsatz der Volllast ÷ 100)
• Jährliche Betriebsstunden (Std.)
• Durchschnittliche Energiekosten (C =$/kWh)
• Vorhandener Motorwirkungsgrad (Estd, in Prozent)
• Effizienzbewertung des neuen Motors (Eee, in Prozent)
• Der Umrechnungsfaktor von PS in kW (0,746)

Angesichts dieser Informationen

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

Im Allgemeinen sind Motoren mit Premium-Effizienz etwa 1 Prozent effizienter als Motoren mit Standard-Effizienz, und die Energieeinsparungen führen in der Regel zu einer Amortisationszeit von weniger als 18 Monaten. Im Vergleich zu einer bestehenden Aufwickeleinheit wird ein neuer Premium-Effizienzmotor deutlich mehr als 1 Prozent effizienter sein.

Leistungsfaktor
Ein schlechter Leistungsfaktor wird durch einige Arten des Gerätebetriebs erzeugt und führt zu Strafgebühren vom Versorgungsunternehmen. Bewerten Sie den Leistungsfaktor aller wichtigen Stromkreise und Lasten, einschließlich Motoren. Je näher Ihr Leistungsfaktor an 100 Prozent oder „1“ liegt, desto besser (Dienstprogramme berechnen normalerweise eine Strafe für Leistungsfaktoren von weniger als 95 Prozent). Das Erhöhen Ihres Leistungsfaktors wird:

• Reduzieren Sie Ihre Stromrechnung
• Kapazität des elektrischen Systems erhöhen
• Spannungsabfall verringern

Der Leistungsfaktor (PF) wird durch induktive Lasten (Lasten mit Spulen) wie Motoren und Transformatoren verursacht. Es wird als Prozentsatz oder als Zahl ausgedrückt, wobei 100 Prozent oder 1 ideal sind. Der Leistungsfaktor ist das Verhältnis von Wirkleistung (Arbeitsleistung) (Kilowatt kW) zu Scheinleistung (Gesamtleistung) (Kilovolt-Ampere kVA). Scheinleistung ist eine Kombination aus Wirkleistung und Blindleistung (Kilovare kVAR).

Eine Erhöhung der Blindleistung bewirkt eine Erhöhung der Scheinleistung und folglich eine Verringerung des Leistungsfaktors. Eine Verringerung der Blindleistung erhöht also den Leistungsfaktor, und das ist im Allgemeinen eine gute Sache.

Die Messung des Leistungsfaktors erfolgt am besten mit einem Netzqualitätsanalysator. Informieren Sie sich vor dem Start:

• Wie Ihr Stromversorger für niedrigen Leistungsfaktor oder VARs berechnet
• Was das Energieversorgungsunternehmen sagt, durchschnittlicher Leistungsfaktor pro Monat
• Wie hoch ist Ihre Bedarfsgebühr
• Wie misst das Versorgungsunternehmen den Leistungsfaktor oder die VARs:Spitzenintervalle oder Durchschnittswerte?

Ziel ist es, Lasten zu identifizieren, die eine verzögerte Blindleistung verursachen, und eine Strategie zur Verbesserung des Leistungsfaktors zu entwickeln. ⁶

Beginnen Sie am Serviceeingang, wo das Dienstprogramm seine Daten überwacht, und überprüfen Sie einzelne Lasten. Mit dem Netzqualitätsanalysator können Sie den durchschnittlichen Leistungsfaktor über einen bestimmten Aufnahmezeitraum ermitteln.

Korrigieren Sie den Leistungsfaktor mit den folgenden Strategien:

• Beschränken oder verringern Sie die Verwendung von Motoren im Leerlauf oder mit geringer Last
• Vermeiden Sie den Betrieb von Motoren über ihrer Nennspannung
• Ausgefallene Standardmotoren durch energieeffiziente Modelle ersetzen
• Installieren Sie Kondensatoren in den betroffenen Stromkreisen, um die Blindleistung zu verringern

Einsparpotenzial und ROI: Verwenden Sie die Informationen aus dem Versorgungsunternehmen und aus Ihrer Untersuchung, um Ihre Einsparungen zu berechnen. Nehmen wir an, Ihr Versorgungsunternehmen fügt eine Bedarfsgebühr von 1 Prozent für jedes Prozent hinzu, wenn Ihr Leistungsfaktor unter 0,97 Prozent liegt. Wenn Ihr Leistungsfaktor jeden Monat durchschnittlich 86 Prozent beträgt, liegt Ihr Betrieb 11 Prozent (97 Prozent minus 86 Prozent) unter dem Schwellenwert von 97 Prozent. Wenn Ihre Bedarfsgebühr 7.000 USD pro Monat beträgt, betragen Ihre vermeidbaren jährlichen Kosten durch die Leistungsfaktorkorrektur:

(11 % x 7.000 $ pro Monat) x 12 Monate =9.240 $

Nächste Schritte
Wenn Sie Ihre sofortige Untersuchung der Motoreffizienz abschließen, bewerten Sie Ihre langfristigen Wartungspraktiken und beginnen Sie, auch dort Änderungen vorzunehmen. Beziehen Sie dieselben Spannungs- und Stromungleichgewichtsprüfungen in regelmäßige Inspektionen ein. Ziehen Sie auch eine regelmäßige Überprüfung von Verbindungen und Erdung, Spannung außerhalb der Auslegung und Isolationswiderstand in Betracht, um zusätzliche langfristige Leistungsverbesserungen zu erzielen.

Dieser Artikel ist mit freundlicher Genehmigung der Fluke Corporation. Um mehr über dieses Thema zu erfahren, besuchen Sie www.fluke.com.

Notizen
¹ Factsheet:„Optimierung Ihres motorbetriebenen Systems“. eine Motor-Challenge dokumentieren. Motor Challenge ist ein Programm des US-Energieministeriums (DOE). Weitere Informationen finden Sie unter http://www1.eere.energy.gov/industry/bestpractices.

² Tippblatt zu Motorsystemen Nr. 7 (Sept. 2005):„Beseitigung von Spannungsungleichgewichten“, ein Energietipps – Motorsysteme Dokument, das für das Industrial Technologies Program von DOE geschrieben wurde.

³ Die Bestimmung der Effizienz eines Motors außerhalb des Labors ist schwierig und erfordert umfangreiche Arbeit und Ausrüstung. Darüber hinaus wirkt sich eine Effizienz von ±1 % erheblich auf die berechneten Dollareinsparungen aus. (Siehe Motor Systems Tip Sheet #2 (September 2005):„Estimating Motor Efficiency in the Field“, ein Energietipps – Motorsysteme Dokument, das für das Industrial Technologies Program von DOE geschrieben wurde.) Wenn die prozentuale Belastung bekannt ist, wählt die MotorMaster+ 4.0-Software automatisch die Effizienz im geladenen Zustand basierend auf den verfügbaren Daten.

⁴ Informationsblatt:„Optimierung Ihres motorbetriebenen Systems“.

⁵ Aus dem Informationsblatt von DOE:„Buying an Energy-Efficient Electric Motor“, ein Dokument der Motor Challenge; Frage 5:„Wann ist ein energieeffizienter Motor wirtschaftlich?“

⁶ Siehe das Informationsblatt von DOE:„Reduzierung der Leistungsfaktorkosten“, eine Motor-Herausforderung Dokument.