O impacto da condição na eficiência e confiabilidade do motor

Este artigo discute o impacto financeiro da condição do motor na eficiência e confiabilidade do motor elétrico, revisando uma combinação de análise do circuito do motor (MCA) e técnicas de vibração. Os impactos dos custos na energia, produção e manutenção serão delineados.

O tópico envolverá um estudo de utilidade e o sucesso da transformação do mercado do Departamento de Energia dos EUA durante 2000 e 2001. As principais áreas de preocupação são equilíbrio de fase, barras de rotor, limpeza e problemas de rolamento.

Introdução

Os motores elétricos são o principal motor da indústria e nosso conforto geral em edifícios comerciais. Os sistemas motorizados consomem 20% de toda a energia usada nos Estados Unidos e 59% de toda a eletricidade gerada. Dentro de cada setor:

• 78% da energia elétrica em sistemas industriais (mais de 90% em indústrias de processo)
• 43% da energia elétrica em edifícios comerciais
• 37% da energia elétrica em casa

Existem bem mais de 1,2 bilhão de motores elétricos, de todos os tipos, usados ​​nos Estados Unidos. No entanto, os motores elétricos costumam ficar fora de vista, esquecidos até que a produção seja interrompida devido a um desgaste ou falha catastrófica do rolamento.

É importante entender que o equipamento geralmente falha com o tempo, a confiabilidade diminui e as perdas aumentam (a eficiência diminui) com o tempo, antes da maioria das falhas catastróficas.

Embora algumas falhas de equipamento sejam instantâneas, a grande maioria das falhas catastróficas que afetam a produção são o resultado de uma falha na implementação de um programa de manutenção.

Essa falha se deve principalmente ao fato de a administração não compreender totalmente que a manutenção é um investimento no negócio e não uma despesa para fazer negócios.

Se você não investe em materiais, equipamentos e pessoas, você não tem produto para vender:Se você não investe em práticas de manutenção preditiva (manutenção preventiva, Manutenção Produtiva Total, Manutenção Centrada em Confiabilidade ou qualquer outro programa), você não tem produto para vender ou menos a um custo de produção geral mais alto.

A implementação adequada de um programa de manutenção demonstrou reduzir o consumo de energia nas fábricas em até 14% ^{1 2} , ao mesmo tempo que reduz o tempo de inatividade não planejado da produção. Os custos médios do tempo de inatividade são mostrados a seguir:

Tabela 1:Estimativas para custos de inatividade ³

Em um projeto recente de energia e confiabilidade de concessionária, um grupo de motores elétricos de cinco a 200 cavalos de potência foi revisado em várias indústrias, incluindo:Petróleo e Química; Produtos Florestais; Processamento de comida; Mineração (Pedreira); e Papel e Celulose.

As usinas variaram de não ter um programa de manutenção planejado existente até a implementação completa, incluindo um programa de energia existente. Destes motores, avaliados aleatoriamente, 80% foram encontrados para ter pelo menos uma deficiência com 60% daqueles (48% do original) considerada econômica para substituir.

As usinas sem programas apresentaram o maior número de motores defeituosos; as plantas com programas de manutenção e energia existentes tinham o menor número de motores defeituosos.

Oito por cento dos motores foram avaliados para determinar os tipos de falhas e a possível redução de custos com ação corretiva (reparar ou substituir) usando análise de vibração e análise do circuito do motor (MCA). Vários tinham uma combinação de problemas elétricos e mecânicos:

Tabela 2:Resultados do projeto de energia elétrica

Vários motores combinaram vibração e falhas elétricas. Alguns tinham falhas de enrolamento combinadas com falhas de resistência de isolamento. Vários enrolamentos em curto que continuavam a causar problemas de produção, mas foram cancelados como viagens incômodas (detectadas no estudo usando MCA). “As descobertas da parte avançada do projeto de demonstração do Motor PAT Tool indicam que a medição do desequilíbrio de fase de resistência, indutância, impedância, ângulo de fase e I / F (resposta de corrente / frequência) forneceu resultados mais úteis.” ⁴

O custo de produção incremental combinado evitado de 20 dos motores defeituosos, de cinco a 250 cavalos de potência, foi de $ 297.100, tornando os custos de implementação insignificantes.

O objetivo deste artigo é primeiro fornecer informações para determinar a redução de custos por meio da aplicação de um programa de manutenção em motores elétricos. Isso será seguido por uma discussão sobre a implementação da análise do circuito do motor (MCA) e análise de vibração.

Prevenção de custos por meio da manutenção

Existem várias maneiras de determinar a redução de custos por meio da implementação de programas de manutenção. Nesta discussão, o foco estará nos métodos introduzidos por meio dos Centros de Avaliação Industrial (IACs) do Departamento de Energia dos EUA, que fornecem um método muito básico e conservador.

O projeto de demonstração da ferramenta PAT usou um método muito mais complexo ⁵ , que está fora do escopo deste artigo. No entanto, algumas das ferramentas, como MotorMaster Plus ⁶ , será usado para fornecer informações de custo para custos de reparo do motor.

Os representantes das concessionárias indicaram que, em uma pesquisa de instalações sem programas de manutenção preventiva, o rebobinamento do motor representou 85% do número total de reparos do motor (em média).

Após o estabelecimento de programas de manutenção preventiva, o número de rebobinamentos foi reduzido para cerca de 20% do total. ⁷ Esta declaração foi considerada verdadeira por meio de projetos de pesquisa, incluindo:Programa de Gerenciamento e Manutenção do Sistema Total de Motor da Dreisilker (DTM 2), o Projeto de Ferramenta PAT e outros.

Para o propósito desta discussão, consideraremos uma fábrica de papel cartão com 485 motores. Existem duas linhas de produção em operação com um custo potencial de paralisação de $ 6.575 cada.

Em média, três motores eram consertados por mês, dos quais a maioria (70%) exigia a troca do rebobinamento (normalmente causada por imersão, contaminação ou os motores ficaram revestidos de material).

A instalação operava 8.000 horas por ano, com as falhas catastróficas normalmente causando a falha de uma linha por vez. Os custos adicionais não cobertos por esta discussão incluem a limpeza do sistema antes de reiniciar a operação. Nenhum programa de manutenção em vigor.

Tabela 3:Análise da potência do motor e custos de reparo

A primeira etapa é calcular os custos de paralisação da produção não planejada:

Equação 1:Custo de inatividade de produção não planejada

_{Tempo de inatividade} do PC =(MF / ano) x (P _Perdido / falha) x (P _Custo )

=(36 motores / ano) x (4 horas / falha) x ($ 6.575 / hora)

=$ 946.800 / ano

Onde PC é o custo anual de tempo de inatividade não planejado, MF é o número de falhas do motor, P representa a produção.

A etapa 2 é calcular o custo médio do equipamento de rebobinagem. Nesse caso, nos concentraremos em apenas 20 cavalos de potência ou mais.

Equação 2:Custo Médio de Motores de Rebobinamento

R _média =((N _n1 x RWC _n1 ) +… + (Nnn x RWC _nn )) / N _T

=((15 ₂₀ x $ 660 ₂₀ ) + (10 ₂₅ x $ 760 ₂₅ ) +… + (4 ₇₅₀ x $ 7735 ₇₅₀ )) / 138 motores

=$ 1.650

Onde R _avg é o custo médio de retrocesso, N _n é o número de motores para cada cavalo-vapor, RWC _n é o custo de retrocesso para cada cavalo-vapor

O custo médio de recondicionamento dos motores é calculado da mesma forma, exceto que o custo de recondicionamento é utilizado em vez dos custos de rebobinamento. Para este exemplo, o custo médio de recondicionamento seria de $ 555.

A etapa 3 é calcular o custo médio de reparo por motor antes e depois da implementação da manutenção.

Equação 3:Custo Médio de Reparo por Motor

R _média =(% Recondicionamento x $ / recondicionamento) + (% retrocesso x $ / retrocesso)

=(30% x $ 555) + (70% x $ 1.650)

=$ 1.322 / motor

Supondo que o número de motores rebobinados vs. recondicionados seria inverso com a aplicação do programa, o número de motores rebobinados seria de 30% e o custo médio de reparo seria de $ 884 por motor.

Assim que o programa for implementado, o número de motores a serem reparados, em geral, será reduzido.

A etapa 4 usa o número de motores reparados por ano e a diferença entre os motores recondicionados e rebobinados para chegar a uma estimativa conservadora de economia.

Equação 4:Estimativa de redução de custos de reparo (RRC _est )

RRC _est =(motores reparados / ano x custos de reparo inicial) (motores reparados / ano x novos custos de reparo)

=(36 motores / ano x $ 1.322 / motor) (36 motores / ano x $ 884 / motor)

=$ 15.768 por ano

A etapa 5 é determinar a economia potencial de energia. Para fins de estimativa conservadora, uma melhoria de 2% na eficiência será assumida. Os componentes de manutenção incluem (e o tipo de sistema de teste, vibração e MCA apenas, para este artigo, usado para avaliar):

• Lubrificação aprimorada (vibração)
• Alinhamento e balanceamento adequados (vibração)
• Correção de desequilíbrios de circuito (MCA)
• Temperatura do motor reduzida (MCA, vibração)
• Perdas de eficiência reduzidas causadas por rebobinamentos (Departamento de Energia dos EUA estima uma porcentagem
• redução de eficiência de pontos por retrocesso)
• Melhor desempenho do sistema de acionamento

Equação 5:Economia de custos de energia

Economia de energia =(hp total dos motores considerados) x (fator de carga) x (horas de operação) x (% de economia) x (0,746 kW / hp) x (custos de uso elétrico)

=14.930 cavalos de potência x 75% de carga x 8.000 horas x 2% de economia x 0,746 kW / hp x $ 0,06 / kWh

=$ 80.192 por ano

A etapa 6 é determinar os custos de mão de obra interna para implementar o programa. Suponha um homem-hora por motor por ano. Os custos estimados para este exemplo serão baseados em $ 25 por hora.

Equação 6:Custos de mão de obra interna

Mão de obra =(1 hora / mês / motor) x (# de motores) x (12 meses / ano) x ($ / hora-homem)

=1 hora / mês / motor x 138 motores x 12 meses / ano x ($ 25 / homem-hora)

=$ 41.400 por ano

A etapa 7 é o preço de compra do MCA e do equipamento de análise de vibração. Para os fins deste artigo, serão utilizados os mesmos equipamentos selecionados para a concessionária PAT Projeto. Os custos combinados estimados para o ALL-TEST IV PRO O instrumento MCA 2000 e o equipamento de análise de vibração da Pruftechnik custam US $ 22.000.

O passo 8 são os custos de treinamento para implementação do sistema. Assumindo custos de treinamento de equipamento de $ 4.500 por pessoa e custos de treinamento de manutenção de $ 6.000 por pessoa, o custo deve ser de aproximadamente $ 10.500 por pessoa.

A etapa final é determinar o retorno simples para a implementação do programa. No caso deste exemplo, suponha uma redução de 50% no tempo de inatividade não planejado para o primeiro ano:

Tabela 4:Custos e economia para implementação de manutenção

Equação 7:Retorno de manutenção simples

Retorno =(Custo total por ano) / (economia total por ano)

=$ 73.900 / $ 569.360

=0,13 anos ou 1,6 meses

O tamanho menor desta planta em particular permitiria a implementação completa de um programa de manutenção. As fábricas maiores geralmente têm milhares de motores elétricos e podem exigir uma divisão de departamentos ou áreas para uma implementação bem-sucedida.

Aplicação de Análise de Vibração

A análise de vibração é usada por profissionais de manutenção como um meio de detectar falhas mecânicas e algumas falhas elétricas limitadas em equipamentos rotativos. Ao realizar testes programados regularmente, a confiabilidade operacional de um motor elétrico pode ser determinada por meio de tendências.

Com base na falha do rolamento, lubrificação, tensão da correia, desalinhamento ou outros desequilíbrios, podem ocorrer aumentos nas perdas de energia. Essas perdas se manifestam como vibração, ruído e calor. A tensão e a lubrificação inadequadas da correia aumentam a fricção e as perdas por vento do motor. Isso pode ser calculado como:

Equação 8:Perdas de rolamento

Perda de Watts =(carga, lbs x JournalDiameter, polegadas x rpm x f) / 169

f depende do óleo usado e da temperatura; 0,005 é típico

A análise de vibração para solução de problemas detectará falhas de rolamentos (41% das falhas), falhas de equilíbrio e alinhamento (12% das falhas), principalmente. Ele também detectará falhas do rotor (10% das falhas) e algumas falhas elétricas (37% das falhas), até certo ponto.

No entanto, as falhas elétricas e do rotor tendem a cair em faixas de frequência que podem estar relacionadas a outros equipamentos e estão diretamente relacionadas à carga. A análise de vibração requer que o motor elétrico opere com uma carga constante durante cada teste que será testado.

Aplicação da Análise do Circuito do Motor

Existem muitas ferramentas disponíveis para realizar a manutenção preventiva de qualidade de motores individuais. Destes, os sistemas de análise do circuito do motor (MCA) são uma grande promessa para identificar problemas do motor antes de falhas caras e para melhorar a eficiência geral dos sistemas de motor em geral. ⁸

A análise do circuito do motor permite que o analista detecte falhas no enrolamento e no rotor do motor elétrico. Uma vantagem desse tipo de método de teste é que ele requer que o equipamento seja desenergizado, o que permite o teste de entrada inicial dos motores elétricos e a solução de problemas quando o equipamento falha. As perdas de energia primária que podem ser detectadas incluem desequilíbrio de fase e I ² R perdas, enquanto as falhas incluem enrolamentos em curto, conexões soltas, falhas de aterramento e falhas do rotor.

Uma falha resistiva cede calor, como uma perda. Por exemplo, uma conexão frouxa de 0,5 ohm em um motor elétrico de 100 cavalos de potência operando a 95 amperes:

Equação 9:Perdas Resistivas

Perda de quilo-watts =(I ² R) / 1000

=(95 ² x 0,5) / 1000

=4,5 kW (perda de demanda)

Equação 10:Perda de uso de energia

$ / ano =kW x horas / ano x $ / kWh

=4,5 kW x 8.000 horas / ano x $ 0,06 / kWh

=$ 2.160 por ano

Os desequilíbrios de fase do motor elétrico (indutância e impedância) afetam os desequilíbrios de corrente, fazem com que os motores funcionem mais quentes e reduzem a capacidade do motor de produzir torque. O desequilíbrio percentual da impedância pode ser avaliado para determinar a redução da eficiência e o aquecimento adicional do motor elétrico. Uma regra geral é que, para cada aumento de 10 graus Celsius na temperatura de operação, a vida útil do equipamento é reduzida pela metade.

Figura 1. Redução de eficiência devido ao desequilíbrio de impedância

Por exemplo, a empresa de papel cartão possui um motor elétrico de 100 cavalos de potência, que normalmente seria 95% eficiente, com desequilíbrio de impedância de 3,5%. A eficiência seria reduzida em 4 pontos de eficiência, ou para 91%.

Equação 10:Custo de energia devido a perdas por desequilíbrio de fase

Economia de $ / ano =hp x 0,746 x% de carga x $ / kWh x horas de operação ((100 / Le) (100 / He))

=100 cv x 0,756 x 0,75 carga x $ 0,06 / kWh x 8.000 horas ((100/91) (100/95))

=$ 1.240 / ano

Figura 2. Aumento no aumento da temperatura devido ao desequilíbrio de fase

O desequilíbrio da impedância também causará um aumento na temperatura de operação com base em um aumento em I ² Perdas R. No caso do motor elétrico de 100 cavalos de potência, isso significa um aumento de temperatura de cerca de 30 graus Celsius ou uma redução na vida do isolamento do motor para 13% do seu original.

A análise do circuito do motor também é usada para avaliar os enrolamentos quanto à contaminação. “A limpeza frequente da entrada de um motor (se houver) e das aletas de resfriamento é especialmente importante em ambientes sujos. … Os testes confirmam que mesmo motores de serviço severo, com classificação generosa e de tamanho grande podem falhar rapidamente em tais condições se ficarem com revestimento espesso ou levemente revestido e com seu fluxo de ar reduzido pela metade. Sua vida de isolamento pode então cair para 13 a 25% do normal. ” ⁹ O mesmo fenômeno ocorre se os enrolamentos ficarem revestidos de contaminantes.

O teste do rotor MCA requer leituras de indutância e impedância em 360 graus de rotação do rotor. As leituras são representadas graficamente e visualizadas quanto à simetria. Os resultados do teste do rotor fornecem uma condição definitiva do rotor e geralmente são realizados após a identificação de uma possível falha do rotor por vibração, como parte de um programa de aceitação, durante o reparo ou quando o motor é identificado como tendo problemas de torque.

Conclusão

A implementação de um programa de manutenção de motor elétrico terá um impacto significativo nos resultados financeiros de uma empresa. Quer a empresa tenha algumas centenas de motores ou muitos milhares, o simples retorno do investimento em vibração e MCA é geralmente concluído em meses. O retorno do investimento é impactado pela economia com a disponibilidade de produção, custos reduzidos de reparo de equipamentos e custos aprimorados de energia, tudo com um investimento mínimo em mão de obra, treinamento e equipamento.

A aplicação dessas duas tecnologias se complementam, ao mesmo tempo em que avalia o andamento do programa de manutenção e melhora a disponibilidade do equipamento. A análise de vibração avalia a condição mecânica do equipamento, enquanto o MCA avalia a condição elétrica do equipamento. Combinados, o analista tem a capacidade de visualizar a condição completa do motor elétrico.

Sobre o autor:

Howard W. Penrose, Ph.D., forneceu este artigo em nome do ALL-TEST Pro, LLC. Para obter mais informações, visite www.alltestpro.com, ligue para 860-399-4222 ou e-mail [email protected].

Referências
¹ Manual de Treinamento de Produtividade Industrial, Reunião Anual de Diretores IAC de 1996, Rutgers University, Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Tecnologias Industriais, 1996.

² Projeto de demonstração de ferramenta de teste de análise de desempenho de motores elétricos, Pacific Gas &Electric, 2001.

³ Manual de Treinamento de Produtividade Industrial, Reunião Anual de Diretores IAC de 1996, Rutgers University, Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Tecnologias Industriais, 1996.

⁴ Projeto de demonstração de ferramenta de teste de análise de desempenho de motores elétricos, Pacific Gas &Electric, 2001.

⁵ Projeto de demonstração de ferramenta de teste de análise de desempenho de motores elétricos, Pacific Gas &Electric, 2001.

⁶ MotorMaster Plus é um software de gerenciamento e energia de motor gratuito disponível no Departamento de Energia dos Estados Unidos; www.oit.doe.gov/bestpractices/.

⁷ Manual de Treinamento de Produtividade Industrial, Reunião Anual de Diretores IAC de 1996, Rutgers University, Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Tecnologias Industriais, 1996.

⁸ DrivePower, Capítulo 12, 1993

⁹ DrivePower, Capítulo 12, 1993