Applications de l’analyse de la signature du courant du moteur (MCSA)

Les technologies de diagnostic des moteurs sont devenues encore plus répandues dans les années 1990 et au début du nouveau siècle. Les technologies comprennent l’analyse des circuits des moteurs (MCA) et l’analyse de la signature du courant des moteurs (MCSA), appliquées aux systèmes de moteurs électriques sous tension et hors tension. Les applications semblent être presque infinies.

Les systèmes utilisés dans ce document sont l’analyseur de circuit moteur ALLTEST IV PRO 2000, l’analyseur de signature de courant moteur ALL-TEST PRO OL, le logiciel de gestion de moteur EMCAT, le logiciel Power System Manager et le logiciel ATPOL MCSA. Le kit ALL-TEST PRO MD comprend l’intégration de tous ces systèmes ainsi que le logiciel MotorMaster Plus du ministère américain de l’énergie. Le but de ce document est de mettre l’accent sur l’application MCSA du système ALL-TEST PRO MD qui maintient les éléments suivants :

• Mesures MCA de la résistance, de l’impédance, de l’inductance, de l’angle de phase, de la réponse courant/fréquence et test d’isolation à la terre (MegOhm).
• Capacités MCSA de démodulation de la tension et du courant, y compris l’analyse FFT jusqu’à 5 kHz.
• Capacités d’analyse et de tendances automatisées pour le MCA et le MCSA grâce à un logiciel.
• Enregistrement et analyse complets de la qualité de l’énergie, y compris la capture instantanée des événements triphasés.

Les exemples trouvés dans ce document incluent de nombreuses applications potentielles disponibles par la mise en œuvre des technologies de diagnostic moteur.

Test des barres de rotor

L’objectif fondamental du développement initial de la technologie MCSA était la détection des défauts des barres de rotor. Les barres de rotor sont difficiles à évaluer à l’aide des méthodes d’essai traditionnelles, notamment l’analyse des vibrations. Il a été déterminé qu’une méthode utilisant le courant pouvait être utilisée pour évaluer l’état des barres du rotor. La règle de base est simple : Les bandes latérales de fréquence de passage des pôles autour de la fréquence fondamentale de la ligne, lorsque le moteur est en charge, indiquent des problèmes avec le rotor. La règle standard a été déterminée que les problèmes de barre de rotor sont sérieux lorsque les pics de la bande latérale s’approchent à moins de 35 dB du pic de la fréquence de ligne .

Figure 1 : Fréquences de la barre du rotor

L’exemple de la figure 1 montre des bandes latérales à environ -40 dB de la fréquence de crête de la ligne. Cela indiquerait au moins une barre de rotor fracturée dans ce moteur de 500 CV, 4160 volts, sur un compresseur.

La figure 2 est un exemple de l’une des deux possibilités suivantes
scénarios :

• Vides de coulée dans un rotor en aluminium.
• Dent (ou dents) molle(s) dans une application dentée.

Figure 2 : Vide de coulée ou dent d’engrenage “molle”.

En utilisant des FFT de tension et de courant démodulés à haute fréquence, il est possible de détecter des problèmes tels que l’excentricité dynamique et statique, les barres de rotor desserrées et d’autres défauts liés au rotor.

Figure 3 : frottement du rotor à vide

Les données de la figure 3 concernent une pompe submersible de 7,5 chevaux, 1800 tr/min, testée à sec et sans charge. Le rotor frottait légèrement contre le noyau du stator, ce qui a été identifié comme une excentricité statique et dynamique avec de multiples pics de courant, comme indiqué.

Essais de moteurs à induction

Les moteurs monophasés et triphasés peuvent être évalués en utilisant une combinaison de tension et de courant démodulés. Une règle particulière, et la force, d’un
combinaison de la tension et du courant, c’est-à-dire que si les pics apparaissent en tension et en courant, le défaut est de nature électrique, si le pic apparaît en courant, mais pas en tension, le problème est de nature mécanique. Un autre avantage de l’évaluation des systèmes avec MCSA est que vous pouvez détecter les défauts liés à l’alimentation et à la charge.

Figure 4 : Défaut mécanique du stator

Comme vous le remarquerez sur la figure 4, des pics sont identifiés dans le courant, mais n’apparaissent pas dans la FFT de tension. Cela indique l’existence de défauts mécaniques. Comme ils sont liés à la vitesse de rotation et au nombre de fentes du stator, il s’agit d’un défaut mécanique lié aux enroulements. Plusieurs autres pics de courant uniquement existent, indiquant des défauts liés à la charge, dans ce cas, très probablement un problème de boîte de vitesses (notez qu’il s’agit des données haute fréquence liées à la figure 2).

Figure 5 : Déséquilibre mécanique

Le moteur illustré à la figure 5 présentait un déséquilibre mécanique. La signature se présente comme un motif à deux fois la fréquence de ligne (LF), quatre fois la fréquence de ligne puis deux fois la fréquence de ligne. Dans ce cas, les barres du rotor multiplient la vitesse de rotation avec des bandes latérales BF, puis le motif restant apparaît.

Test des moteurs à courant continu

Les moteurs à courant continu sont évalués de la même manière que les vibrations. En fait, les signatures sont les mêmes en vibration qu’en MCSA. La tension et le courant continu sont pris dans le circuit de l’armature.

Figure 6 : Défaut du variateur CC

Dans le cas de la figure 6, des harmoniques multiples de la fréquence de ligne plus des harmoniques multiples du nombre d’électroniques de puissance (SCR) multipliées par la fréquence de ligne (360 Hz, dans ce cas), indiquent un défaut de SCR ou une connexion lâche. Cela peut être confirmé en observant l’ondulation de la tension et de la fréquence dans les données de basse fréquence.

Test d’alternateur synchrone

Les alternateurs synchrones peuvent également être évalués rapidement et simplement en utilisant la tension et le courant démodulés. Dans le cas de l’exemple suivant, un alternateur a déclenché en raison d’une température élevée. Le MCA et le MCSA ont été utilisés pour évaluer le système.

Figure 7 : Données MCSA sur l’alternateur synchrone (basse fréquence)

Figure 8 : Excentricité dynamique de l’alternateur

L’alternateur testé a montré une augmentation de l’excentricité au cours d’un essai de 40 minutes, des défauts de champ tournant et quelques signatures de défauts électriques. Ces informations ont été couplées aux données MCA qui indiquaient un court-circuit de l’enroulement, un court-circuit du câble et une baisse significative de la résistance d’isolement sur la courte période de charge partielle. L’alternateur était un alternateur de 475 kW, 480 Vac qui nécessitait trois câbles parallèles par phase. Le système ATPOL offre un certain nombre d’options pour les câbles de grande taille. Cependant, en cas de difficulté, on a utilisé un câble de chacun des trois câbles de chaque phase, de sorte que les valeurs de courant étaient approximativement de 1/3.

Figure 9 : Connexion du courant pour l’alternateur

Entraînements à fréquence variable

Les variateurs de fréquence ont constitué un défi pour un certain nombre de systèmes MCSA. Dans le cas de l’ATPOL, cependant, ce n’est pas un problème. Les signaux de tension et de courant de sortie peuvent être visualisés (Figure 10).

Figure 10 : Formes d’onde de tension et de courant du VFD (capture de 0,05 seconde)

Figure 11 : Données de basse fréquence du VFD

La figure 11, qui représente les données de basse fréquence (<120 Hz) pour le même système que la figure 10, montre que la fréquence de ligne de sortie du variateur est de 43 Hz et que la vitesse de fonctionnement du moteur de 3600 tr/min est de 2570 tr/min.

Figure 12 : Données haute fréquence du VFD

Comme on peut le constater sur la figure 12, de fortes pointes de tension et de courant indiquent des défauts liés au système moteur. Une partie du bruit supplémentaire est strictement due aux formes d’onde de tension et de courant qui proviennent du VFD. Cependant, le logiciel placera automatiquement des curseurs liés aux différents défauts dans les formes d’onde.

Figure 13 : Analyse spéciale en valeurs de pointe

La figure 13 montre les mêmes données, mais avec les tensions et courants de pointe indiqués. Les courants de fréquence plus élevée indiquent des problèmes liés aux harmoniques de tension, qui sont illustrés dans la forme d’onde inférieure. Toutes les données combinées montrent un problème lié à la tension d’entrée. Lorsqu’il a été testé à 46 Hz, le problème est devenu plus important et a mis en évidence un défaut potentiel du système d’alimentation qui devient prévalent au-dessus de 45 Hz.

La solution serait atténuée par un filtrage appliqué à la sortie du variateur de vitesse.

Presse à poinçonner avec moteur et entraînement par courants de Foucault

Le système moteur complet peut être visualisé, y compris la charge entraînée.

Figure 14 : Cycle de chargement de la presse à poinçonner

La figure 14 montre le cycle actuel sur 10 secondes. Le pic A est l’un des trois pics de ce cycle qui se rapporte au poinçon (bas) de la course de la presse tandis que le point C se rapporte au haut de la course. Le point B identifie une sorte de problème de frottement ou d’agrippement lorsque le système s’est approché de la pointe de la course. Les trois coups du bas permettent d’identifier que l’opération se produit 18 fois par minute.

Figure 15 : bandes latérales de fréquence de ligne liées au moteur

La figure 15 montre un “plancher de bruit” élevé et de nombreuses bandes latérales autour de la fréquence BF de pointe. Ces données, ainsi que les données à haute fréquence, permettent d’orienter la direction vers la charge.

Figure 16 : Données haute fréquence de l’embrayage à courant de Foucault

La figure 16 indique qu’un défaut de connexion et/ou de SCR existe dans la tension continue d’alimentation du redresseur (six SCR). Les pics dans le haut
Le spectre de fréquence permet également d’identifier des défauts dans l’entraînement par courants de Foucault et dans la poinçonneuse elle-même, très probablement un relâchement du système (les signatures correspondantes montrent des planchers de bruit élevés).

MCSA et les applications énergétiques

Les fonctions de rapport automatisé et d’enregistrement des données du système ATPOL permettent également de travailler avec le logiciel MotorMaster Plus du ministère américain de l’énergie.

Des fonctionnalités supplémentaires ont été financées pour être incluses dans MotorMaster Plus par ALL-TEST Pro, Dreisilker Electric Motors et Pruftechnik afin de permettre l’inclusion d’informations de diagnostic du moteur pour analyse. L’utilisation du MCA et du MCSA permet à l’utilisateur d’évaluer l’état d’un moteur électrique, puis de prendre une décision de réparation ou de remplacement liée à l’énergie, avec un retour sur investissement confirmable.

Par exemple, un moteur de 40 chevaux, 1800 tours/minute, testé avec MCSA, a permis de déterminer certains défauts mécaniques et électriques. Les données ont été incorporées dans un rapport MotorMaster Plus et la fréquence de fonctionnement a été déterminée comme étant efficace à 91,5% à 90% de charge. Dans l’hypothèse d’un coût énergétique de 0,07 $/kWh et d’une demande de 14 $/kW, avec 2000 (1 équipe) en fonctionnement par an, un moteur électrique de remplacement à haut rendement a été identifié avec une période de récupération simple de 0,9 an et un retour sur investissement de 866 % après impôts.

Les données peuvent également être utilisées par le Pump System Assessment Tool (PSAT) du ministère américain de l’énergie, AirMaster et d’autres outils.

Puissance du diagnostic moteur – Système ALL-TEST PRO MD

La puissance combinée de MCA et MCSA disponible dans le kit ALL-TEST PRO MD, intégrée par le système EMCAT Motor Management Software, permet de
pour effectuer les opérations suivantes :

• Analyse automatisée des données MCA et MCSA.
• Calcul du retour sur investissement grâce aux logiciels Power System Manager et MotorMaster Plus.
• Mise en service de machines électriques
• Dépannage de machines électriques
• Tendances des machines électriques
• Analyse des causes profondes des machines électriques
• Vue complète du système de santé électrique et mécanique
• Évaluation des systèmes AC/DC, des charges par le biais de systèmes de ” couplage doux ” (c’est-à-dire les entraînements à courant de Foucault).
• Études et enquêtes sur l’énergie.
• Prend en charge d’autres technologies de diagnostic telles que les vibrations, l’infrarouge, etc.

Le tout grâce à un système simple de diagnostic du moteur. Les données peuvent être collectées à l’aide de collecteurs de données portatifs ou par le biais de la fonction de “télé-opération” via un ordinateur ou un portable (le système peut être commandé à distance depuis un écran d’ordinateur).

Conclusion

Le but de ce livre blanc ALL-TEST Pro était de présenter les capacités MCSA du système de diagnostic moteur ALL-TEST PRO MD.
Les capacités, telles que démontrées, vont bien au-delà de la simple analyse des moteurs à induction et incluent :

• Moteurs et alternateurs à courant alternatif
• Moteurs et générateurs à courant continu
• Systèmes monophasés et triphasés
• Entraînements par courants de Foucault
• Entraînements à fréquence variable
• Qualité du courant entrant
• Charge entraînée
• Beaucoup plus

Les capacités sont allées bien au-delà de celles citées dans ce document.

D’autres articles seront présentés pour identifier les possibilités offertes par la qualité de l’énergie, le MCA, le MCSA et la détection des défauts liés à la charge.