提高電機的效率與可持續(xù)性

作者：Bin Huo，產(chǎn)品應(yīng)用工程師

摘要

電機故障或異常導(dǎo)致的電機效率下降可能會持續(xù)很長時間，并會造成重大經(jīng)濟損失，因此已愈發(fā)受到關(guān)注。本文介紹了常見的電機故障如何影響電機運行效率，同時探討了預(yù)測性診斷維護解決方案OtoSense?智能電機傳感器(SMS)如何確保電機高效運行。文中提供了兩個案例研究，展示了OtoSense? SMS應(yīng)用如何降低二氧化碳排放和能源成本。

引言

工業(yè)4.0被視為制造業(yè)的新時代，融合了技術(shù)、機器人、人工智能和自動化，以打造出高效且富有成效的制造工藝。工業(yè)用例占全球能源使用量的30%，其中70%是由電機消耗的。如果電機以最高效率運行，全球電力消耗有望減少10%。1 但要怎樣才能做到？事實證明，借助狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)測性維護(CbM/PdM)來提升運營效率，能夠在生產(chǎn)力、質(zhì)量、物流管理等層面優(yōu)化績效，助力達成可持續(xù)發(fā)展指標。ADI公司OtoSense?智能電機傳感器(SMS)技術(shù)是當今市場上先進的CbM/PdM技術(shù)。本文概述了OtoSense SMS技術(shù)如何使電動機運行更加節(jié)能。

電機效率和電機健康狀況

近年來，鑒于電機耗電量頗高，廠商投入了巨大努力來設(shè)計更高效率的感應(yīng)電機。但有一個對電機效率影響顯著的因素卻常常遭到忽視。通常，工業(yè)電機的運行效率處于50%至85%區(qū)間。2 電機健康狀況不佳會導(dǎo)致其能效顯著降低。制造商提供的額定效率值僅在電機處于理想狀態(tài)時才有效，即電機運行過程中沒有明顯異常、缺陷或故障的情況下。如果機器出現(xiàn)故障，即使處于故障早期，電機效率也會隨之降低。

眾所周知，電機效率指的是電機的有用功率輸出與總功率輸入的比值。圖1展示了電能輸入轉(zhuǎn)化為機械能輸出的過程及相關(guān)的能量損耗，其中包括固有功率損耗和異常功率損耗。公式1計算了電機效率：

圖1.電機能量轉(zhuǎn)換效率。

電機的功率損耗主要分為兩種：

• 固有功率損耗

包括銅損耗（電阻、趨膚效應(yīng)）、鐵損耗（渦流、磁滯）和機械損耗（摩擦、風(fēng)阻）。固有功率損耗可在電機設(shè)計階段得以降低。

• 異常功率損耗

包括電機狀況不佳導(dǎo)致的額外功率損耗，例如表1中列出的任意一種或多種電機故障。通過使電機保持在最佳運行狀態(tài)，可以將異常功率損耗降至最低，而這在很大程度上與電機的維護方案相關(guān)。

有關(guān)電機效率的研究表明，如果電機在不健康的狀態(tài)下運行，其實際效率會低于額定效率。處于不健康狀態(tài)的電機可能會長時間以低效率運行，直至發(fā)展成電機損壞并導(dǎo)致機器停機的嚴重情況，而且可能會產(chǎn)生大量的能量損耗。一項研究針對不同類型的軸承故障對感應(yīng)電機效率的影響展開了調(diào)查。3 在研究過程中，對四種類型的軸承故障進行了測試：故障1，外圈出現(xiàn)裂紋；故障2，外圈出現(xiàn)孔洞；故障3，防護擋圈變形；故障4，軸承發(fā)生腐蝕。

軸承故障類型1的示例照片如圖2所示。實驗裝置由一臺2.2 kW的三相感應(yīng)電機組成，該電機由主電源控制單元供電，并與一臺制動器相連。通過測量電機輸入電流、電壓和相位來計算電機輸入功率。通過測量電機負載扭矩和轉(zhuǎn)速來計算電機的輸出功率。電機效率的計算方式為電機輸出的機械功率與輸入的電功率之比。圖2展示了電機效率在不同負載條件下的變化。如圖所示，軸承故障會導(dǎo)致在滿載條件下電機效率降低1.5%，在輕載條件下電機效率降低4%。

圖2.軸承故障對電機效率的影響。

研究表明，諸如轉(zhuǎn)子導(dǎo)條故障、定子繞組故障、電機軸未對準故障、底腳松動故障、冷卻風(fēng)扇電機故障等電機故障，都會導(dǎo)致電機效率下降。4,5 圖3展示了不同電機故障對電機效率的影響。

圖3.不同類型的電機故障對電機效率的影響。

ADI OtoSense SMS解析

OtoSense SMS是一套基于AI的硬件和軟件完整解決方案，用于工業(yè)電機的狀態(tài)監(jiān)控(CbM)和預(yù)測性維護(PdM)。它將先進的檢測技術(shù)與數(shù)據(jù)分析相結(jié)合來監(jiān)測電機的狀況。

該解決方案由硬件子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)構(gòu)成，軟件子系統(tǒng)包含一個云平臺、一個網(wǎng)頁應(yīng)用程序以及一個移動應(yīng)用程序。云平臺搭載了基于機器學(xué)習(xí)的電機故障診斷AI算法。圖4展示了OtoSense SMS系統(tǒng)是示意圖。

圖4.OtoSense SMS系統(tǒng)是示意圖。

OtoSense SMS集成了ADI開發(fā)的多種高性能傳感器，包括：

• 兩個低噪聲、高頻率MEMS加速度計ADXL1002，用于檢測x軸振動和z軸振動。
• 兩個高準確度、16位數(shù)字溫度傳感器ADT7420，用于檢測電機機殼溫度和環(huán)境溫度。

還包括：

• 一個磁場傳感器，用于電機轉(zhuǎn)速檢測和電機電氣故障診斷。
• 一個Wi-Fi處理器，借助2.4GHz Wi-Fi進行數(shù)據(jù)傳輸，負責(zé)數(shù)據(jù)收集與打包。

OtoSense SMS傳感器是市面上用于檢測和解讀機器數(shù)據(jù)的出色解決方案。表1展示了OtoSense SMS傳感器能夠診斷和預(yù)測的常見電機故障：

表1.OtoSense SMS能夠診斷和預(yù)測的電機故障

利用OtoSense SMS提高電機運行效率

妥善維護有助于實現(xiàn)最大的經(jīng)濟效益，因為這可以減少電機故障的發(fā)生，避免計劃外的停機時間。此外，電機效率對于節(jié)約每次運行的成本起著至關(guān)重要的作用，因為高效電機相比標準效率電機，消耗的電能更少。研究表明，不同類型的故障會對機器效率產(chǎn)生程度各異的影響，具體故障類型包括轉(zhuǎn)子故障、定子繞組不對稱、絕緣系統(tǒng)故障、不平衡/未對準、通風(fēng)系統(tǒng)故障等。

圖5.OtoSense SMS使電機運行效率達到最優(yōu)。

圖5展示了使用OtoSense SMS對電機運行效率進行優(yōu)化。云平臺能讓用戶深入了解電機的運行狀況和維護需求。

憑借專有的OtoSense SMS預(yù)測性維護分析，用戶能夠在早期階段識別出九種最為常見的電機故障，并在故障對電機運行造成影響前完成修復(fù)。對于每種電機故障，都會計算出一個故障評分指數(shù)(FSI)，用以表示電機故障的嚴重程度。FSI是一個介于0到10之間的數(shù)值。當FSI數(shù)值高于7時，表明電機正處于良好的運行狀態(tài)；而當FSI數(shù)值介于5和7之間時，則意味著已在早期階段察覺到電機故障，此時系統(tǒng)會向用戶發(fā)送低嚴重程度的預(yù)警通知郵件。

處于預(yù)警狀態(tài)的電機，雖在一定時間內(nèi)仍可維持正常運轉(zhuǎn)，但鑒于電機已非健康狀態(tài)，運行效率會出現(xiàn)下滑。圖6展示的示例中，電機地腳松動問題在早期便被檢測出來，系統(tǒng)隨即發(fā)出了預(yù)警通知。用戶收到通知后，建議迅速采取相應(yīng)的修復(fù)舉措，使電機運行狀態(tài)恢復(fù)至理想水平，從而讓電機能夠持續(xù)保持高效運轉(zhuǎn)。

圖6.示例展示了OtoSense SMS如何保持電機高效運行。

客戶案例研究1：OtoSense SMS用于壓縮機監(jiān)控
壓縮機是工廠中最重要的設(shè)備之一。在這個用例中，OtoSense SMS器件被安裝于工廠的壓縮機上，用以執(zhí)行全天候的持續(xù)監(jiān)測。圖7顯示了這個用例，其中OtoSense SMS器件安裝到了一臺壓縮機上。

圖7.OtoSense SMS傳感器安裝在客戶工廠的壓縮機上。

這臺壓縮機功率為400kW，每天24小時持續(xù)運轉(zhuǎn)。通常，每4.5年進行一次大修。在大修之前，出現(xiàn)的電機故障主要是軸承故障，會使電機運行效率降低1.5%。經(jīng)過試用評估，客戶在所有關(guān)鍵壓縮機上全面采用了OtoSense SMS解決方案。OtoSense SMS檢測到了早期的軸承故障，并向客戶發(fā)出了預(yù)警通知?？蛻綦S即采取了有效措施，成功避免了軸承受到永久性損壞，并預(yù)防了生產(chǎn)線意外停機。同時，由于迅速采取了修復(fù)措施，電機僅在預(yù)警狀態(tài)下運行了極短時間，便恢復(fù)至正常運行狀態(tài)。

此前，在未安裝OtoSense SMS的情況下，已觀察到能耗和二氧化碳排放均有降低，幅度約為2%，等同于節(jié)省了約2%的生產(chǎn)成本。隨著投入使用的壓縮機數(shù)量增加，二氧化碳減排效果將愈發(fā)顯著。例如，如果對100萬臺相同規(guī)格、功率為400 kW的壓縮機進行監(jiān)測，將使二氧化碳減排量達到約147×109 kgr。圖8展示了使用OtoSense SMS解決方案所取得的成果。

圖8.使用OtoSense SMS實現(xiàn)能源/成本節(jié)約及二氧化碳減排：(a) 節(jié)約/減排效果（百分比）；(b) 400kW壓縮機數(shù)量增加時的二氧化碳減排效果示例。

客戶案例研究2：OtoSense SMS用于物料搬運系統(tǒng)

機場的行李傳送帶是一種高密度電機驅(qū)動應(yīng)用。如圖9所示，一套機場行李傳送帶系統(tǒng)可能由數(shù)千臺電機驅(qū)動。

一般而言，這些電機的功率大多為5 HP，使用壽命通常是五年。這五年期間的電機使用成本，即總擁有成本(TCO)，主要由電機采購費用、維護費用和用電費用構(gòu)成（參見圖9）。就具體金額而言，電機采購成本為2000美元，占總擁有成本(TCO)的5%；維護成本為8000美元，占TCO的20%；電費成本則為28,000美元，占TCO的70%。

圖9.傳送帶驅(qū)動系統(tǒng)電機的TCO。

在電機使用過程中，最大的成本是電機的能耗。在上例中，如果采用OtoSense SMS使電機使用效率提高2%，并且假設(shè)機場行李傳送帶使用3000臺電機，那么在5年時間里節(jié)省的電費總額（以美元計）為：

5年節(jié)省的電費 = 3000 × 28000 × 2% = 1,680,000美元

換算為每年的節(jié)省金額，即1680000/5 = 336,000美元，大致相當于購買168臺新電機的成本。

結(jié)論

OtoSense SMS帶來的顯著經(jīng)濟效益體現(xiàn)為電機運行效率提升后令成本得到降低。隨著眾多企業(yè)將重點放在提高運營效率、減少計劃外停機和實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展上，采用狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)測性維護技術(shù)已成為一種必然需求。

OtoSense SMS技術(shù)為客戶提供電機狀態(tài)實時監(jiān)控、電機早期故障檢測，并針對早期故障排查給出建議措施。及早發(fā)現(xiàn)并排除電機故障，不僅能避免電機意外故障和停機，還能確保電機高效運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)節(jié)能。企業(yè)要想在未來十年內(nèi)提升運營效率并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標，就必須落實上述所有建議。

參考文獻

1 “All Motor Drives Systems Running at Maximum Efficiency”，IEA。

2 “The qGaNDrive Module”，QPT。

3 Jonathan Herrera-Guachamin和Jose Antonino-Daviu，“Laboratory Experiments for the Evaluation of the Efficiency of Induction Motors Operating Under Different Electrical and Mechanical Faults”，ECON，IEEE工業(yè)電子學(xué)會第45屆學(xué)術(shù)年會，2019年。

4 Lucia Frosini、Ezio Bassi和Christian Gazzaniga，“Effect of the Bearings Faults on the Efficiency of the Induction Motors”，IEEE工業(yè)電子學(xué)會第34屆年會，2008年。

5 Maeva Garcia、Panagiotis A. Panagiotou、Jose Alfonso Antonino-Daviu和Konstantinos N. Gyftakis，“Efficiency Assessment of Induction Motors Operating Under Different Fault Conditions”，《IEEE工業(yè)電子會刊》，第66卷第10期，2019年10月。