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电机管理战略，优化能源使用和降低生命周期成本
V. Dlamini, R. C. Bansal, R. Naidoo著
比勒陀利亚大学电子与计算机工程系, 南非,2014年一月
摘要：
随着能源成本的增加以及对能够维系环境的能源利用方式的重新关注,为了确保有效的利用能源,结构化的方法是必须的。本文介绍了一个全面的电机管理策略，可以减少电机的生命周期成本，同时提高其可靠性。通过能源管理的原则与节能电机的优点相结合的分析，提出为了确定最佳的经济模型，需要使用更高效率的电机。这种战略结合能够利用现场电机效率估计和状态监测技术改善电机的管理系统。
关键词：
电机效率；电机管理；维护；振动信号分析；能源效率；电机更换。
1.绪论
电机是工业的重要组成部分。它们在各种各样的设备和过程中被使用。这包括风扇，泵，压缩机，输送机驱动和机床。由于其在工业上的广泛应用，电机是电力消费的大户。电机可以占到一些国家的电力消耗量的三分之二。随着电力成本的不断增加，电机为减少能源消耗提供了一个巨大的机会。
节能技术可以减少能源消耗的大约11%到18%[ 1 ]。减少能源消耗能够降低企业的经营成本。这意味着能够有更少的功率被产生，从而减少各种排放到大气中的有害气体。
在一个工厂中，电机管理可以被描述为专注于减少电机的总成本的战略。电机拥有的成本包括电机的能量成本，购买电机的成本，维护电机的成本，以及由于电机相关过程中断而产生的商业成本。在一个工厂的电机维护中，一个全面的电机管理策略结合了最新技术的好处和应用的最佳实践。电机管理策略的最终目的是确保一个工厂在可靠的前提下最大可能的减少电机相关成本[ 3 ]。
本文概述了能源管理与电动机的一个焦点。对可以使用高效节能电机所获得的效益进行了讨论。研究了开发一个结构化的方法对电机管理的成本节约的影响。提出为了确定最佳时机的经济模型，需要使用更高效率的电机。这种战略结合能够利用现场电机效率估计和状态监测技术改善电机的管理系统。作为一个集成的实时电机管理系统的一部分，提出了非侵入式电机效率估计和状态监测技术的应用。
2. 能源管理概要
一个能源管理计划必须寻求减少对环境的不利影响。这可以通过了解企业如何使用能量和创造一种节能意识的方式来实现。为此高效的维护结构必须到位的[ 4 ]。
电机能量管理策略主要集中在负载管理、效率管理和功率因数校正几个方面。能源管理的出发点是进行能源审计。这决定了电厂如何消耗功率。一旦进行了审核，就有了节能的机会。实施计划可以落实到位。能源审计确定了以下领域的潜在改善[ 4 ]。
●操作的效率。
●计费系统的效率。
●维护活动效率。
在工厂中，操作的效率，需要评估的设计和操作的不同的过程，以确定他们是否使用能源效率。电机能量审计必须集中于电机的大小，并确定它们是如何匹配的负载要求。不正确的电机尺寸对电机的效率有不利的影响。电机大于所需就会导致工作效率低。这转化为能量损失。在额定负载的80%至75%之间，电机通常工作在最高效率。效率和功率因数都随着负载的减小而下降。通常使用大电机，以允许更高的未来负载，或为短期负荷要求作出规定[ 3 ]。
考虑到工厂的运营要求，需要进行分析，以确保经济的关税结构是最佳的。确定由电机的整体能源消耗的工厂的贡献也很重要。这样能够计算的潜在的节省，可以实现通过电机管理策略。工厂内的维修活动必须进行评估，确定标准。维修效果差，会使效率降低。
便携式测量记录仪在电机的负载曲线和效率估计方面对能源审计来说有很大的价值。它可用于确定电机的功率因素。
一旦已收集到的数据，必须立刻分析，这样就能从中寻找能源节约的机会。行动计划必须到位。以下方案可实施：
a)电机保持原样。
b)用一个新的标准电机来更换电机。
c)电机可以立即更换为一个更高效率的电机。
控制系统，如流量优化或变速驱动器，可以提高电机的效率[ 5 ]。
采取的行动取决于负载和工艺要求。分析工厂的流程，通过实施一个控制策略，可以获得优化过程效率的机会。作为一个可用的选项，经济最大限度的节省是必要的
3.电机更换
在这一节对电机更换策略的发展进行了讨论。以更换电机为节能电机的潜在利益的经济分析为工具。
3.1. 电机替换策略
用成本和环境效益的高效节能电机来替换一个标准的效率电机已被高度关注。电机替代的战略可以获得利益。这确保了明确的指导原则在于如何确保电机的操作与所需的可靠性和最佳的生命周期成本。在下列情况下，安装电机可以更换为一个高效的电机[ 6 ]：
a)当电机发生故障时；
b)当需要一个新的马达时；
c)当一个运行中的电机被替换时。
在每一种情况下，比较可用的选项的经济评价，以量化得到的好处。一个维修/更换策略必须考虑以下几点：
●对能源使用的影响；
●被花费的资本成本；
●电机的尺寸；
●电机的维修成本；
●电机的运行和维护历史；
●更换电机的成本；
●可更换的可用性[ 7 ].
所安装的电机的能量使用率和效率必须与一个节能的替代电机进行对比。节能电机提供了一个为工厂减少能源的成本的机会。这也是一个机会，来评估是否电机相对负载的大小适当。如果一个过大的电机运行在一个较低的效率水平，就是在浪费能源。维修费用可用于维修/更换的决定。如果电机维修成本超过一定比例的重置成本，电机必须更换一个节能电机。电机的运行和维修记录的是决策时的重要因素。一种电机的维修策略必须考虑电机的可靠性和故障的概率。如果一个电机已修了预定的次数，则应报废。一个高效节能的替代电机的可用性需要进行调查。如果更换电机消耗很长的时间，则会导致生产损失，甚至可能高于更换成本。如果运行关键的工艺设备没有备件，电机维修的提前期有不利的后果。在进行经济评价时必须考虑上述因素。
更新装置一个工厂引进节能电机提供了很好的机会。该工厂将使用节能电机产生效益。工厂的电机战略必须指定所有新的电机安装使用节能电机。可以做一个详细的分析，以确定引入一个高效的电机作为一个标准的效率电机，仍然在电机更换时具有可行性。一个对电机维护的影响的讨论能够左右电机更换的决定。
3.2. 经济分析
为了用节能电机取代一个标准效率电机，资本投资是必需的。在进行资本投资之前，必须进行经济分析，以确定投资回报率。投资回报率用来确定购买新电机的经济可行性。在实施电机更换或维修策略的一个挑战是，投资的财务效益可能只有几年后才能实现。资本投资的正当理由必须在被替换的时候获得。本节介绍了所需的经济分析方法。
在比较不同的经济投资选择时，有必要将它们转换为一个共同的基础。许多技术可以用来实现这样的比较。最广泛使用的方法是对比经济比较的回报，净现值，内部收益率，项目余额和年度当量方法。虽然所有的工具都可以使用，但是首选的方法是净现值和回收方法。这两种方法及其在电机的应用有比较详细的研究[ 4 ].
为了评估更换电机与节能电机是否是可行的，电机的信息是必需的。电力关税结构，每年的电机负载配置文件和电机效率曲线，以确定电机的年度功率消耗并进行比较。在工厂中，有一个既定的能量管理结构，每个电动机的负载配置文件可能也在其中。在这些信息不容易获得的情况下，可使用电测仪来确定电机的负载分布。
提出的效率估计技术[ 8 ]，可用于确定在电动机负载周期的每个点的电机效率曲线。可要求电机制造厂提供更换的节能电机的效率曲线，有效的利息，能源成本，通货膨胀率，电机更换成本，其预期的经营寿命，以确定净现值的投资所需的其他信息。
将实现的年度节余，更换电机与节能电机由（1）给出，[ 9 ]。
(1)
其中的单位为kW，L为全负载除以100，是每年的电机运行时间，Ｃ是平均每千瓦时的能源成本，是当前安装的电机的效率以及是用于替代的节能电机的效率。
在（1）中，假定在服务时，电机将在相同的负载下工作。为了能够比较总节余，实现净现值的节余，必须计算出电机的预期寿命。
一旦确定了每年的节余，自然电机的运行寿命的净现值也就可以确定。净现值是一种方法，用于计算将实现在一个扩展时期带来的节余的当量。把金钱的时间价值[ 4 ]考虑在内。这个计算必须包括购买新电机所需的资金成本和对电机运行寿命的预期通货膨胀率的预测。要确定节余的现值，就要计算有效利率（2）。
(2)
i是有效利率，是预期的年度能源成本通胀率以及是所需的投资回报率。
通货膨胀率和内部收益率在计算时间内被假定为是恒定的。在有效的利率已经计算，目前的价值，可以得到的节余可以从（3）确定。
(3)
是每年的节余，i是实际利率，n是新电机的预期寿命。当时的节余获得的现值可以相比，费用将在购买新电机时发生。如果新电机的成本低于节余，可获得一个商业案例的净现值。
在提供更换电机的经济理由时，回收期可作为决策的一种替代方法。一个电机替代研究投资回收期就是更换电机收益超过投资购买新电机的资本的时间。回收期可通过（4）计算，[ 9 ]。
(4)
是回收期，单位是年，是每年的节余， i是实际利率，是更换电机的成本。该新型电机的成本必须包括安装和卸载的劳动成本和停机时间的损失。当使用投资回收期决定更换电机的可行性，较短的回收期项目是最可行的。
在确定年度节余时应该指出的是，方程（1）只适用于电机在恒定负载运行。这是因为在考虑电机的效率将有不同的加载点。每年的节余不用考虑用电需求的收费。如果电机是按最大的需求做出的可预见的贡献，每年的节能计算需要修改考虑到这方面[ 10 ]。功率节省千瓦可以使用（5）计算。
(5)
每年的节余将减少的最大需量的确定使用公式（6）。
(6)
是节能的kW， 是电力需求量。年度总节余是由（7）得到的。年度总节能可以取代每年节省在表达式计算净现值和投资回收期：
(7)
如果电机负载不恒定，公式则需要每一个相对稳定的部分被施加到电机的负载周期相对稳定。
这样的负载配置文件的一个例子如图1所示。
每年的节余决定如下：
1.计算三个负载点，A，B和C。确定的年运行小时数乘以日小时各负载点每年电机运行的天数。
2. 每一个负载点的输出功率将被确定。
3. 每年可节约各加载点的使用效率的计算。
4.总的年储蓄将被确定使用（8）作为每个负载点的储蓄的总和：
(8)
负载
时间
图1，电机负载日负荷曲线
在前面已经提出来发展电机替代政策的方法并可以应用。建议公司确定并通过最低的经济要求。本指南的基础上，决定不应该只是基于电机的更换成本，无论是净现值或投资回收期都会影响电机更换的决定。在工厂安装的旧电机，它必须考虑在预期的未来维修费用等因素。一个全面的经济分析，还必须探索从功率因数校正和有效的节能电机的回扣方案的影响所获得的好处。这将构成一个电机管理策略的一个组成部分。
4. 电机维护
在一个组织良好的维修策略的重要性往往被低估。表1显示了与维修有关的总经营成本[ 11 ]。这在不同的行业各不相同。维修费用由下列部分组成。
a)维修的直接费用
b)任何积极工作的成本（劳动、材料、承包商等）
c)由于停机时间损失的收入和声誉的损失
d)因损坏产品或操作系统而招致的任何惩罚的费用
从表1可以看出，在任何一个工厂中，维修费用都很大，不能忽视。一个良好的电机检修计划延长了电机的寿命，提高了系统的可用性。这将导致在维修成本和停机时间方面能够减少相关损失[ 3 ]。电动机的维修策略必须有电机的储存、安装、运行和维修的指南。
如果不按最佳方式存储，则保持在存储中的电机具有较高的故障概率。安装电机的方式对其可靠性和运行寿命有重要影响。
当电机被安装时，确保有适当的基础和对准程序是必不可少的，这样可以尽量减少额外的电机压力。这可以超过设计的限制[ 3 ]。电机应根据制造商的指导方针，以确保他们达到设计寿命。
一个以可靠性为中心的电机维修方法（RCM）已被发现是有效的 [ 12 ]。RCM是一种积极主动的维护策略，将可能在过程中发生的失效模式预测出来[ 11 ]。对每个故障模式进行了分析，一旦故障模式是已被确定的后果，就能制定计划消除或减少各故障模式的不利后果。
电机维护提出了一个实施策略，获得长期节余的机会。维修的电机必须遵循指导方针，以确保维修在进行时，它在财政上是可行的。要对电机维修进行管理，建立维修规格和确定合适的供应商，这样可以提供高品质的维修[ 7 ]。协议必须到位，以确保电机的维修能够依据行业的最佳实践。图2中的电机维修决策流程图说明了如何在电机故障时可以做出决策，以减少生命周期成本。保持详细的电机维修历史是很重要的。分析趋势，可以根据其可靠性和年龄估计电机的寿命。这可以预防一个电机的寿命结束，并允
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