Bakım Mühendisliğinde En Son Teknolojiler : İşin Uzmanından! VibraTek Teknik Bülten 24 Elektrik Motorları Arızaları ve Arıza Bulma Yöntemleri 1. Giriş Dr. İbrahim H Çağlayan, Mehmet Yılmaz Bakım yöntemlerinin elektrik motorlarındaki enerji tüketimi ve verimlilikleri üzerine etkisi, ayrıca dikkat gerektiren bir alandır. Etkili bir önleyici bakım programı titreşim ölçümleri, yağ ve gres analizlerini, elektriksel ölçümleri ve görsel olarak yapılan kontrolleri içermelidir. Genel olarak bakım metotları %10-%15 lik bir enerji tüketim tasarrufu sağlarlar. Bununla birlikte, parça değişimleri, beklenmedik onarımlar veya motorun komple elden geçirilmesini gerektirecek durumlar, elektrik motorunun gerçek veriminin hesaplanmasında göz ardı edilmemesi gereken etkenlerdir. Elektrik motorunun sergilemekte olduğu performansın değerlendirmesi, motorun genel bir bakıma alınma kararında etkili olacaktır. Örneğin, genel bakım maliyeti amortisman değerinin çok az altında ve uygun olmayan ankraj ile sarım problemi yüzünden pek de güvenilir olmayan bir motor, neden bakıma alınsın? Önleyici bakım (Proactive Maintenance) çerçevesinde yapılacak olan gerek elektriksel gerekse titreşim kontrolleri, bu aşamada devreye girerek işletmenin verimliliğini artıracak kararların alınmasını sağlayacaktır. Doğru uygulanan bir ölçüm sistemi motorların sağlık durumu doğru değerlendirlebilir ve sonuçta %10-%15 enerji tasarrufu, bakım masraflarında %50-%75 arası azalma ve beklenmeyen duruşlar ve üretim kaybında %50-%75 arasında bir azalma sağlanabilir. Enerji tasarrufunun %40 ı motorlarda oluşan ısınma (direnç) noktalarının giderilmesi ile %30 u gereksiz şekilde büyük seçilmiş motorların daha gerçek yüke yakın motorlarla değişimi ile gerçekleşecek, geri kalanı ise verimi düşmüş motorların yenileri ile değişimi ile sağlanacaktır. 2. Elektrik Motorlarında Güvenilirlik Analizleri Genel olarak elektrik motorları güçlü makinelerdir. Fakat, bütün elektriksel ve mekanik ekipmanlarda olduğu gibi hatalı bakım yapıldığında istenildiği gibi performans gösteremezler. Elektrik motorlarında sıkça görülen 4 temel arıza şunlardır: Yataklama, Hatalı Eksenel Ayarlamalar, Stator Sarımları ve Rotor Sorunları. Motor Arızalarının Genel Sebepleri %12 Yataklama %37 %41 Eksenel ayarlamalar Stator %10 Rotor
Elektrik motorlarında görülen arızaların %41 ini kapsayan yataklama problemleri, aynı zamanda motorda sürtünme ve sarım kayıplarına neden olduklarından ötürü enerji tüketimini arttırırlar. Genel olarak, yataklama ile ilgili sorunlar şu sonuçları doğurur: 1. Aşırı ısınma ve sonucunda sarımlarda voltaj ve empedans dengesizliğine yol açar. 2. Uygun olmayan veya aşırı yağlama aşırı ısınmaya, titreşimin artmasına ve makinada çözülmelere yol açar. Bu tip yanlışlıklar bir dizi eğitim ve planlanmış bir bakım programının bir parçası olan yağlamanın uygulanmasıyla engellenebilir. 3. Eksik gresleme ve yağ atması yataklara zarar verir ve aşırı ısınmaya yol açar. Sonuçta doğal olarak aşınma büyük miktarlarda hızlanır. 4. Aşırı yüklenme Parçaların balanslarının bozuk yapılması veya yapılan işlemden dolayı yüksek titreşim olan alanlara yeterince titreşim izolasyonu yapılmaması da titreşime neden olur. Hatalı eksenel ayarlamalar (kaplinlerde ve kayışlarda); hatalı montaj ya da operasyon sırasındaki değişikliklerden kaynaklanır. Bu durum motor yataklarına aşırı yük binmesine bunun sonucu olarak da sürtünmenin artıp yatakların ömrünün azalmasına neden olur. Stator sarım problemleri elektrik motorunun hem enerji tüketimini arttırır, hem de verimini hızlı bir şekilde düşürür: 1. Stator sarım problemlerinin temel sebepleri şunlardır: termal izolasyonun bozulması, sarımların neme maruz kalması, mekanik stresler. Bunların sonucunda ilk olarak aynı bobin içindeki kondüktörlerin izolasyonu bozulur. Daha sonra bu aynı fazdaki bobinlere ve de ayrı fazdaki bobinlere sıçrar. Kondüktörlerdeki değişiklerin belirlenmesi makinanın bozulmadan önce tamir veya yenilenmeye olanak sağlar. 2. Voltajdaki dengesizlikler elektrik motorunun çalışma sıcaklığını inanılmaz bir şekilde arttırır. %3.5 lik bir voltaj dengesizliği elektrik motorunun çalışma sıcaklığında %25 lik bir artışa sebep olabilir. Sıcaklıktaki bu artış, sarım kaybını arttırır, enerji tüketimini arttırır ve elektrik motorunun güvenilirliğini düşürür. (Sıcaklıktaki her 10 derece artışı izolasyon ömrünü, dolayısıyla motor ömrünü yarı yarıya azaltır.) 3. Hatalı bağlantılardan dolayı oluşan dengesiz empedans, hatalı sarım teknikleri (hem yeni hem de tamir edilmiş motorlarda) ve izolasyon koşulları (sarımlardaki kısalıklar ve açıklıklar), motorun çalışma sıcaklığını ve güvenilirliğini tıpkı voltajdaki dengesizlikler gibi etkileyebilirler. Bunlara ek olarak motorun kullanım maliyeti hızlı şekilde artabilir. Örneğin; Voltaj ve Empedansdaki Dengesizlik Masrafları 1600 1400 Fiyat ($) 1200 1000 800 600 400 %1 %2 %3 %4 %5 200 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Beygirgücü 100HP bir motor fiyatı $0.05/kWh olan bir şebekeden elektrik alarak 8760 saat olan yıllık çalışma zamanının % 85 inde kullanılıyor ( bir yılda 7446 saat çalışıyor demektir) bu elektrik motorunun bir fazındaki 0.5 ohm luk bir direnç artışı, bu motorda 2000$ ekstra bir harcamaya, başka bir deyişle motorun bir yıllık giderinin %7 si kadar bir ekstra bir gidere yol açar. Bu hiç de küçümsenecek bir rakam değildir.
4. Hem voltaj, hem de empedans dengesizliğinde; eğer dengesizlik yeterince sürerse, yüksek voltaj ve düşük empedans fazı fazla akım çeker ve sıcaklığı artar. Muhtemelen de o fazın yanmasına sebep olur. Voltajdan veya empedansdan kaynaklanıyor olsa da, bu çeşit hatalar tek fazlılık olarak adlandırılır ve bir fazdaki voltaj kaybının sonucunda olabilirken hatalı bağlantıdan ya da uygun olmayan sarım tekniklerinden de kaynaklanabilir. Voltajdaki ve akımdaki dalgalanmanın %2 yi aşmaması tavsiye edilir. 5. Sarımlara nemi de içeren kirlililik veya gres bulaşması sarımlar arasında izolasyon zayıflığına sebep olabileceği gibi motorun ısı atma yeteneğini de azaltarak kullanım ömrünü kısaltır. 6. Yüksek/düşük voltaj koşulları sarımlardaki sıcaklığı aşırı derecede artırırken aynı zamanda da elektrik motorunun performansını da olumsuz etkiler. NEMA motor voltajında kullanılması gerekli olandan %10 a varan bir değişime müsaade eder ki bu verimlilikte %2.5 in üzerinde bir düşüşe sebep olur. Empedans Dengesizliği ve Sıcaklık Artışı (%) 01020304050 012345 Elektriksel dengesizlik, motorlarda olabilecek ve dönme ekseni ile ağırlık merkezinin çakışmamasından kaynaklanan mekanik dengesizlik gibi makina çalışmasını menfi yönde etkiler. Elektrik motorları manyetik merkezlerini sabitleyemedikleri zaman şebek frekansındaki titreşimlerinde modülasyon ve harmonikler oluşur. Eksenel ayarlamalardaki hatalar elektrik motorunun ömrünü azaltır, artan mekanik sıkışmadan ve sürtünme problemlerinden dolayı enerji tüketimini artar. Hatalı eksenel ayarlamaların bazı sebepleri şunlardır: Montajda hatalı eksenel ayarlamalar. Eksenel ayarlamalar pratikte görsel yöntemler kullanılarak yapılmaktadır. Bu tarzda bir eksenel ayarlama sonucunda 0.50 mm den daha fazla ayarsızlık giderilemez. Bu nedenle, ayarlamalar, ayar tekniklerine uygun olarak lazerli veya mekanik ayar cihazlarıyla yapılmalıdır. Kaplinden veya kasnaklardan kaynaklanan ayarsızlıklar, yataklardaki ve şase ile kaideyi de kapsayan mekanik parçalarda gerilimi arttırır. Eksenel ayarlar artık kolayca kaplin ayar cihazları kullanılarak yapılabilirler. Ayak boşluğu (Aksak Ayak) motoru zemine bağlama esnasında zeminin ve motorunun ayaklarının hizalanmamasından ortaya çıkan durum olarak adlandırılır. Bu durum genellikle direkt-eşleme hizalaması değerlendirilip yatak hizalaması hesaba katılmadığı zaman görülür. %5 %17 Diğer İzolasyon zayıflığı %12 Yatak %10 Faz kaybı %5 Kirlilik %1 Kimyasal Aksak ayak statorun ya da kaidenin kir Bakım Masraflarında Arızaların Payı %20 Yağlama sorunları %24 Aşırı Yük %17 Nem
sallanmasına, elektrik motorda mekanik gerilim ve titremenin oluşmasına ve sürtünmenin artmasına sebep olabilir. Motorların içindeki veya etrafındaki tozlar ve kirlilikler çeşitli sorunlara yol açabilir. Rotora ya da soğutma pervanelerine yapışmış tozlar fazlalık ağırlık yaparlar ve balans bozukluğuna yol açabilirler. Bu toz ve kirler aynı zamanda hava akımını engeller ve böylece soğuması gereken bölgelere bir nevi ısı yalıtımı yapar. Elektrik motorlarında görünen toz ve kirlilikler genellikle silikon ve karbon şeklindedir. Silikon hayli aşındırıcı ve karbonsa makul bir iletkendir ve her ikisi de elektrik izolasyonunu bozup kısa devre olasılığını arttırırlar. Kayış gerginliği ise diğer bir faktördür. Eğer kayışlar çok gevşek ise kayış kaymasından dolayı aşırı titreme ve ısınma oluşur. Eğer çok gerilirlerse yataklardaki sürtünme aşırı ölçüde artar ve sonuçta enerji tüketimi artıp süreklilik azalır. Kayış-kasnak ayarları bu ölçüden çok dikkatle yapılması gereken işlemlerdir. İp tutarak, cetvel tutarak, lama yaslayarak yapılan ayar işlemleri yapanı iş yapmış olmanın verdiği tatminin ötesinde pek bir amaca hizmet etmez. Bu konuda yeni teknolojilere imkan verip işi bir defada ve doğru yapmak gerekir. Rotor arızaları genellikle kırık rotor kısa devre çubuklarından, döküm boşluklarından ya da rotor ve stator arasındaki hava boşluğu düzensizliğinden kaynaklanır. Rotor arızalarının sonuçları şunlardır: Üretilen torkun düşmesi verimliliğin de azalması anlamına gelir. Yüksek titreşim elektrik motorunun veriminin düşmesine neden olur. İzolasyon delinmesi, kirlilik nedeniyle, ark sıçraması yoluyla, ısıl yaşlanma ile ve mekanik nedenlerle gerçekleşir. IEEE minimum izolasyon kriterini kv+1 M olarak tavsiye etmektedir. 380 VAC bir motor için, minimum kriter 0.38+1=1.38 M olarak bulunur; oysa, sanayide genellikle 5 M kullanıldığına şahit olmaktayız. Kirlilik partikülleri manyetik alan etkisi altında birçok değişikliğe uğrarlar; bu değişikliklerden biri de genleşmedir. Bu genleşme de izolasyonun delinmesini hızlandıran bir etkendir. Gazlar ve sıvılar da kimyasal etkilerle izolasyonu zayıflatır. Zayıflama nihayetinde kısa devrelere yol açarak motorun yanmasına neden olur. İzolasyon zayıflıkları genellikle korumanın zayıf olduğu bobin başlarında görülür ve buradan yayılır. Diğer bir kritik nokta, ankuj çıkışında sarımın kıvrıldığı noktadır; burada da izolasyon mekanik gerilmelere maruz kaldığı için zayıflar. Arklama ise izolasyon sistemindeki iletken yüzeylerden geçen yüksek akım alanlarında gelişir. Bu noktalarda izolasyon karbonlaşır ve izolasyonun direnç ve kapasitans niteliklerinin değişmesine neden olur. Arklama genellikle yüksek elektriksel gerilim (stres) ve/veya kirlilikle ortaya çıkar ve kısa devre oluşmasının yolunu açar. Isıl yaşlanma Arrhenius kimyasal denklemine ile bağlantılı olarak yorulmaya uğrar. Daha önce de belirtildiği gibi, motor gövde sıcaklığında artan her 10C izolasyon ömrünü yarıya düşürür. İzolasyon malzemesinin karbonlaşma sıcaklığına yaklaşılan her derece izolasyonun zayıflamasına neden olur. Mekanik titreşimler de izolasyonun zayıflamasına neden olur. Titreşim, gerilme ve bağıl hareketler sonucu izolasyonda yorulma çatlakları meydana gelir ve izolasyonun yerel olarak fırılmasına ve açılmasına neden olur. İzolasyon delinmesi üç safhada gelişir. 1. safhada, iletkenler (spirler) arasındaki izolasyon stres altındadır. Bu da izolasyonun bu noktasında direnç ve kapasitiv değerlerin değişmesine neden olur.yüksek sıcaklık ve diğer etkenler izolasyonun karbonlaşmasına neden olur. 2. safhada problemli bölgede direnç artar. Sargıların iyi olan kısmı ile kısa devre olmakta olan kısmı arasında endüktans gelişir. Kısa devre olmakta olan spirlerde I 2 R kayıpları artan direnç sonucu artan akım nedeniyle artar. Bu sözü edilen noktada sıcaklığın daha da artmasına ve izolasyon karbonlaşmasına ve dolayısıyla bir kısır döngü içinde izolasyonun daha da hızla zayıflamasına neden olur. 3. safhada, izaolsayon yıkılan bir baraj gibi hızla yok olur ve patlamayla gelen bir izolasyon buharlaşması sonucu makina tahrip olur.
Değişik motor arızalarının ve kaynaklarının tartışıldığı bu bölümden sonra, bir sonraki sayıda bu arızaların kolayca ve önceden bulunmasını sağlayacak teknik ve teknolojiler anlatılacaktır.