Dampak Kondisi pada Efisiensi dan Keandalan Motor

Artikel ini membahas dampak finansial dari kondisi motor terhadap efisiensi dan keandalan motor listrik dengan meninjau kombinasi analisis rangkaian motor (MCA) dan teknik getaran. Dampak biaya pada energi, produksi, dan pemeliharaan akan diuraikan.

Topiknya akan seputar studi utilitas dan keberhasilan transformasi pasar Departemen Energi AS selama tahun 2000 dan 2001. Bidang utama yang menjadi perhatian adalah keseimbangan fasa, batang rotor, masalah kebersihan dan bantalan.

Pengantar

Motor listrik adalah penggerak utama industri dan kenyamanan umum kami di gedung komersial. Sistem motor mengkonsumsi 20 persen dari semua energi yang digunakan di Amerika Serikat dan 59 persen dari semua listrik yang dihasilkan. Dalam setiap sektor:

• 78% energi listrik di sistem industri (lebih besar dari 90% di industri proses)
• 43% energi listrik di gedung komersial
• 37% dari energi listrik di rumah

Ada lebih dari 1,2 miliar motor listrik, dari semua jenis, yang digunakan di seluruh Amerika Serikat. Namun, motor listrik sering kali tidak terlihat, tidak terpikirkan hingga produksi turun karena kejenuhan atau kegagalan bantalan yang membawa bencana.

Penting untuk dipahami bahwa peralatan biasanya gagal seiring waktu, keandalan menurun, dan kerugian meningkat (efisiensi menurun) dari waktu ke waktu sebelum sebagian besar kegagalan bencana.

Meskipun beberapa kesalahan peralatan terjadi seketika, sebagian besar kesalahan besar yang berdampak pada produksi adalah akibat dari kegagalan dalam pelaksanaan program pemeliharaan.

Kegagalan ini terutama disebabkan oleh manajemen yang tidak sepenuhnya memahami bahwa pemeliharaan adalah investasi dalam bisnis dan bukan pengeluaran untuk menjalankan bisnis.

Jika Anda tidak berinvestasi dalam bahan, peralatan, dan orang, Anda tidak memiliki produk untuk dijual:Jika Anda tidak berinvestasi dalam praktik pemeliharaan prediktif (pemeliharaan preventif, Pemeliharaan Produktif Total, Pemeliharaan Berpusat Keandalan, atau program lainnya), Anda tidak memiliki produk untuk dijual atau lebih sedikit dengan biaya produksi keseluruhan yang lebih tinggi.

Implementasi yang tepat dari program pemeliharaan telah terbukti mengurangi konsumsi energi di pembangkit sebanyak 14% ^{1 2} , sekaligus mengurangi waktu henti produksi yang tidak direncanakan. Biaya waktu henti rata-rata ditunjukkan sebagai berikut:

Tabel 1:Perkiraan Biaya Waktu Henti ³

Dalam proyek energi dan keandalan utilitas baru-baru ini, sekelompok motor listrik dari lima hingga 200 tenaga kuda ditinjau di beberapa industri, termasuk:Perminyakan dan Kimia; Hasil Hutan; Pengolahan makanan; Pertambangan (Quarry); dan Pulp &Kertas.

Pembangkit bervariasi dari tidak memiliki program pemeliharaan terencana hingga implementasi penuh, termasuk program energi yang ada. Dari motor-motor ini, dievaluasi secara acak, 80% ditemukan memiliki setidaknya satu kekurangan dengan 60% di antaranya (48% dari yang asli) ditemukan hemat biaya untuk diganti.

Pabrik tanpa program memiliki jumlah motor yang rusak paling banyak; pabrik dengan program pemeliharaan dan energi yang ada memiliki jumlah motor yang rusak paling sedikit.

Delapan persen dari motor dievaluasi untuk menentukan jenis kesalahan dan potensi penghindaran biaya dengan tindakan korektif (memperbaiki atau mengganti) dengan menggunakan analisis getaran dan analisis sirkuit motor (MCA). Beberapa memiliki kombinasi masalah listrik dan mekanik:

Tabel 2:Temuan Proyek Energi Utilitas

Beberapa motor memiliki kombinasi getaran dan gangguan listrik. Beberapa memiliki gangguan belitan yang dikombinasikan dengan gangguan tahanan isolasi. Beberapa memiliki belitan korsleting yang terus menyebabkan masalah produksi, tetapi dihapuskan sebagai perjalanan gangguan (terdeteksi dalam penelitian dengan menggunakan MCA). “Temuan bagian lanjutan dari proyek demonstrasi Alat PAT Motor menunjukkan bahwa pengukuran untuk ketidakseimbangan fase resistansi, induktansi, impedansi, sudut fase dan I/F (respon arus/frekuensi) memberikan hasil yang lebih berguna.” ⁴

Penghindaran biaya produksi tambahan gabungan dari 20 motor yang rusak, dari lima menjadi 250 tenaga kuda, adalah $297.100, sehingga biaya implementasi menjadi tidak signifikan.

Tujuan dari artikel ini adalah untuk terlebih dahulu memberikan informasi untuk menentukan penghindaran biaya melalui penerapan program perawatan pada motor listrik. Ini akan diikuti dengan diskusi tentang implementasi analisis rangkaian motor (MCA) dan analisis getaran.

Penghindaran Biaya melalui Pemeliharaan

Ada beberapa cara untuk menentukan penghindaran biaya melalui penerapan program pemeliharaan. Dalam diskusi ini, fokusnya adalah pada metode yang diperkenalkan melalui Pusat Penilaian Industri (IAC) Departemen Energi AS, yang menyediakan metode yang sangat mendasar dan konservatif.

Proyek Demonstrasi Alat PAT menggunakan metode yang jauh lebih kompleks ⁵ , yang berada di luar cakupan artikel ini. Namun, beberapa alat, seperti MotorMaster Plus ⁶ , akan digunakan untuk memberikan informasi biaya untuk biaya perbaikan motor.

Perwakilan utilitas telah menunjukkan bahwa dalam survei fasilitas tanpa program pemeliharaan preventif, penggulungan ulang motor mewakili 85% dari total jumlah perbaikan motor (rata-rata).

Setelah program pemeliharaan preventif ditetapkan, jumlah rewind dikurangi menjadi sekitar 20% dari total. ⁷ Pernyataan ini terbukti benar melalui proyek penelitian termasuk:Program Pemeliharaan dan Manajemen Sistem Motor Total (DTM 2) Dresilker, Proyek Alat PAT, dan lainnya.

Untuk tujuan diskusi ini, kami akan mempertimbangkan pabrik kertas karton dengan 485 motor. Ada dua lini produksi yang beroperasi dengan potensi biaya waktu henti masing-masing $6.575.

Rata-rata tiga motor diperbaiki per bulan, di mana mayoritas (70%) membutuhkan penggantian mundur (biasanya disebabkan oleh perendaman, kontaminasi atau motor menjadi dilapisi material).

Fasilitas beroperasi 8.000 jam per tahun, dengan kegagalan bencana biasanya menyebabkan satu jalur gagal pada satu waktu. Biaya tambahan yang tidak tercakup dalam diskusi ini termasuk pembersihan sistem sebelum memulai kembali operasi. Tidak ada program pemeliharaan.

Tabel 3:Rincian Tenaga Motor dan Biaya Perbaikan

Langkah pertama adalah menghitung biaya penghentian produksi yang tidak direncanakan:

Persamaan 1:Biaya Waktu Henti Produksi yang Tidak Direncanakan

PC_{Waktu Henti} =(MF/tahun) x (P_Hilang /gagal) x (P_Biaya )

=(36 motor/tahun) x (4 jam/gagal) x ($6,575/jam)

=$946.800/tahun

Di mana PC adalah biaya tahunan dari waktu henti yang tidak direncanakan, MF adalah jumlah kegagalan motor, P mewakili produksi.

Langkah 2 adalah menghitung biaya rata-rata peralatan rewinding. Dalam hal ini, kami akan berkonsentrasi hanya pada 20 tenaga kuda dan lebih besar.

Persamaan 2:Biaya Rata-rata Motor Rewinding

R_rata-rata =((N_n1 x RWC_n1 ) + … + (Nnn x RWC_nn ))/N_T

=((15₂₀ x $660₂₀ ) + (10₂₅ x $760₂₅ ) + … + (4₇₅₀ x $7735₇₅₀ )) / 138 motor

=$1.650

Di mana R_rata-rata adalah biaya rewind rata-rata, N_n adalah jumlah motor untuk setiap tenaga kuda, RWC_n adalah biaya mundur untuk setiap tenaga kuda

Biaya rata-rata untuk rekondisi motor dihitung dengan cara yang sama, kecuali biaya rekondisi digunakan sebagai pengganti biaya rewind. Untuk contoh ini, biaya rekondisi rata-rata adalah $555.

Langkah 3 adalah menghitung biaya perbaikan rata-rata per motor sebelum dan sesudah pelaksanaan pemeliharaan.

Persamaan 3:Biaya Perbaikan Rata-rata per Motor

R_rata-rata =(% Rekondisi x $/Rekondisi) + (% Mundur x $/Mundur)

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

=$1,322 / motor

Dengan asumsi bahwa jumlah motor yang digulung ulang vs. direkondisi akan berbanding terbalik dengan penerapan program, jumlah motor yang digulung ulang adalah 30%, dan biaya rata-rata perbaikan adalah $884 per motor.

Setelah program diimplementasikan, jumlah motor yang akan diperbaiki, secara keseluruhan, akan berkurang.

Langkah 4 menggunakan jumlah motor yang diperbaiki per tahun dan selisih antara motor yang direkondisi vs. yang digulung ulang untuk menghasilkan perkiraan penghematan yang konservatif.

Persamaan 4:Estimasi Pengurangan Biaya Perbaikan (RRC_est )

RRC_est =(motor diperbaiki/tahun x biaya perbaikan awal) (motor diperbaiki/tahun x biaya perbaikan baru)

=(36 motor/tahun x $1,322/motor) (36 motor/tahun x $884/motor)

=$15.768 per tahun

Langkah 5 adalah menentukan potensi penghematan energi. Untuk tujuan estimasi konservatif, peningkatan efisiensi sebesar 2% akan diasumsikan. Komponen pemeliharaan meliputi (dan jenis sistem pengujian, getaran, dan MCA saja, untuk artikel ini, digunakan untuk mengevaluasi):

• Peningkatan pelumasan (getaran)
• Penjajaran dan penyeimbangan (getaran) yang tepat
• Koreksi ketidakseimbangan sirkuit (MCA)
• Penurunan suhu motor (MCA, getaran)
• Pengurangan kerugian efisiensi yang disebabkan oleh pemutaran ulang (Departemen Energi A.S. memperkirakan satu persentase
• pengurangan efisiensi poin per mundur)
• Peningkatan kinerja sistem penggerak

Persamaan 5:Penghematan Biaya Energi

Penghematan Energi =(total hp motor yang dipertimbangkan) x (faktor beban) x (jam operasi) x (% penghematan) x (0,746 kW/hp) x (Biaya penggunaan listrik)

=14.930 tenaga kuda x beban 75% x 8.000 jam x penghematan 2% x 0,746 kW/hp x $0,06/kWh

=$80.192 per tahun

Langkah 6 adalah menentukan biaya tenaga kerja internal untuk melaksanakan program. Asumsikan satu jam kerja per motor per tahun. Perkiraan biaya untuk contoh ini akan didasarkan pada $25 per jam.

Persamaan 6:Biaya Tenaga Kerja In-House

Tenaga kerja =(1 jam/bulan/motor) x (# motor) x (12 bulan/tahun) x ($/jam kerja)

=1 jam/bulan/motor x 138 motor x 12 bulan/tahun x ($25/jam kerja)

=$41.400 per tahun

Langkah 7 adalah harga pembelian untuk MCA dan peralatan analisis getaran. Untuk tujuan artikel ini, peralatan yang sama yang dipilih untuk Proyek PAT utilitas akan digunakan. Perkiraan biaya gabungan untuk ALL-TEST IV PRO 2000 instrumen MCA dan peralatan analisis getaran Pruftechnik adalah $22.000.

Langkah 8 adalah biaya pelatihan untuk mengimplementasikan sistem. Dengan asumsi biaya pelatihan peralatan sebesar $4.500 per orang dan biaya pelatihan pemeliharaan sebesar $6.000 per orang, biayanya seharusnya sekitar $10.500 per orang.

Langkah terakhir adalah menentukan pengembalian sederhana untuk implementasi program. Dalam kasus contoh ini, asumsikan pengurangan 50% pada waktu henti yang tidak direncanakan untuk tahun pertama:

Tabel 4:Biaya dan Penghematan untuk Implementasi Pemeliharaan

Persamaan 7:Pengembalian Pemeliharaan Sederhana

Payback =(Total Biaya per Tahun) / (Total Penghematan per Tahun)

=$73.900 / $569.360

=0,13 tahun atau 1,6 bulan

Ukuran yang lebih kecil dari pabrik khusus ini akan memungkinkan implementasi lengkap dari program pemeliharaan. Pabrik manufaktur yang lebih besar sering kali memiliki ribuan motor listrik dan mungkin memerlukan rincian departemen atau area agar implementasinya berhasil.

Aplikasi Analisis Getaran

Analisis getaran digunakan oleh para profesional perawatan sebagai sarana untuk mendeteksi kerusakan mekanis dan beberapa gangguan listrik terbatas pada peralatan yang berputar. Dengan melakukan pengujian terjadwal secara rutin, keandalan pengoperasian motor listrik dapat ditentukan melalui trending.

Berdasarkan kegagalan bantalan, pelumasan, ketegangan sabuk, ketidaksejajaran atau ketidakseimbangan lainnya, peningkatan kehilangan energi dapat terjadi. Kerugian ini ditunjukkan sebagai getaran, kebisingan dan panas. Ketegangan dan pelumasan sabuk yang tidak tepat akan meningkatkan kerugian gesekan dan angin pada motor. Ini dapat dihitung sebagai:

Persamaan 8:Kerugian Bearing

Watt Loss =(beban,lbs x Diameter Jurnal,inci x rpm x f) / 169

f tergantung pada oli yang digunakan dan suhu; 0,005 adalah tipikal

Analisis getaran untuk pemecahan masalah terutama akan mendeteksi kesalahan bantalan (41% kegagalan), keseimbangan dan keselarasan (12% kegagalan). Ini juga akan mendeteksi kesalahan rotor (10% dari kegagalan) dan beberapa kesalahan listrik (37% dari kegagalan), sampai batas tertentu.

Namun, gangguan listrik dan rotor cenderung jatuh dalam rentang frekuensi yang dapat dikaitkan dengan peralatan lain, dan secara langsung terkait dengan beban. Analisis getaran mengharuskan motor listrik beroperasi pada beban yang konstan selama setiap pengujian yang akan ditren.

Aplikasi Analisis Rangkaian Motor

Ada banyak alat yang tersedia untuk melakukan pemeliharaan preventif kualitas masing-masing motor. Dari jumlah tersebut, sistem analisis sirkuit motor (MCA) sangat menjanjikan untuk mengidentifikasi masalah motor sebelum kegagalan yang mahal dan untuk meningkatkan efisiensi umum sistem motor secara umum. ⁸

Analisis rangkaian motor memungkinkan analis untuk mendeteksi kesalahan belitan dan kesalahan rotor di motor listrik. Salah satu kekuatan dari jenis metode pengujian ini adalah bahwa hal itu memerlukan peralatan untuk dihilangkan energinya, yang memungkinkan pengujian awal motor listrik yang masuk dan pemecahan masalah ketika peralatan gagal. Kehilangan energi primer yang dapat dideteksi antara lain ketidakseimbangan fasa dan I ² Rugi-rugi R, sedangkan gangguan meliputi korsleting belitan, sambungan kendor, gangguan arde, dan gangguan rotor.

Sebuah kesalahan resistif memberikan panas, sebagai kerugian. Misalnya, sambungan longgar 0,5 ohm pada motor listrik 100 tenaga kuda yang beroperasi pada 95 amp:

Persamaan 9:Kerugian Resistif

Rugi Kilo-Watt =(I ² R)/1000

=(95 ² x 0,5)/1000

=4,5 kW (kehilangan permintaan)

Persamaan 10:Kehilangan Penggunaan Energi

$/tahun =kW x jam/tahun x $/kWh

=4,5 kW x 8000 jam/tahun x $0,06/kWh

=$2.160 per tahun

Ketidakseimbangan fasa motor listrik (induktansi dan impedansi) mempengaruhi ketidakseimbangan arus, menyebabkan motor berjalan lebih panas dan mengurangi kemampuan motor untuk menghasilkan torsi. Persentase ketidakseimbangan impedansi dapat dievaluasi untuk menentukan pengurangan efisiensi dan pemanasan tambahan motor listrik. Aturan umumnya adalah, untuk setiap peningkatan suhu operasi 10 derajat Celcius, masa pakai peralatan berkurang setengahnya.

Gambar 1. Pengurangan Efisiensi Karena Ketidakseimbangan Impedansi

Misalnya, perusahaan karton memiliki motor listrik 100 tenaga kuda, yang biasanya 95% efisien, yang memiliki ketidakseimbangan impedansi 3,5%. Efisiensi akan berkurang 4 poin efisiensi, atau menjadi 91%.

Persamaan 10:Biaya Energi Akibat Kehilangan Ketidakseimbangan Fase

Penghematan $/tahun =hp x 0,746 x %beban x $/kWh x jam operasi ((100/Le) (100/He))

=100 hp x 0,756 x beban 0,75 x $0,06/kWh x 8000 jam ((100/91) (100/95))

=$1.240 / tahun

Gambar 2. Peningkatan Kenaikan Suhu Karena Ketidakseimbangan Fase

Ketidakseimbangan impedansi juga akan menyebabkan peningkatan suhu operasi berdasarkan peningkatan I ² R kerugian. Dalam kasus motor listrik 100 tenaga kuda, ini berarti kenaikan suhu sekitar 30 derajat Celcius, atau pengurangan masa pakai isolasi motor hingga 13% dari aslinya.

Analisis rangkaian motor juga digunakan untuk mengevaluasi belitan untuk kontaminasi. “Sering membersihkan intake motor (jika ada) dan sirip pendingin sangat penting di lingkungan yang kotor. … Pengujian mengkonfirmasi bahwa bahkan motor tugas berat, dengan rating yang baik, dan motor yang terlalu besar dapat dengan cepat gagal dalam kondisi seperti itu jika menjadi dilapisi tebal atau jika dilapisi ringan dan dengan aliran udara berkurang setengahnya. Kehidupan isolasi mereka kemudian dapat turun menjadi 13 hingga 25% dari normal. ” ⁹ Fenomena yang sama terjadi jika belitan menjadi dilapisi kontaminan.

Uji rotor MCA membutuhkan pembacaan induktansi dan impedansi melalui 360 derajat rotasi rotor. Pembacaan grafik dan dilihat untuk simetri. Hasil pengujian rotor memberikan kondisi rotor yang pasti dan sering dilakukan setelah identifikasi kemungkinan kesalahan rotor oleh getaran, sebagai bagian dari program penerimaan, selama perbaikan atau ketika motor diidentifikasi memiliki masalah torsi.

Kesimpulan

Pelaksanaan program perawatan motor listrik akan berdampak signifikan terhadap bottom line perusahaan. Apakah perusahaan memiliki beberapa ratus motor atau ribuan, pengembalian sederhana dari investasi menjadi getaran dan MCA biasanya disebut dalam bulan. Pengembalian dipengaruhi oleh penghematan dari ketersediaan produksi, pengurangan biaya perbaikan peralatan, dan peningkatan biaya energi, semua dengan investasi minimum dalam tenaga kerja, pelatihan, dan peralatan.

Penerapan kedua teknologi ini saling melengkapi sekaligus mengevaluasi kemajuan program pemeliharaan dan meningkatkan ketersediaan peralatan. Analisis getaran mengevaluasi kondisi mekanis peralatan sementara MCA mengevaluasi kondisi kelistrikan peralatan. Gabungan, analis memiliki kemampuan untuk melihat kondisi lengkap motor listrik.

Tentang penulis:

Howard W. Penrose, Ph.D., menyediakan artikel ini atas nama ALL-TEST Pro, LLC. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi www.alltestpro.com, hubungi 860-399-4222 atau email [email protected].

Referensi
¹ Manual Pelatihan Produktivitas Industri, Pertemuan Tahunan Direktur IAC 1996, Universitas Rutgers, Kantor Teknologi Industri Departemen Energi AS, 1996.

² Proyek Demonstrasi Alat Uji Analisis Kinerja Motor Listrik, Pacific Gas &Electric, 2001.

³ Manual Pelatihan Produktivitas Industri, Pertemuan Tahunan Direktur IAC 1996, Universitas Rutgers, Kantor Teknologi Industri Departemen Energi AS, 1996.

⁴ Proyek Demonstrasi Alat Uji Analisis Kinerja Motor Listrik, Pacific Gas &Electric, 2001.

⁵ Proyek Demonstrasi Alat Uji Analisis Kinerja Motor Listrik, Pacific Gas &Electric, 2001.

⁶ MotorMaster Plus adalah perangkat lunak manajemen dan energi motor gratis yang tersedia melalui Departemen Energi AS; www.oit.doe.gov/bestpractices/.

⁷ Manual Pelatihan Produktivitas Industri, Pertemuan Tahunan Direktur IAC 1996, Universitas Rutgers, Kantor Teknologi Industri Departemen Energi AS, 1996.

⁸ DrivePower, Bab 12, 1993

⁹ DrivePower, Bab 12, 1993