Comment tester complètement les moteurs à induction triphasés à l’aide d’un test de moteur hors tension ?

Les gens effectuent souvent des tests d’inductance du moteur avec des méthodes qui ne permettent pas d’évaluer avec précision l’ensemble de la situation. Des tests inadéquats peuvent conduire à un remplacement prématuré des équipements, à de mauvaises analyses de coûts et à d’autres résultats négatifs. Les tests de moteurs hors tension avec les dispositifs exclusifs d’analyse des circuits moteurs (MCA™) d’ALL-TEST Pro peuvent rendre les tests plus précis, plus exploitables et plus directs. Cet article vous montre comment tester un moteur à courant alternatif triphasé et explique pourquoi les méthodes MCA™ sont plus complètes.

Comment fonctionnent les méthodes de test traditionnelles ?

Avant d’expliquer comment tester un moteur triphasé à l’aide des procédures de test modernes, nous verrons pourquoi les méthodes de test traditionnelles utilisant les appareils de mesure de la résistance d’isolement à la terre et les multimètres ne suffisent généralement pas. Ces outils négligent des parties spécifiques du moteur et ne vous aideront pas toujours à déterminer si un moteur triphasé est défectueux.

Compteurs de résistance de l’isolation à la terre

Il est prouvé que seuls 17 % environ des défauts électriques du stator se produisent entre les bobines et le châssis du moteur ou sont des courts-circuits directs à la terre, tandis qu’environ 83 % se produisent dans l’isolation des bobines. Comme le test IRG ne tient pas compte de l’isolation de l’enroulement, il ne s’applique qu’à un petit pourcentage de défauts. Il ne permet pas non plus d’évaluer l’état général de l’isolation du mur du sol, mais seulement son point le plus faible. Les compteurs IRG recommandent d’utiliser un indice de polarisation archaïque pour déterminer la capacité du GWI à stocker une charge électrique. Ces directives, basées sur des types d’isolation plus anciens, peuvent être invalides pour les systèmes d’isolation plus récents.

Le but des mesures IRG n’est pas de déterminer l’état de l’isolation, mais de vérifier que le moteur électrique triphasé peut être mis sous tension en toute sécurité. Des mesures supplémentaires telles que le facteur de dissipation et la capacité à la terre fournissent une indication plus complète de l’état général de la GWI.

Multimètres

Les multimètres mesurent la résistance du circuit électrique entre des fils spécifiques du moteur. En théorie, si l’isolation entourant les conducteurs se rompt (comme dans le cas d’un court-circuit), la résistance de la bobine court-circuitée est inférieure à celle des autres bobines, ce qui crée un déséquilibre de résistance entre les phases.

Le problème de la résistance comme indicateur de la dégradation de l’isolation de l’enroulement réside dans la loi fondamentale de l’électricité qui stipule que le courant emprunte le chemin de moindre résistance. Pour que le courant puisse contourner une ou plusieurs spires d’une bobine, la résistance d’isolement entre les bobines doit être inférieure à la résistance des conducteurs de la ou des spires court-circuitées. Ces valeurs peuvent être de l’ordre du milliohms et ne sont généralement pas mesurables tant que l’isolation entre les enroulements n’est pas complètement détruite.

Un autre problème avec les multimètres est que l’isolation a un coefficient de température négatif. Au fur et à mesure que sa température augmente, la résistance diminue, potentiellement jusqu’à une valeur suffisamment basse pour que le courant soit court-circuité autour de la bobine. Si vous effectuez les mesures après l’arrêt du moteur, les températures de l’enroulement et de l’isolation ont diminué, ce qui permet à la résistance de l’isolation d’augmenter suffisamment pour que le courant suive son chemin habituel et présente une mesure équilibrée entre les phases.

Comment l’isolation se décompose-t-elle ?

L’évaluation de l’état d’un moteur triphasé repose sur une indication précoce de la rupture de l’isolation. Pour ce faire, MCA™ utilise des signaux CA basse tension pour exercer le système d’isolation de l’enroulement afin de déterminer à quel moment l’isolation de l’enroulement commence à subir les changements chimiques qui se produisent lorsque l’isolation commence à se dégrader.

Toute matière est constituée de molécules et d’atomes. Les atomes fonctionnent comme des briques LEGO®, formant des molécules grâce à des liaisons chimiques. Ces liaisons se produisent dans la coquille la plus externe de l’atome (valence). Les matériaux isolants ont des électrons de valence très étroitement liés. Les matériaux conducteurs ont des électrons faiblement liés dans la coquille de valence. La chaleur peut modifier la composition chimique du matériau isolant, rendant l’isolation entourant les conducteurs plus conductrice et formant des chemins dans l’isolation. Ces chemins créent des courts-circuits entre les conducteurs.

Selon l
équation d’Arrhenius
ces réactions chimiques doublent pour chaque augmentation de température de 10 degrés Celsius. L’isolation ne tombe pas en panne instantanément. Tous les matériaux d’isolation électrique sont diélectriques et subissent une modification de leur composition chimique au fil du temps, mais ces réactions accélèrent leur détérioration. La chaleur fait augmenter la vitesse de réaction, ce qui accélère d’autant la vitesse de détérioration.

Lorsque cela se produit, l’isolation commence à se détériorer par étapes :

1. Lorsque l’isolation est sollicitée, elle devient plus conductrice, moins résistive et moins capacitive. La température commence à augmenter dans la zone de la faille, et l’isolation forme des chemins de carbonisation. Dans les premiers stades, aucun courant ne circule à travers l’isolation.
2. La résistance continue de diminuer au fur et à mesure que l’isolation se dégrade. L’auto-inductance et la capacité peuvent diminuer, et le moteur peut commencer à se déclencher par intermittence, mais fonctionner correctement après le refroidissement de l’isolation. La poursuite de l’exploitation permettra aux températures dans la zone de la faille de continuer à augmenter à mesure que la faille s’aggrave.
3. Enfin, l’isolation se dégrade jusqu’à ce que le courant traverse la zone de défaut. Ce phénomène peut provoquer une rupture complète de l’isolation de l’enroulement, vaporisant l’enroulement. A ce moment, l’inductance et la résistance de l’enroulement de la bobine changent.

Quels sont les défauts courants des rotors ?

Certains (selon l’EPRI, 10 %) des gros moteurs à induction triphasés à courant alternatif tombent en panne à cause de problèmes de rotor. Ceux-ci sont indétectables par les méthodes traditionnelles de test moteur ou nécessitent des diagnostics longs et des instruments de test complexes. Voici quelques défauts typiques du rotor.

Vides de coulée

Les vides de coulée se produisent lorsque des bulles de vapeur se forment dans les barres du rotor ou les bagues d’extrémité dans la partie électrique des rotors à cage d’écureuil. Ils augmentent la résistance dans la ou les barres. Les barres de rotor créent des circuits parallèles. La théorie électrique de base stipule que la tension dans chaque branche des circuits parallèles est la même. Un vide de coulée dans une barre de rotor augmente la résistance de la barre de rotor, ce qui entraîne une diminution du flux de courant (à travers la barre présentant le défaut), et augmente le flux de courant à travers les barres adjacentes. L’augmentation du flux de courant à travers ces barres de rotor adjacentes provoque un chauffage supplémentaire de ces barres de rotor. La chaleur supplémentaire entraîne une dilatation thermique des barres concernées, ce qui fait fléchir le rotor et crée des vibrations excessives ainsi que des défaillances précoces et fréquentes des roulements.

Rotor excentrique

Un rotor excentrique se produit lorsque l’axe géométrique de l’arbre n’est pas concentrique avec l’axe géométrique du noyau du rotor. Le point du rotor le plus éloigné de l’arbre (point haut) sera plus proche du stator, tandis que le point du côté opposé du rotor (point bas) sera plus proche de l’arbre mais plus éloigné du stator. L’excentricité crée un espacement inégal entre le noyau du rotor et le noyau du stator. Comme un rotor excentrique a un point haut et un point bas, l’espacement inégal entre le rotor et le stator change avec la position du rotor.

Ce type d’excentricité est appelé excentricité dynamique. Cette condition crée des forces électriquement déséquilibrées entre le rotor et le stator, ce qui entraîne des défaillances fréquentes des roulements.

Écarts d’air inégaux

Un entrefer inégal se produit si un rotor concentrique n’est pas positionné dans l’axe géométrique du champ du stator. Cette circonstance peut se produire en raison d’un usinage imprécis et non concentrique des ajustements de la feuillure sur le cadre du moteur et les cloches d’extrémité. Même des ajustements correctement usinés peuvent permettre au GCL du rotor d’être décalé par rapport au GCL du stator. Ce problème crée des jeux étroits et des forces électriques déséquilibrées entre le stator et le rotor, comme pour un rotor excentrique, mais le jeu étroit reste à un endroit fixe à l’intérieur du moteur et ne change pas avec l’orientation du rotor. Ce type d’excentricité est appelé excentricité statique.

Une condition de pied mou entre les pieds moteurs et la base est une cause courante d’excentricité statique. Si les pieds du moteur ne sont pas dans le même plan que la base sur laquelle le moteur est monté, le serrage des boulons de maintien sur le châssis du moteur peut entraîner la déformation du châssis du moteur, ce qui déforme également le champ du stator. Ces distorsions créent les mêmes conditions que si le rotor était décentré dans le champ magnétique du stator.

Ces entrefers peuvent créer des jeux étroits et des forces magnétiques déséquilibrées qui peuvent entraîner des défaillances fréquentes des roulements et des fissures ou des cassures dans les barres du rotor.

Barres de rotor fissurées ou cassées

Les barres du rotor agissent comme des conducteurs dans le circuit électrique du rotor. Si les barres du rotor sont fissurées ou cassées, des points morts apparaissent sur le rotor lorsque les barres concernées se trouvent sous l’un des pôles du champ magnétique du stator tournant autour du noyau du stator. Le courant est modulé à travers le rotor à une fréquence égale au nombre de pôles du moteur et à la fréquence du courant qui traverse le rotor. Des barres de rotor cassées ou fissurées empêchent le rotor d’atteindre une vitesse normale ou créent un courant excessif, de la chaleur et des vibrations de la machine. S’il n’est pas corrigé, le rotor peut finir par s’autodétruire.

En quoi consiste l’analyse des circuits moteurs™ ?

Pour évaluer ces défauts du rotor et les lacunes des essais traditionnels, nous pouvons utiliser des méthodes plus complètes. Analyse du circuit du moteur™ stratégies pour tester un moteur à courant alternatif triphasé.

Isolation des murs du sol

L’isolation à la terre est toute isolation séparant l’alimentation électrique fournie au moteur et le châssis ou toute autre partie exposée du moteur. Son but est de diriger la trajectoire du courant et de l’empêcher d’aller ailleurs qu’à l’endroit prévu. N’oubliez pas que les mesures IRG confirment qu’un moteur peut être mis sous tension en toute sécurité, et non son état. Les mesures DF et CTG fournissent plus d’informations sur l’état général du GWI.

Le système GWI peut être modélisé comme un circuit RC série-parallèle. L’isolation GWI forme un condensateur puisqu’il s’agit d’un matériau diélectrique placé entre des matériaux conducteurs. Le condensateur stocke une charge électrique, de sorte qu’une partie du courant alternatif appliqué à un condensateur retourne à la source lorsque vous supprimez la tension. Cependant, certains flux traversent le diélectrique. Le courant qui retourne à la source est capacitif tandis que le courant qui traverse le matériau diélectrique est résistif. Lorsque vous appliquez une tension alternative au condensateur, le courant capacitif précède la tension de 90 degrés, tandis que le courant qui traverse le diélectrique est résistif et en phase avec la tension alternative.

Une isolation neuve et propre a un courant résistif qui est de 3 à 5 % du courant capacitif. Si le matériau isolant se dégrade, le courant résistif augmente ou le courant capacitif diminue, ou les deux. Dans tous les cas, elle affecte le rapport entre le courant résistif et le courant capacitif – le DF. Un DF croissant indique une dégradation du GWI, qui peut être due à une dégradation thermique ou à une contamination.

Les moteurs neufs et propres ont également une valeur CTG spécifique. Si la valeur actuelle du CTG a augmenté par rapport à la ligne de base, cela est généralement dû à une isolation contaminée ou à une infiltration d’eau. La dégradation thermique de l’isolation GWI augmente le courant résistif et diminue le courant capacitif, de sorte que la valeur CTG diminue. La combinaison de ces deux mesures AC avec les mesures IRG fournit plus d’informations pour déterminer l’état général de la GWI.

Essais statiques d’enroulement du stator

Les tests de l’enroulement du stator peuvent être statiques ou dynamiques. Les essais statiques ont lieu lorsque le rotor est immobile et comprennent les éléments suivants.

• Résistance de l’enroulement : Pour mesurer la résistance de l’enroulement, vous pouvez appliquer séquentiellement une tension continue à deux des trois fils du moteur pour évaluer la résistance des conducteurs connectés entre les fils des instruments. Les déséquilibres associés à la résistance des enroulements sont généralement dus à des connexions lâches ou à haute résistance.
• Inductance (L) : L’inductance mesure la capacité d’une bobine ou d’un enroulement à stocker un champ magnétique. Les moteurs ont à la fois une inductance propre et une inductance mutuelle. La dégradation de l’isolation d’une bobine affecte l’auto-inductance, et toute modification du circuit électrique du rotor affecte l’inductance mutuelle. Le déséquilibre de l’inductance provient souvent de la position du rotor. La position du rotor n’est pas un problème mais une condition naturelle associée aux moteurs à induction. Les moteurs à induction à courant alternatif peuvent être moulés comme un transformateur avec un secondaire tournant. Les enroulements du stator jouent le rôle de primaire et les barres du rotor celui de secondaire. Dans des conditions statiques, le nombre de barres de rotor placées directement sous les bobines sous tension testées détermine le rapport de transformation entre le primaire et le secondaire. Cela établit l’inductance mutuelle entre le rotor et le stator. Si le nombre de barres de rotor positionnées sous chaque phase n’est pas le même en raison de la position du rotor, cela créera une inductance déséquilibrée entre les phases.
• Impédance (Z) : L’impédance est l’opposition totale au passage du courant dans un circuit alternatif. Alors que la résistance ne mesure que l’opposition au courant continu, l’inductance et la capacité du circuit affectent l’impédance. Ces quantités changent lorsque l’isolation entourant les conducteurs qui forment les bobines des enroulements commence à changer. Comme Z est une valeur d’échelle, il peut manquer de petits changements dans les premiers stades de la dégradation de l’isolation.
• Angle de phase (Fi) : L’angle de phase mesure le délai entre deux ou plusieurs événements au sein d’une même période. Un cycle complet est de 360 degrés. S’il faut une seconde pour compléter un cycle (la période du cycle), et qu’un événement est en retard d’une demi-seconde sur l’autre (un demi-cycle, ou 180 degrés), le Fi est de 180 degrés. La fréquence est l’inverse du temps (1/T), de sorte que tous les événements ayant la même période se produisent à la même fréquence. Si les cycles ne démarrent pas simultanément, l’un d’eux sera en avance ou en retard. Les circuits résistifs, inductifs et capacitifs diffèrent dans la façon dont le courant et la tension se rapprochent ou s’éloignent l’un de l’autre. Ainsi, lorsque la composition chimique de l’isolation entourant les conducteurs qui composent les bobines commence à changer, le Fi changera avant le Z, le L, le R ou le C. La mesure du Fi est un indicateur avancé de la rupture de l’isolation.
• Réponse en fréquence du courant (I/F): Les inducteurs stockent des champs magnétiques pour s’opposer à une variation du courant, tandis que les condensateurs stockent des charges électriques pour s’opposer à une variation de la tension. Si ces propriétés changent, la capacité de la bobine ou de l’enroulement à stocker une charge ou un champ magnétique change également. L’isolation entoure les conducteurs dans les bobines des enroulements de phase. Si les isolations entourant toutes les bobines ont toutes le même état, chaque phase a la même capacité de stockage. Lorsque l’isolation commence à se dégrader, cette capacité change, créant un déséquilibre dans la capacité des bobines de phase à stocker un champ magnétique ou une charge électrique. La réponse I/F mesure la capacité d’une bobine à stocker un champ magnétique ou une charge électrique. Des déséquilibres supérieurs à 2% de l’I/F d’une bobine par rapport à la moyenne de toutes les phases indiquent un défaut en développement dans l’enroulement.

MCA™ est une technologie éprouvée sur le terrain qui est utilisée avec succès depuis plus de 35 ans. MCA™ dispose de directives documentées pour identifier les défauts de bobinage et de rotor en développement. Pour les praticiens occasionnels, ces directives peuvent être difficiles à retenir et à appliquer. Ainsi, à la demande de certains utilisateurs, les ingénieurs de ALL-TEST Pro ont développé une solution unique et brevetée. Ils ont développé un algorithme propriétaire combinant toutes les mesures MCA™ qui définit l’état de l’enroulement et du système rotorique. Il fournit une seule valeur, la valeur de test statique. Le TVS™ n’évalue pas l’aptitude de l’isolation ou du système du rotor, mais il reflète l’état des systèmes électriques du bobinage et du rotor du moteur. Les moteurs ne sont pas auto-réparateurs, donc tout changement dans le TVS™ indique que l’état du moteur se détériore.

La valeur de référence statique est généralement le premier TVS™ réalisé sur un moteur et est spécifiée comme la valeur de référence ou ” de base “. Cela permet à l’instrument de comparer les résultats de n’importe quel “test statique” actuel au RVS stocké pour évaluer l’état du moteur. Le RVS est un TVS™ enregistré dans l’instrument ou le logiciel MCA™ comme référence pour les comparaisons. Si le TVS™ change de plus de 3 % par rapport à sa valeur initiale, il s’agit d’une alerte précoce. Un dépassement de 5 % indique un changement important.

Les moteurs neufs ou reconstruits doivent avoir les résultats du premier “test statique” enregistrés comme RVS.

Lorsqu’un moteur est installé pour la première fois dans un système, un nouveau test statique est effectué à partir d’un endroit facilement accessible, comme le centre de commande du moteur ou une déconnexion locale, et les résultats sont stockés comme un nouveau RVS. Ce nouveau RVS intègre tous les composants électriques dans le contrôleur du moteur et le câblage associé. La réalisation de tout test statique ultérieur à partir de cet endroit permet d’évaluer rapidement l’état du circuit électrique.

Si un nouveau TVS™ diffère du RVS de moins de 3 %, l’état du moteur et des composants associés n’a pas changé. Un avertissement au-delà de 3 ou 5 % indique respectivement un défaut en développement ou un changement grave. Le changement ne s’est pas nécessairement produit dans le moteur, mais quelque part dans le système. Pour isoler le défaut, il faut effectuer un nouveau test statique directement sur le moteur. Si ce TVS™ du moteur est à moins de 3 % du RVS pour le moteur, le défaut se situe dans le contrôleur ou le câblage associé. S’il est supérieur à 3 %, le défaut se situe au niveau des enroulements du moteur ou du système rotorique.

Pour déterminer si le défaut se situe dans le stator ou le rotor, vous devez effectuer un test dynamique.

Tests dynamiques

Les tests dynamiques ont lieu pendant que l’arbre du moteur tourne manuellement, lentement et en douceur. Ils créent une signature du stator et une signature du rotor.

• Signature du stator : La signature du stator représente les valeurs moyennes de la variation de l’impédance lorsque les barres du rotor se déplacent dans le champ magnétique créé par les bobines sous tension. Sur les bons moteurs, la distribution des valeurs moyennes est inférieure à 1,1% par rapport aux autres phases. S’il est plus élevé, cela indique un défaut qui se développe dans l’isolation entourant les conducteurs qui constituent les bobines à l’intérieur des phases. Si les valeurs dépassent une variation de 3 %, une dégradation importante se produit dans l’isolation.
• Signature du rotor : La signature du rotor indique dans quelle mesure chaque pic s’écarte de la valeur moyenne. Sur les bons rotors, ces pics sont symétriques. Ils doivent varier de moins de 10% par rapport aux autres pics de la phase. Une variation comprise entre 10% et 15% indique un avertissement précoce, et une variation supérieure à 15% indique un mauvais rotor.

Pourquoi le MCA™ est-il si utile ?

Malheureusement, la méconnaissance des capacités modernes et éprouvées sur le terrain des tests moteurs du MCA™ a limité l’utilisation généralisée de la méthode. Les approches traditionnelles ont une capacité limitée à analyser en profondeur les moteurs à induction à courant alternatif triphasé. Il existe d’autres méthodes qui prennent beaucoup de temps, mais elles se concentrent toujours sur le GWI, qui ne fournit aucune indication sur les problèmes plus courants d’isolation des enroulements et du rotor.

Il existe des instruments plus coûteux qui nécessitent plus de temps pour effectuer les tests mais qui ne permettent pas de déterminer l’état du rotor du moteur ou du système d’isolation.

MCA™ surmonte ces problèmes grâce à une méthode facile à utiliser et à comprendre pour tester les moteurs hors tension. Il offre des évaluations détaillées, éprouvées sur le terrain et précises pour ces moteurs à courant alternatif triphasé. Nos instruments MCA™, comme le
ALL-TEST PRO 7
™ et le
ALL-TEST PRO 34
™, sont des outils portatifs, alimentés par batterie, qui proposent des instructions étape par étape pour réaliser les tests. Ils fournissent également une évaluation immédiate à l’écran de l’état du moteur.

Des tests moteurs améliorés, plus faciles et plus rapides avec MCA™ peuvent offrir des avantages comme ceux-ci.

• Précision et succès accrus dans le dépannage : De nombreux moteurs présentent des défauts mineurs, souvent réparables, mais leurs utilisateurs les écartent en raison des coûts de test supplémentaires. Certaines usines remplacent les moteurs gênants au-delà d’une taille prédéterminée. En identifiant précisément le défaut, ces utilisateurs peuvent effectuer de meilleures analyses coût/réparation afin de réduire le nombre de remplacements et de minimiser les coûts associés aux réparations, aux temps d’arrêt et à la réorientation de la main-d’œuvre qualifiée.
• Des installations plus fiables : En inspectant les moteurs neufs et reconstruits, une usine s’assure d’en avoir pour son argent. Vous pouvez éviter d’installer des moteurs défectueux ou de gaspiller des moteurs qui sont encore en bon état et faciles à réparer.
• Réduction des temps d’arrêt : La recherche d’indices de dégradation des moteurs peut vous aider à remplacer les moteurs suspects ou faibles lors d’un arrêt programmé, au lieu de laisser des pannes soudaines interrompre les opérations et réduire votre temps de fonctionnement.

Équipement ALL-TEST Pro’s MCA™

Commencez à utiliser les valeurs TVS™ et RVS uniques de MCA™ et ALL-TEST Pro avec nos produits de test de moteurs triphasés. Nous proposons un large éventail d’appareils de test, et notre équipe compétente sera heureuse de vous aider à trouver celui qui convient à votre activité.
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