Comment tester un moteur synchrone avec la technologie moderne

Afin de mieux comprendre l’application du test et de l’analyse du circuit moteur sur les moteurs électriques synchrones (machines synchrones), il est important d’avoir un bref aperçu du fonctionnement d’un moteur synchrone, des défauts les plus courants, des méthodes de test courantes, de la façon dont l’ALL-TEST IV PRO™ (
Maintenant AT5™
) fonctionne avec de grands moteurs synchrones, les étapes de base pour l’analyse des stators et des rotors synchrones, et, les résultats de test attendus (
Editor- ALL-TEST PRO 5™ est le remplaçant recommandé de l’ATIV™
). Dans ce document, nous discuterons de ces différents aspects, en nous référant à d’autres documents pour plus de détails.

À propos des machines synchrones

Les grands moteurs synchrones ont deux fonctions de base :

• La première consiste à améliorer le facteur de puissance électrique dans une usine. Dans toute installation comportant des charges inductives importantes, comme les moteurs et les transformateurs, le courant commence à être inférieur à la tension (mauvais facteur de puissance). Lorsque ce problème devient suffisamment grave, l’usine a besoin d’une quantité de courant beaucoup plus importante pour effectuer la même quantité de travail. Cela peut provoquer une baisse de tension et une surchauffe des composants électriques. Un moteur synchrone peut être utilisé de manière à n’avoir que peu ou pas d’impact sur le facteur de puissance, ou peut être utilisé pour que le courant devance la tension afin de corriger les problèmes de facteur de puissance.
• Le deuxième mode de fonctionnement consiste à absorber les charges pulsées, comme les compresseurs à mouvement alternatif. Une fois qu’un moteur synchrone a atteint la vitesse de synchronisation, il possède des bobines qui se “verrouillent” au rythme des champs magnétiques rotatifs du moteur électrique provenant du stator. Si une impulsion de couple se produit (comme au sommet de la course d’un compresseur alternatif), le moteur peut se désynchroniser avec les champs tournants. Lorsque cela se produit, un enroulement spécial sur le rotor appelé enroulement amortisseur (voir la construction synchrone ci-dessous) absorbe l’énergie de l’impulsion de couple, ce qui maintient le rotor en synchronisation.

La construction de base d’un moteur synchrone est simple. Il y a trois jeux d’enroulements, un stator, un rotor, des roulements et un générateur (sans balais) ou un “excitateur statique” (avec balais).

Les enroulements sont constitués de

• Un enroulement triphasé standard, très similaire à celui d’un moteur électrique à induction standard.
• Un ensemble de bobines de champ, qui sont des bobines de courant continu en fil rond pour les petites machines et en fil rectangulaire ou en ruban pour les machines plus grandes.
• Un enroulement amortisseur, qui est similaire à un rotor de moteur à induction à cage d’écureuil.

Les méthodes de démarrage des moteurs synchrones à balais et sans balais sont similaires. Le circuit de départ sera différent pour les deux. Vous trouverez ci-dessous une description du mode de fonctionnement de base, suivie d’une brève description des différences :

Pendant la phase de démarrage d’un moteur synchrone, celui-ci se comporte à peu près comme un moteur à induction standard. Le stator reçoit un courant électrique et un champ magnétique tournant est développé (la vitesse = (120 * fréquence appliquée) / # de pôles). Ce champ génère un courant dans l’enroulement de l’amortisseur, qui est utilisé pour développer le couple de démarrage en générant son propre champ magnétique qui interagit avec le champ magnétique du stator dans l’entrefer et amène le rotor à suivre les champs magnétiques du stator. Lorsque le rotor commence à rattraper les champs du stator, un courant continu est injecté dans les bobines de champ du rotor, créant des paires magnétiques nord et sud (les bobines du rotor se trouvent toujours par paires). Ceux-ci se synchronisent avec les champs magnétiques du stator et suivent la même vitesse que les champs du stator, alors qu’un moteur à induction standard est toujours à la traîne.

Dans une machine à balais, la source de courant continu pour les champs du rotor provient généralement d’un démarreur “statique” (électronique), qui convertit le courant alternatif fourni en courant continu. Dans la plupart des cas, le courant continu de sortie varie pendant le cycle de démarrage. Le variateur peut également être configuré pour court-circuiter les bobines de champ de la machine afin d’éviter la saturation du rotor et les courants extrêmement élevés qui en résultent sur le stator. Une fois que le rotor commence à tourner, le courant continu est fourni pour aider le moteur à développer un couple. La tension continue est fournie par une paire de bagues collectrices et de balais.

Dans une machine sans balais, un générateur de courant continu est installé directement sur l’arbre du moteur synchrone. Lorsque le moteur synchrone démarre, le générateur fournit très peu de courant continu par l’intermédiaire de son collecteur. Lorsque la vitesse augmente, la tension continue augmente également, ce qui permet au moteur de générer un couple et de se bloquer à la vitesse de synchronisation. Dans ce type de machine, le générateur est câblé directement sur les champs du rotor.

Il existe également des machines qui ont un générateur monté sur l’arbre du rotor qui alimente une commande séparée. Il sert d’abord à court-circuiter les enroulements, puis à contrôler la quantité de courant continu fournie au rotor, tout comme la machine à balais.

Défauts les plus courants des moteurs synchrones

Les grands moteurs synchrones sont généralement bien construits et robustes. Ils sont souvent surchargés de matériaux pour résister aux charges importantes qui sont appliquées. Les défaillances les plus courantes des machines synchrones industrielles sont, dans l’ordre, les suivantes :

• Roulements en raison de l’usure générale et de la contamination
• Champs du rotor – en raison des températures élevées, ils sont souvent brûlés de l’intérieur vers l’extérieur.
• Enroulements amortisseurs – principalement dans les charges alternatives. En raison de la quantité d’énergie absorbée, les barres d’enroulement se fissurent souvent. En particulier, si les champs du rotor commencent à se détériorer et sont courts, ce qui facilite la désynchronisation du rotor.
• Enroulements du stator – usure générale et contamination. Les enroulements du stator des machines synchrones ont tendance à être “enroulés en forme” et fortement isolés.

Presque tous les défauts d’enroulement qui se produisent dans un moteur synchrone commencent entre les conducteurs des bobines du rotor ou du stator.

Méthodes d’essai communes, points forts et points faibles

Voici les méthodes d’essai traditionnelles pour évaluer l’état d’un moteur synchrone :

• Test de résistance d’isolement : En utilisant des tensions continues appliquées comme spécifié par IEEE 43-2000, un potentiel est placé entre les enroulements du stator et la terre. Il ne mesure que les défauts directs entre les enroulements du stator et le cadre du stator. Il est également réalisé à travers les bagues collectrices d’une machine à brosses.
• Indice de polarisation : Il s’agit d’un rapport de 10 minutes à 1 minute de la résistance d’isolation. Cette méthode est traditionnellement utilisée pour évaluer l’état de l’isolation entre les enroulements du stator et la carcasse. Comme pour l’essai de résistance d’isolement, cet essai peut également être réalisé à travers les bagues collectrices sur une machine à brosses. Comme indiqué dans la norme IEEE 43-2000, cette méthode d’essai n’est réellement valable que pour les systèmes d’isolation antérieurs à 1970.
• Test de haut potentiel : Le plus courant sur les grandes machines est le test de haute tension en courant continu, qui est effectué à une valeur égale à deux fois la tension de la plaque signalétique du moteur plus 1000 volts, multipliée par la racine carrée de 3. Sur un système d’isolation existant, cette valeur est souvent réduite à 75% de la tension potentielle. Ce test sollicite fortement le système d’isolation et est potentiellement dommageable (selon les normes IEEE 388 et 389). Ce type d’essai ne doit JAMAIS être appliqué aux enroulements du rotor d’un moteur synchrone.
• Test de comparaison de surtension : Évalue l’état de rotation du stator uniquement en comparant les formes d’onde de deux enroulements lorsqu’une impulsion à temps de montée rapide de deux fois la tension plus 1000 volts. S’il existe des problèmes corrigibles, comme des enroulements contaminés, ce test peut endommager les enroulements du moteur.
• Essai de décharge partielle : Il s’agit d’une méthode d’essai non destructive qui mesure les radiofréquences des décharges dans les vides du système d’isolation des enroulements du moteur. Cette méthode est efficace pour établir des tendances sur les machines de plus de 6,6 kV et ne fournit qu’un bref avertissement à partir de 4 kV. Il ne détecte pas les défauts du rotor.

• Analyse de la signature du courant du moteur : A été conçu pour tester le rotor des moteurs à induction.
• Test de chute de tension : Nécessite le démontage du moteur. Une tension de 115 AC est appliquée aux enroulements du rotor et la chute de tension est mesurée avec un voltmètre à travers chaque bobine. S’il y a un court-circuit, la chute de tension variera de plus de 3 %.

La liste ci-dessus ne comprend pas l’équipement pour l’essai mécanique des moteurs synchrones.

À propos de l’instrument ALL-TEST Pro

L’ALL-TEST IV PRO™ (
Editor- ALL-TEST PRO 5™ est le remplacement recommandé pour l’ATIV™)
est un instrument électronique simple qui fonctionne à peu près de la même manière qu’un multimètre, sauf qu’il fournit une série de lectures qui couvrent les paramètres CA du circuit du moteur. Il s’agit d’un collecteur de données et d’un testeur qui envoie un signal CC basse tension pour les tests de résistance simples, de la même manière qu’un milli-ohmmètre, et un signal CA basse tension et haute fréquence pour les relevés CA. L’instrument mesure et calcule ensuite les résultats des tests en unités techniques de résistance, d’impédance, d’inductance, d’angle de phase, de réponse en courant/fréquence et un test de résistance d’isolation à la terre.

Les principales différences entre les tests électroniques des équipements électriques et les méthodes traditionnelles sont les suivantes :

• Une vue plus complète du circuit du moteur, y compris les influences des changements de l’état de l’isolation de la bobine de champ du rotor.
• Un seul instrument pour une large gamme de taille d’équipement. Le test est limité uniquement à la gamme de résistance simple de l’instrument (0,010 Ohm à 999 Ohms).
• Non-destructif – aucune tension dangereuse n’est appliquée.
• Interprétation des données plus facile – Quelques règles simples pour l’interprétation des données (voir l’interprétation des données ci-dessous).
• Matériel portatif ou équipement pouvant peser de 40 à plus de 100 livres.
• Source d’alimentation interne de l’instrument.

Lorsqu’un système d’isolation vieillit, ou si le système d’isolation est contaminé et que cela affecte l’intégrité de l’isolation, le circuit électrique du moteur change. Le rotor faisant partie intégrante du circuit, les modifications de l’intégrité électrique du circuit et du système d’isolation du rotor se répercutent directement sur les enroulements du stator. Cela permet à la fois un dépannage immédiat et une tendance à long terme du moteur.

Des informations de test uniques permettent aux instruments ALL-TEST Pro de visualiser suffisamment de paramètres du système d’isolation pour détecter et isoler :

• Enroulements du stator en court-circuit
• Champs de rotor court-circuités
• Barres de remontage de l’amortisseur cassées
• Excentricité de la lame d’air
• Contamination du bobinage (rotor et stator)
• Défauts d’isolation de la terre

Étapes de base pour l’analyse des machines synchrones avec les instruments ALL-TEST Pro

Les étapes du test des machines synchrones sont similaires à celles de l’évaluation de l’état des moteurs à induction standard. Cependant, en raison de la présence de bobines d’excitation sur le rotor du moteur, quelques étapes supplémentaires sont nécessaires lors du dépannage d’une panne.

Lors du test d’une machine synchrone à partir du centre de contrôle du moteur ou du démarreur :

• Mettez l’équipement hors tension. Assurez-vous que les sources secondaires d’alimentation sont également mises hors tension.
• Effectuez les tests standard ALL-TEST IV PRO™ (désormais AT5™) sur le stator en suivant les invites du menu de l’instrument.
• Évaluer les résultats du test (voir Résultats attendus du test)
• Si un défaut est indiqué, commencez le dépannage :
• Ajustez la position du rotor, autant que possible, jusqu’à 45 degrés (tout mouvement fera l’affaire si le rotor est difficile à tourner, mais pas moins de 5 degrés).
• Refaites les tests et examinez les relevés. Si le défaut s’est déplacé, ou s’il a changé de plus d’un chiffre, alors le défaut se situe très probablement dans le rotor.
• Si le défaut reste stationnaire (ne change pas avec la position du rotor), débranchez les fils dans la boîte à bornes du moteur et refaites le test. Si un défaut est toujours indiqué, il est très probablement dans le stator, sinon, il est très probablement dans le câble.

La durée moyenne d’un test, hormis le dépannage, est d’environ 3 à 5 minutes.

Lors du test d’une machine synchrone démontée, il est important de se rappeler que les relevés seront très différents sans le rotor en place :

• Effectuez le test automatique ALL-TEST IV PRO™ (AT5
  Z/
  
  
  ) sur le stator et évaluer les résultats de l’essai. Cela fournira une indication immédiate de toute anomalie.
• Pour le test du rotor :

• Effectuer le test automatique et le comparer à une lecture antérieure ; ou,

• Effectuer le test Auto et comparer avec un rotor “identique” ; ou,
• Effectuez le test Auto sur chaque bobine de champ au lieu d’un test de chute de tension.
• Tous les paramètres pour les trois doivent respecter les limites d’évaluation.

En raison du style de test, ces résultats peuvent faire l’objet de tendances et être comparés entre machines similaires.

Les autres applications des tests de circuits de moteurs comprennent l’évaluation et l’acceptation, ainsi que la maintenance prédictive.

Résultats attendus des tests

Comme indiqué dans la dernière section de ce document, les résultats des essais sont similaires à ceux obtenus avec des machines à induction triphasées. Les modèles de défauts sont très simples et s’appliquent quelle que soit la taille de l’équipement, dans la limite de la plage de test des instruments ALL-TEST Pro. Vous trouverez ci-dessous un bref aperçu des mesures de test et de leurs résultats pour un dépannage de base :

• Mesures simples de la résistance : Elles indiquent la présence de connexions à haute résistance, de connexions desserrées ou de conducteurs cassés dans le circuit. Ce test est important, surtout si le problème de résistance se situe à un seul endroit car, d’après I2R, un point résistif dégagera une grande quantité d’énergie thermique (en Watts). Par exemple, une résistance de 0,5 Ohm à travers un point d’un circuit qui reçoit 100 Ampères donnerait : (100Amps2)(0,5 Ohms) = 5 000 watts (5kW) d’énergie. C’est à peu près la même énergie que celle utilisée pour faire tourner un moteur électrique d’une puissance de 6 chevaux.
• Mesure de l’inductance : Il s’agit d’un indicateur de la force magnétique d’une bobine et de l’influence d’autres bobines sur une bobine. Elle est influencée par le nombre de spires dans un circuit, les dimensions des bobines et l’inductance d’autres bobines. Cette mesure, par elle-même, n’est qu’un bon indicateur de l’état de l’enroulement de l’amortisseur et de l’excentricité du rotor. L’inductance n’indique un court-circuit que s’il est important.
• Mesure de l’impédance : Il s’agit de la mesure de la résistance complexe dans le circuit. Elle peut être utilisée, tout comme l’inductance, pour vérifier l’état de l’enroulement de l’amortisseur et du rotor. Cependant, lorsqu’elle est utilisée avec l’inductance, elle peut servir à détecter rapidement les enroulements surchauffés et la contamination des enroulements. En observant la relation d’inductance et d’impédance entre chaque phase : Si l’inductance et l’impédance sont relativement parallèles, alors tout déséquilibre d’inductance et d’impédance se situe dans la relation entre le rotor et le stator (position du rotor) ; Si elles ne sont pas parallèles, cela indique un problème d’isolation tel qu’un claquage ou une contamination des enroulements.
• Angle de phase et I/F (courant/fréquence) : Ce sont des indicateurs de défauts d’isolation entre les spires du stator ou du rotor.
• Résistance de l’isolation : Évalue l’isolation à la terre et n’indique que lorsque l’isolation est défaillante.

Les recommandations relatives aux limites d’essai, telles qu’elles figurent dans le “Guideline for Electronic Static Winding Circuit Analysis of Rotating Machinery and Transformers”, sont les suivantes :

Tableau 1 : Limites d’essai (valeurs crête à crête)

*Peut dépasser cette valeur si les mesures sont parallèles.

Vous trouverez ci-dessous un aperçu des règles de dépannage :

• Enroulements court-circuités :

• Les enroulements court-circuités peuvent être évalués en visualisant l’angle de phase et les lectures I/F de l’instrument sur des bobines similaires ou entre les phases :
• Angle de phase (Fi) – L’angle de phase doit être à moins d’un chiffre de la lecture moyenne. Par exemple, une lecture de 77/75/76 serait bonne car la lecture moyenne est de 76. Une lecture de 74/77/77 serait mauvaise.
• Réponse en fréquence actuelle (I/F) – La réponse en fréquence actuelle doit se situer dans les 2 chiffres de la lecture moyenne. Par exemple, une lecture de -44/-45/-46 serait bonne. Une lecture de -40/-44/-44 serait mauvaise. Cependant, une lecture telle que -42/-44/-44 doit être considérée comme suspecte.

• Contamination du bobinage et position du rotor

• La position du rotor dans le moteur électrique peut provoquer un déséquilibre naturel des phases. La contamination du bobinage entraîne également des déséquilibres de phase. L’évaluation du DF peut montrer si le déséquilibre de phase provient du rotor ou de la contamination.

• Position du rotor – Les déséquilibres de position du rotor peuvent être évalués en regardant si les valeurs d’inductance et d’impédance sont assez équilibrées. Par exemple, s’il y a des inductances de 17/18/19 et des impédances de valeurs 24/26/29, alors le déséquilibre est dû à la position du rotor. Cela peut également être le cas si les inductances sont 5/5/5 et les impédances 8/9/8.
• Contamination de l’enroulement – On la trouve également dans les enroulements surchauffés (brûlés). Ces conditions sont le résultat de modifications de l’isolation dues à l’effondrement du système d’isolation.

Conclusion

Grâce à un ensemble de règles et d’instructions simples, le ALL-TEST IV PRO™ (désormais AT5™) constitue un excellent outil pour le dépannage et l’établissement de tendances concernant l’état des machines synchrones. Le test est effectué à l’aide de mesures simples et non destructives qui permettent d’obtenir une vue plus complète du circuit du stator et du rotor du moteur que tout autre test. L’évaluation des tests est simple et directe, indépendamment de la taille ou du type d’équipement.

Bibliographie

• Guide pour l’analyse électronique des circuits d’enroulement statique des machines tournantes et des transformateurs.BJM Corp, Division ALL-TEST, 2001.
• Penrose, Howard W. Analyse des circuits des moteurs : Théorie, application et analyse énergétiqueSUCCESS by DESIGN, 2001.