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作者：Bin Huo，ADI公司產(chǎn)品應用工程師 摘要 電機故障或異常導致的電機效率下降可能會(huì )持續很長(cháng)時(shí)間，并會(huì )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(jiàn)的電機故障如何影響電機運行效率，同時(shí)探討了預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(gè)案例研究，展示了OtoSense™ SMS應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(shí)代，融合了技術(shù)、機器人、人工智能和自動(dòng)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(shí)證明，借助狀態(tài)監控和預測性維護(CbM/PdM)來(lái)提升運營(yíng)效率，能夠在生產(chǎn)力、質(zhì)量、物流管理等層面優(yōu)化績(jì)效，助力達成可持續發(fā)展指標。ADI公司OtoSense™智能電機傳感器(SMS)技術(shù)是當今市場(chǎng)上先進(jìn)的CbM/PdM技術(shù)。本文概述了OtoSense SMS技術(shù)如何使電動(dòng)機運行更加節能。 電機效率和電機健康狀況 近年來(lái)，鑒于電機耗電量頗高，廠(chǎng)商投入了巨大努力來(lái)設計更高效率的感應電機。但有一個(gè)對電機效率影響顯著(zhù)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%區間。2 電機健康狀況不佳會(huì )導致其能效顯著(zhù)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(shí)才有效，即電機運行過(guò)程中沒(méi)有明顯異常、缺陷或故障的情況下。如果機器出現故障，即使處于故障早期，電機效率也會(huì )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展示了電能輸入轉化為機械能輸出的過(guò)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）、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計階段得以降低。 ► 異常功率損耗 包括電機狀況不佳導致的額外功率損耗，例如表1中列出的任意一種或多種電機故障。通過(guò)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(shí)際效率會(huì )低于額定效率。處于不健康狀態(tài)的電機可能會(huì )長(cháng)時(shí)間以低效率運行，直至發(fā)展成電機損壞并導致機器停機的嚴重情況，而且可能會(huì )產(chǎn)生大量的能量損耗。一項研究針對不同類(lèi)型的軸承故障對感應電機效率的影響展開(kāi)了調查。3 在研究過(guò)程中，對四種類(lèi)型的軸承故障進(jìn)行了測試：故障1，外圈出現裂紋；故障2，外圈出現孔洞；故障3，防護擋圈變形；故障4，軸承發(fā)生腐蝕。 軸承故障類(lèi)型1的示例照片如圖2所示。實(shí)驗裝置由一臺2.2 kW的三相感應電機組成，該電機由主電源控制單元供電，并與一臺制動(dòng)器相連。通過(guò)測量電機輸入電流、電壓和相位來(lái)計算電機輸入功率。通過(guò)測量電機負載扭矩和轉速來(lái)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(huì )導致在滿(mǎn)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，諸如轉子導條故障、定子繞組故障、電機軸未對準故障、底腳松動(dòng)故障、冷卻風(fēng)扇電機故障等電機故障，都會(huì )導致電機效率下降。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(lèi)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A(yíng)I的硬件和軟件完整解決方案，用于工業(yè)電機的狀態(tài)監控(CbM)和預測性維護(PdM)。它將先進(jìn)的檢測技術(shù)與數據分析相結合來(lái)監測電機的狀況。 該解決方案由硬件子系統和軟件子系統構成，軟件子系統包含一個(gè)云平臺、一個(gè)網(wǎng)頁(yè)應用程序以及一個(gè)移動(dòng)應用程序。云平臺搭載了基于機器學(xué)習的電機故障診斷AI算法。圖4展示了OtoSense SMS系統是示意圖。
圖4.OtoSense SMS系統是示意圖。 OtoSense SMS集成了ADI開(kāi)發(fā)的多種高性能傳感器，包括： ► 兩個(gè)低噪聲、高頻率MEMS加速度計ADXL1002，用于檢測x軸振動(dòng)和z軸振動(dòng)。 ► 兩個(gè)高準確度、16位數字溫度傳感器ADT7420，用于檢測電機機殼溫度和環(huán)境溫度。 還包括： ► 一個(gè)磁場(chǎng)傳感器，用于電機轉速檢測和電機電氣故障診斷。 ► 一個(gè)Wi-Fi處理器，借助2.4GHz Wi-Fi進(jìn)行數據傳輸，負責數據收集與打包。 OtoSense SMS傳感器是市面上用于檢測和解讀機器數據的出色解決方案。表1展示了OtoSense SMS傳感器能夠診斷和預測的常見(jiàn)電機故障： 表1.OtoSense SMS能夠診斷和預測的電機故障
利用OtoSense SMS提高電機運行效率 妥善維護有助于實(shí)現最大的經(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(shí)間。此外，電機效率對于節約每次運行的成本起著(zhù)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(lèi)型的故障會(huì )對機器效率產(chǎn)生程度各異的影響，具體故障類(lèi)型包括轉子故障、定子繞組不對稱(chēng)、絕緣系統故障、不平衡/未對準、通風(fēng)系統故障等。
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(jìn)行優(yōu)化。云平臺能讓用戶(hù)深入了解電機的運行狀況和維護需求。 憑借專(zhuān)有的OtoSense SMS預測性維護分析，用戶(hù)能夠在早期階段識別出九種最為常見(jiàn)的電機故障，并在故障對電機運行造成影響前完成修復。對于每種電機故障，都會(huì )計算出一個(gè)故障評分指數(FSI)，用以表示電機故障的嚴重程度。FSI是一個(gè)介于0到10之間的數值。當FSI數值高于7時(shí)，表明電機正處于良好的運行狀態(tài)；而當FSI數值介于5和7之間時(shí)，則意味著(zhù)已在早期階段察覺(jué)到電機故障，此時(shí)系統會(huì )向用戶(hù)發(fā)送低嚴重程度的預警通知郵件。 處于預警狀態(tài)的電機，雖在一定時(shí)間內仍可維持正常運轉，但鑒于電機已非健康狀態(tài)，運行效率會(huì )出現下滑。圖6展示的示例中，電機地腳松動(dòng)問(wèn)題在早期便被檢測出來(lái)，系統隨即發(fā)出了預警通知。用戶(hù)收到通知后，建議迅速采取相應的修復舉措，使電機運行狀態(tài)恢復至理想水平，從而讓電機能夠持續保持高效運轉。
圖6.示例展示了OtoSense SMS如何保持電機高效運行。 客戶(hù)案例研究1：OtoSense SMS用于壓縮機監控 壓縮機是工廠(chǎng)中最重要的設備之一。在這個(gè)用例中，OtoSense SMS器件被安裝于工廠(chǎng)的壓縮機上，用以執行全天候的持續監測。圖7顯示了這個(gè)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(hù)工廠(chǎng)的壓縮機上。 這臺壓縮機功率為400kW，每天24小時(shí)持續運轉。通常，每4.5年進(jìn)行一次大修。在大修之前，出現的電機故障主要是軸承故障，會(huì )使電機運行效率降低1.5%。經(jīng)過(guò)試用評估，客戶(hù)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(hù)發(fā)出了預警通知�？蛻�(hù)隨即采取了有效措施，成功避免了軸承受到永久性損壞，并預防了生產(chǎn)線(xiàn)意外停機。同時(shí)，由于迅速采取了修復措施，電機僅在預警狀態(tài)下運行了極短時(shí)間，便恢復至正常運行狀態(tài)。 此前，在未安裝OtoSense SMS的情況下，已觀(guān)察到能耗和二氧化碳排放均有降低，幅度約為2%，等同于節省了約2%的生產(chǎn)成本。隨著(zhù)投入使用的壓縮機數量增加，二氧化碳減排效果將愈發(fā)顯著(zhù)。例如，如果對100萬(wàn)臺相同規格、功率為400 kW的壓縮機進(jìn)行監測，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(shí)現能源/成本節約及二氧化碳減排：(a) 節約/減排效果（百分比）；(b) 400kW壓縮機數量增加時(shí)的二氧化碳減排效果示例。 客戶(hù)案例研究2：OtoSense SMS用于物料搬運系統 機場(chǎng)的行李傳送帶是一種高密度電機驅動(dòng)應用。如圖9所示，一套機場(chǎng)行李傳送帶系統可能由數千臺電機驅動(dòng)。 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成（參見(jiàn)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.傳送帶驅動(dòng)系統電機的TCO。 在電機使用過(guò)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%，并且假設機場(chǎng)行李傳送帶使用3000臺電機，那么在5年時(shí)間里節省的電費總額（以美元計）為： 5年節省的電費 = 3000 × 28000 × 2% = 1,680,000美元 換算為每年的節省金額，即1680000/5 = 336,000美元，大致相當于購買(mǎi)168臺新電機的成本。 結論 OtoSense SMS帶來(lái)的顯著(zhù)經(jīng)濟效益體現為電機運行效率提升后令成本得到降低。隨著(zhù)眾多企業(yè)將重點(diǎn)放在提高運營(yíng)效率、減少計劃外停機和實(shí)現可持續性發(fā)展上，采用狀態(tài)監控和預測性維護技術(shù)已成為一種必然需求。 OtoSense SMS技術(shù)為客戶(hù)提供電機狀態(tài)實(shí)時(shí)監控、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，從而實(shí)現節能。企業(yè)要想在未來(lái)十年內提升運營(yíng)效率并實(shí)現可持續發(fā)展目標，就必須落實(shí)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(huì )第45屆學(xué)術(shù)年會(huì )，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(huì )第34屆年會(huì )，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(huì )刊》，第66卷第10期，2019年10月。 作者簡(jiǎn)介 Bin Huo于2000年加入ADI公司，曾參與電機控制器DSP、Blackfin DSP、高速ADC轉換器和OtoSense智能電機傳感器等方面的工作，涉及芯片系統架構設計、應用參考設計和算法開(kāi)發(fā)。他在電機控制器逆變器系統設計、電機閉環(huán)控制算法、飛行時(shí)間(ToF)相機模塊設計及算法開(kāi)發(fā)等方面擁有豐富經(jīng)驗。Bin Huo擁有東京大學(xué)電氣工程博士學(xué)位，在相關(guān)研發(fā)領(lǐng)域擁有10多項發(fā)明專(zhuān)利。 |
