Les améliorations apportées à la technologie des entraînements à fréquence variable (EFV) ont permis de réduire les coûts, d’améliorer la fiabilité et, surtout, d’accroître l’utilisation. La plupart des systèmes modernes d’entraînement à fréquence variable sont dotés de diagnostics internes qui permettent un arrêt automatique en cas de défaillance. Cependant, la cause de ces défauts peut parfois être difficile à localiser et à corriger. Cependant, les tests de moteurs hors tension (MCA) et sous tension peuvent fournir des informations précieuses permettant d’identifier rapidement et facilement un grand nombre de ces problèmes. Ce bref article explique comment incorporer ces deux techniques de test de moteur faciles à mettre en œuvre dans le dépannage des variateurs de vitesse.

Fonctionnement de base

Un VFD redresse le courant alternatif triphasé entrant pour créer un bus CC. Le bus CC utilise des condensateurs pour lisser le courant continu redressé qui alimente la section de l’inverseur. Dans le secteur des onduleurs, le contrôleur utilise des microprocesseurs pour commander des commutateurs à semi-conducteurs qui convertissent la tension continue en une tension alternative triphasée variable et en une fréquence d’entrée pour le moteur. En contrôlant la durée d’allumage des semi-conducteurs (SCR ou IGBT), la largeur des impulsions de courant continu permet de moduler le courant continu pour produire une tension d’entrée triphasée simulée avec une tension et une fréquence variables. La fréquence de la tension d’entrée détermine la vitesse à laquelle le champ magnétique tourne autour du stator. La vitesse à laquelle le champ magnétique se déplace est appelée vitesse de synchronisation (SS).

SS= 120 F/P

Où : F= fréquence de la tension d’alimentation

P = nombre de pôles du moteur

En raison de la nature de la commutation du circuit de l’inverseur, les VFD peuvent créer des problèmes de qualité de l’air en introduisant des harmoniques dans le système électrique de l’usine. En outre, les variateurs de vitesse peuvent également être sensibles aux problèmes de qualité de l’air entrant, ce qui peut entraîner leur arrêt. De nombreux variateurs de vitesse sont dotés d’un système électronique interne qui indique la cause de l’arrêt. Ces codes courants attribuent la cause du problème à une surtension, une surintensité, une surcharge, un déséquilibre de tension ou de courant, une surchauffe ou des défauts externes. Cette information est importante, mais la vraie question est de savoir quelle est la cause de la défaillance. La condition de défaut est-elle causée par l’entraînement à fréquence variable ou subie par l’entraînement à fréquence variable ?

Si le défaut est constaté par le VFD, il peut être dû à l’alimentation électrique, à des problèmes de connexion, à l’un des nombreux problèmes de moteur ou à des défauts dans la machine entraînée ou dans le processus lui-même. Si le défaut est causé par le VFD. Il peut s’agir d’une panne ou d’une défaillance des composants électroniques. Parmi les défaillances les plus courantes, on trouve les diodes dans la section du redresseur, les condensateurs du bus continu ou la panne ou la défaillance d’un semi-conducteur dans la section de l’inverseur.

Test de moteur hors tension : Motor Circuit Analysis™ (MCA™)

Motor Circuit Analysis™ (MCA™)
est une technique de test des moteurs qui injecte une série de signaux AC & DC à basse tension dans les enroulements du moteur afin d’évaluer en profondeur l’ensemble du système du moteur alors que le moteur est hors tension. Les tests de moteur MCA peuvent être effectués directement sur le moteur ou à distance à partir de la sortie du VFD. Contrairement aux tests traditionnels des moteurs hors tension, qui ne permettent pas d’identifier les problèmes de rotor ou les ruptures d’isolation des enroulements en cours de développement. Les tests MCA fournissent des indications précoces sur l’apparition de défauts non seulement dans le système d’isolation de la paroi de terre, mais aussi dans l’isolation entourant les conducteurs utilisés pour créer les bobines du stator, ainsi que sur les défauts existants ou en cours d’apparition dans la partie électrique des rotors. Le MCA peut identifier les défauts dès les premiers stades, mais il peut aussi confirmer rapidement que le moteur est “bon”, ce qui permet d’éliminer rapidement le moteur comme cause du déclenchement de l’entraînement à fréquence variable. En effectuant le test de 3 minutes à partir de la sortie de l’EFV, un résultat “bon” indique non seulement que le moteur est en bon état, mais aussi que tout le câblage associé et tous les composants électriques du circuit testé sont également en bon état. Toutefois, si les résultats sont mauvais, il suffit d’effectuer un test supplémentaire de 3 minutes directement sur le moteur. Si le test du moteur est bon, le défaut se situe au niveau du câblage ou du contrôleur. Si le moteur indique un défaut de développement, des tests MCA sont disponibles en option pour déterminer si le défaut se situe dans le circuit électrique du rotor ou du stator.

Les tests DC basse tension fournissent des indications sur les problèmes de connexion dans le circuit testé afin de confirmer que toutes les connexions externes et internes sont suffisamment “étanches”. La série de tests AC exerce l’isolation du bobinage et identifie les très petits changements qui se produisent dans la composition chimique de l’isolation du bobinage lorsque l’isolation entre les conducteurs commence à se dégrader.

Le test dynamique optionnel nécessite une rotation manuelle de l’arbre du moteur testé et développe une signature du stator qui identifie tout défaut se développant dans l’isolation entourant les conducteurs des bobines constituant le système d’enroulement du stator. Les signatures du rotor identifient les défauts dans le système électrique du rotor tels que l’excentricité statique ou dynamique, les fissures, les ruptures ou les vides de coulée dans les barres ou les bagues d’extrémité du rotor.

Essais de moteurs sous tension : Analyse de la signature électrique (ASE)

ESA utilise la tension et le courant d’entrée et de sortie du variateur pour analyser rapidement l’état et la qualité de l’alimentation du variateur, ainsi que la tension et le courant de sortie du variateur vers le moteur. Chacun de ces tests nécessite < 1 minute. En effectuant des tests de moteur ESA à l’entrée et à la sortie du variateur, on obtient un profil complet de la puissance d’entrée et de sortie. Chaque test effectue une capture de données simultanée des trois phases de tension et de courant afin de créer des tableaux PQ pour chacune des trois phases, capture, affiche et stocke 50 msec des formes d’ondes de tension et de courant pour les trois phases. En outre, pendant 50 secondes, les formes d’onde de la tension et du courant sont numérisées et utilisées pour effectuer des FFT à haute et basse fréquence sur la tension et le courant d’entrée et de sortie.

Puissance d’entrée

La tension d’entrée du variateur fournit des informations précieuses sur l’état de la tension d’entrée fournie au variateur, calcule tout déséquilibre de tension ou de courant, ou tout contenu harmonique dans la tension ou le courant d’entrée. Le courant d’entrée fournit une indication sur l’état des diodes dans la section redresseur du variateur. La figure 2 montre la forme d’onde du courant lorsque toutes les diodes fonctionnent correctement. La figure 3 permet de déterminer rapidement qu’une ou plusieurs diodes de la section du redresseur ne fonctionnent pas correctement.

Figure 2 : Bonne section de diode Figure 3 : Section de diode défectueuse

Tension de sortie

Figure 4 : IGBT fonctionnant correctement

La tension de sortie du variateur fournit des informations sur l’état du variateur lui-même ainsi que sur la qualité de l’énergie fournie au moteur, y compris, mais sans s’y limiter, le fonctionnement correct ou incorrect des semi-conducteurs dans les circuits de l’inverseur et le développement d’une défaillance des condensateurs du bus CC. La figure 4 donne un aperçu d’une phase de la tension de sortie du variateur, qui correspond à la tension du moteur. Toutes les formes d’onde de la tension de sortie doivent être relativement uniformes et symétriques. Des formes d’ondes de tension non symétriques indiquent des IGBT défaillants ou en panne. Notez les ondulations sur la partie plate des portions positives et négatives des formes d’onde de la figure 5. Cela indique que les condensateurs du bus DC sont défectueux. Un condensateur de 20 $ défectueux peut détruire un lecteur entier.

Courant de sortie

Figure 5 : Défaillance du condensateur du bus CC

Le courant du moteur agit comme un transducteur très sensible pour le système du moteur. Tout défaut existant ou se développant dans le moteur, la machine entraînée ou le processus lui-même entraînera une modulation du courant du moteur. Ces modulations du courant de sortie fournissent des indications sur l’état électrique ou mécanique ou sur toute anomalie dans le processus lui-même. Une FFT sur les formes d’ondes de tension et de courant numérisées permet d’identifier rapidement les défauts du moteur, tels que des barres de rotor fissurées ou cassées, une excentricité statique ou dynamique. Une indication précoce des défaillances des roulements, de l’équilibre et de l’alignement des composants rotatifs du moteur ou de la machine entraînée peut également être rapidement identifiée en utilisant la même fréquence de défaillance que celle reconnue depuis longtemps dans l’analyse des vibrations.

Analyse automatique

Le logiciel ESA combine toutes les informations recueillies au cours du processus d’acquisition de données de 50 secondes et les compare à des normes, des directives et des algorithmes prédéterminés pour créer les graphiques, les tableaux et les affichages nécessaires pour évaluer rapidement l’état de l’ensemble du système de moteur, de l’alimentation au processus. Une fois l’évaluation terminée, l’ESA établit un rapport complet et détaillé qui met en évidence non seulement les problèmes de développement dans la partie électrique, les défauts de développement dans la machine entraînée ou d’autres équipements connectés au moteur, mais aussi les anomalies dans le processus qui pourraient entraîner le déclenchement de l’entraînement à fréquence variable. Le rapport de 8 pages détaille également les mesures qui se situent dans les limites prédéterminées, éliminant ainsi la plupart des conjectures normalement associées au dépannage de l’entraînement à fréquence variable.

Figure 6 : Tableau PQ sur la sortie du VFD

Figure 7 : Écran des résultats

Résumé

En intégrant l’AMC et l’ASE dans les processus standard de dépannage des VFD, l’analyste dispose des informations les plus détaillées pour déterminer rapidement si le problème est causé par le VFD ou s’il est subi par le VFD. Le test MCA de 3 minutes permet non seulement d’identifier les moteurs défectueux, mais aussi d’éliminer le moteur en tant que cause de la défaillance et de s’assurer que le nouveau moteur installé ne présente pas de défaut. L’ESA confirme que le courant entrant et sortant de l’EFV ne présente pas de défaut au cours d’un test simple qui dure moins d’une minute.