ÖZET
T.C. Enerji Bakanlığı’nın verilerine göre sanayide tüketilen elektrik enerjisinin yaklaşık olarak %70’i elektrik motorlarında harcanmaktadır. Bu nedenle enerji verimliliği çalışmalarında elektrik motorlarının ön planda olması kaçınılmazdır. Ortalama olarak bir elektrik motorunun fiyatı yaklaşık 40 günlük elektrik tüketimine karşılık gelmektedir. Dolayısıyla elektrik motorunun asıl maliyeti yatırımdan değil enerji giderlerinden meydana gelir. Motorun verimini etkileyen faktörlerden biri de meydana gelen arıza başlangıçlarıdır. Arıza gelişip motoru tamamen tahrip etmeden önce verimsiz çalışmasına neden olur. Eğer bu önceden fark edilerek giderilebilirse, motorun verimli operasyonu sağlanmış olur. Bu bağlamda, bakım enerji verimliliği çalışmalarında dikkate alınması gereken bir husus olarak karşımıza çıkmaktadır.
Bu çalışmada elektrik motorlarında bakım – enerji verimliliği ilişkisi irdelenmiş olup, varlık yönetim sistemlerinin enerji verimliliğindeki rolü tartışmaya açılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Enerji Verimliliği, elektrik motorları, varlık yönetimi, beklenmedik duruş maliyeti.
1. GİRİŞ
T.C. Enerji Bakanlığı’nın verilerine göre sanayide tüketilen elektrik enerjisinin yaklaşık olarak %70’i elektrik motorlarında harcanmaktadır[1]. Bu nedenle enerji verimliliği çalışmalarında elektrik motorlarının ön planda olması kaçınılmazdır. Aslında elektrik motorları enerji dönüşümü yapan en verimli aygıtlardan biridir. Günümüzde otomobillerde kullanılan bir içten yanmalı motorda elde edilen toplam enerjinin sadece %30-40 kadarı faydalı enerjiye dönüşmektedir[2]. Buna karşın IE3 sınıfındaki bir 3 fazlı asenkron motorda verim %95 seviyesine kadar çıkabilmektedir.
Ortalama olarak bir elektrik motorunun fiyatı yaklaşık 40 günlük elektrik tüketimine karşılık gelmektedir. Dolayısıyla elektrik motorunun asıl maliyeti yatırımdan değil enerji giderlerinden meydana gelir. 75kW’lık bir motoru çalıştırmak için bir yılda yaklaşık 96.000 TL’lik enerji sarfiyatı yapmak gerekir ki burada yapılacak en ufak tasarruf bile işletmenin enerji maliyetini etkileyecektir.
Elektrik motorları dayanıklı makineler olmasına rağmen çevresel faktörlerden önemli ölçüde etkilenir. Örneğin ortam sıcaklığı, nem, toz gibi etkenler motorun sağlığını olumsuz yönde etkileyerek zaman içinde yıpranmasına ve sonunda arızalanmasına neden olur. Ancak arıza başlangıçları gelişerek motoru tamamen tahrip etmeden çok daha önce, motor veriminde azalmalar meydana gelir. Dolayısıyla, işletmedeki motorun verimli şekilde çalıştırılması, en az verimli motor kullanmak kadar önem kazanmaktadır. Bu da ancak, motorların sürekli izlenmesi ve etkin bir bakım ile mümkündür. Örneğin motorda rulman arızası meydana gelmeye başladığında, sürtünme kayıpları artarak motor veriminin azalmasına neden olur. Bu arıza başlangıcının yaratacağı ek enerji maliyeti, yeni bir rulmanın maliyetinden bile yüksek olabilir. Dolayısıyla arıza gelişip motoru tamamen kullanılamaz hale getirmeden önce, yaratacağı ek enerji maliyetiyle işletmeye zarar vermeye başlar. Arızanın başlangıç aşamasında tespit edilmesi beklenmedik duruşları azaltacağı gibi, enerji verimliliğini de arttıracaktır.
2. ELEKTRİK MOTORLARINDA VERİM VE BAKIM İLİŞKİSİ
İşletmedeki bir asenkron motorun verimini düşüren faktörler aşağıdaki şekilde özetlenebilir.
1.Nominal gerilimden farklı bir gerilimde çalıştırılması:
a.NEMA standartlarına göre motora, etiketinde belirtilen nominal gerilim seviyesinden sadece %10 farklı bir gerilim uygulanabilir. Ancak bu %10 limit dahilinde bile olsa motorun nominal gerilimin altında bir gerilimde çalıştırılması durumunda gerekli yük momentini üretebilmek için daha fazla akım çekecektir. Bu da motordaki bakır kayıplarını (I2R) arttırarak verimi azaltır. [3]
b.Motorun etiketinde yazan gerilim değerinin üzerindeki bir gerilimde çalıştırılması durumunda mıknatıslanma akımı gerilimin karesi ile orantılı olarak artar. Motorun dizayn ve çalışma bölgesine bağlı olarak doyma meydana gelebilir. %10 aşırı gerilimin üzerinde stator ve rotor demir kayıpları artacağından verim düşer. Ayrıca motor güç faktörü belirgin şekilde azalır. [3] Tablo I’de besleme gerilimindeki artış ve düşüşlerin motor verimi üzerindeki etkisi belirtilmiştir.
Tablo I : Besleme gerilimindeki değişimlerin motor verimine etkisi [4]
|
Standart Motor Verimi
|
GERİLİM DEĞİŞİMİNİN ETKİSİ
|
|
%90 Gerilimde
|
%110 Gerilimde
|
%120 Gerilimde
|
|
|
|
|
|
Tam yükte
|
%0,5-1 artar
|
%1-4 azalır
|
%7-10 azalır
|
|
%75 yükte
|
%1-2 azalır
|
%2-5 azalır
|
%6-12 azalır
|
|
%50 yükte
|
%2-4 artar
|
%4-7 azalır
|
%14-18 azalır
|
c.Dengesiz besleme gerilimi pozitif ve negatif bileşen (sequence) akımlarının oluşmasına neden olur ki bu, motor verimini önemli ölçüde etkiler. Aşağıdaki tablo II’de 100 HP (75kW), 1800 d/d’lık bir motora dengesiz besleme gerilimi uygulanması halinde verim değişimi gösterilmiştir.[5]
|
Dengesiz Besleme Geriliminin Motor Verimine Etkisi
|
|
% Motor Yükü
|
Motor Verimi
|
|
Gerilim Balanssızlığı
|
|
Nominal
|
%1
|
%2,5
|
|
100
|
94,4
|
94,4
|
93,0
|
|
75
|
95,2
|
95,1
|
93,9
|
|
50
|
96,1
|
95,5
|
94,1
|
d.Toplam harmonik distorsiyon: Besleme gerilimindeki harmonik bozukluklar motor verimini etkileyen faktörlerden biridir. %5’in üzerindeki THD değerler motor için zararlıdır. 3. harmonik distorsiyonun yüksek olması motorun aşırı ısınmasına ve 5. harmoniğin yüksek olması ise mil momentinde pulzasyona neden olur. [6]
Şekil 1 : Toplam harmonik distorsiyonun motor verimine etkisi [7]
2.Motordaki Arıza Başlangıçları :
a.Rulman Arızaları : Rulmanlarda meydana gelen arızalar motordaki sürtünme kayıplarını doğrudan etkiler. Bu da motor verimini %0,5’e varan oranda azaltır.[3] Örneğin 400 kW’lık bir motorda rulman arızası nedeniyle meydana gelecek kayıp yıllık 2.240 TL’yi bulabilir.
b.İzolasyon Arızaları : 3 fazlı asenkron motorun stator sargılarında meydana gelecek izolasyon problemleri motorun %10’a varan dengesiz akım çekmesine neden olur. Ayrıca izolasyon arızası nedeniyle sargıları yenilenen motorlarda 40 HP’nin altında %2 ve 40 HP’nin üzerinde %1 mertebesinde verim kaybı olduğu kabul edilir. Örneğin; 350 kW’lık bir asenkron motorun yeniden sarılması nedeniyle meydana gelecek verim kaybının yıllık maliyeti 4.000 TL’e mal olabilir.
c.Eksenel kaçıklık da motor verimini olumsuz yönde etkileyen faktörlerden biridir. İstanbul Su ve Kanalizasyon İdaresi (İSKİ)’nin Sakarya Üniversitesi ile ortaklaşa yaptığı çalışmada 2,75 mm/m eksenel kaçıklığı bulunan 75 kW gücündeki bir motorda enerji kaybının yaklaşık 2000 kWh/yıl olduğu hesaplanmıştır. [8]
Şekil 2: Endüstride yaygın olarak kullanılan kayışla tahrik sistemleri
d.Kayış kasnakla tahrik edilen uygulamalarda sistem verimini düşüren diğer bir unsur da kayıştaki gerginliğinin doğru ayarlanamamasıdır. Genellikle endüstride V – kayışlar kullanılır. Bunlar trapez şeklinde kesite sahip olup kasnakta sıkışma etkisi yaparak sürtünmeyi arttırır. Böylece kayışın aktarabileceği güç miktarı da artar. İlk montaj esnasında %95 – 98 olan verimleri zamanla kayış gerginliğinin azalmasıyla %5’e varan oranlarda azalır.[9] Bunu önlemek için kayış gerginliğinin periyodik olarak kontrol edilmesi gerekir. Ancak kontrol sırasında dahi doğru gerginlik seviyesinin tespit edilmesi oldukça güçtür. Senkron ya da dişli - tırtıllı kayış kullanılması verimi % 2 oranında arttırır. Bununla birlikte gürültülü çalışır ve yükteki titreşimleri motora iletir. [9]
Örnek olarak ;
5 adet 75 kW Fan
3 adet 75 kW Pompa
2 adet 132 kW Kompresör’den oluşan bir sistem izlendiğinde proaktif bakım uygulanması ile toplam;
1 yılda 3 adet pompada 4 mm/m eksenel kaçıklık giderilirse 3 x 470 TL = 1.410 TL /yıl
1 yılda 4 adet fanda kayış gevşekliği tespit edilip arıza giderilirse 4 x 5.900 = 23.600 TL / yıl
1 yılda 1 adet kompresör, 1 pompada rulman arızası tespit edilip arıza giderilirse (1 x 1.030)+( 1x 590)= 1.620 TL
1 yılda 1 adet Kompresör, 2 pompa ve 2 fanda %2,5 gerilim dengesizliği tespit edilip arıza giderilirse (1x2.900) + (2 x 1.650) + (2 x 1.650) = 9.500 TL
TOPLAM : 36.130 TL tasarruf edilebilir.
SONUÇ
Yukarıda verilen örnek göz önüne alındığında bakım ve enerji verimliliği arasında yakın bir ilişki olduğu açıktır. Dolayısıyla enerji verimliliği çalışmalarında bakım kalitesinin iyileştirilmesi ve proaktif bakım yöntemlerinin kullanılması gündeme gelmektedir. Bu noktada ekipmandaki arızanın önceden teşhis edilmesi ve düşük verimle çalışma süresinin azaltılması önem kazanır. Dolayısıyla ekipmandaki arızaların online olarak izlenmesi ve gelişen arızaların tespit edilerek müdahale edilmesi ile sadece beklenmedik duruşlar ortadan kaldırılmaz ekipmanın verimli çalışması da sağlanmış olur.
Şekil 3 : Kayış kasnak aktarmalı bir fana ilişkin periyodik ve proaktif bakım durumundaki verim eğrileri
Şekil 3’te kayış kasnak mekanizması ile tahrik edilen bir fana ilişkin verim – zaman eğrisi
peryodik bakım (siyah),
proaktif bakım (kırmızı)
yaklaşımları için verilmiştir. Buna göre zaman içinde kayış gerginliğinde azalma meydana gelmesi nedeniyle ekipman veriminde azalma görülmektedir.
Proaktif yaklaşımda yapılan ilk iki bakımda kayış gevşekliği giderilmiş ve üçüncü bakımda ise kayış yenisi ile değiştirilmiştir.
Periyodik bakımda ise kayış değişim zamanı gelene kadar herhangi bir bakım yapılmamıştır. Bu durumda sistemin verim değişimi kırmızı ile verilmiştir.
Eğer kayış gevşekliği önceden tespit edilmez ve periyodik bakıma kadar beklenirse, ekipmanın verim eğrisi siyah ile verilen şekilde gerçekleşecek ve kayış değişim süresi gelinceye kadar ekipman düşük verimle çalışacaktır. Proaktif yaklaşımda ise kayış gerginliği sürekli kontrol edilerek yüksek verimli bir operasyon elde edilecektir. Her iki durum arasındaki verim artışı kırmızı ve siyah eğrilerin arasındaki taralı alan kadar olacaktır.
Proaktif bakım yaklaşımının hayata geçirilebilmesi için online durum izleme sistemleri ile ekipman performanslarının ve arızalarının izlenmesi gerekmektedir. Böylece daha başlangıç aşamasındaki arızalar için gerekli bakım / tedbirler alınarak ekipman ömrü boyunca yüksek verimli bir operasyon elde etmek mümkün olacaktır.