Détection des défauts de l’entraînement du moteur à modulation de largeur d’impulsion à l’aide de l’analyse de la signature électrique

L’industrie utilise de plus en plus de variateurs de vitesse pour les moteurs à courant alternatif et le variateur à modulation de largeur d’impulsion (PWM) est devenu la norme industrielle commune pour les applications de faible à moyenne puissance. Comme les autres composants du système moteur, le variateur PWM présente différents modes de défaillance et, à des fins de dépannage, un électricien utilise généralement un multimètre numérique (DMM), un oscilloscope numérique et un analyseur de la qualité de l’énergie. Ces trois instruments permettent à l’électricien de détecter les problèmes liés à l’alimentation électrique et à l’entraînement du moteur, mais ils offrent une capacité limitée de détection des défauts dans le moteur lui-même et dans la charge entraînée par le moteur. En outre, comme ces instruments sont distincts et peuvent offrir une capacité de rapport limitée, il peut être difficile d’effectuer des essais à des fins de maintenance prédictive (PdM) ou de maintenance basée sur l’état (CBM).

C’est là que l’analyse de la signature électrique (ESA) offre des avantages indéniables par rapport au DMM, à l’oscilloscope et à l’analyseur de la qualité de l’énergie pour les tests de fiabilité. En outre, outre l’évaluation de l’état de l’alimentation et de l’entraînement du moteur, il évalue également l’état du moteur et de la charge entraînée pour de nombreux modes de défaillance courants.

À propos de l’ASE

L’ESA est une méthode d’essai en ligne dans laquelle les formes d’ondes de tension et de courant sont capturées pendant que le système de moteur fonctionne, puis, via une transformée de Fourier rapide (FFT), une analyse spectrale est effectuée à l’aide du logiciel fourni. À partir de cette FFT, les défauts liés à l’alimentation, au circuit de commande, au moteur lui-même et à la charge entraînée sont détectés et peuvent ensuite être analysés à des fins de CBM/PdM. Notre instrument ESA est portable et fonctionne sur batterie.

Tous les systèmes d’analyse ESA requièrent des informations sur la plaque signalétique du moteur, à savoir la tension, la vitesse de fonctionnement, le courant à pleine charge et la puissance en chevaux (ou kW). En outre, des informations optionnelles telles que le nombre de barres de rotor et de fentes de stator, les numéros de référence des roulements et les informations relatives aux composants de la charge entraînée, telles que le nombre de pales pour un ventilateur ou le nombre de dents pour une application de boîte de vitesses, peuvent être saisies en vue d’une analyse plus détaillée et plus précise.

Étant donné que l’ESA est une nouveauté pour de nombreuses personnes, voici un tableau qui illustre les défauts généraux que l’ESA détecte. Voir la figure 1.

Cet article traite de trois défauts courants d’un variateur PWM :

1) Une diode d’entrée ouverte dans le pont redresseur.

2) Condensateurs défectueux dans le circuit intermédiaire de courant continu.

3) Mauvais transistor bipolaire à porte isolée (IGBT).

Des trois, la défaillance des condensateurs est la plus difficile à détecter rapidement, car il n’y a pas de signes immédiats de cette condition en surveillant les performances du moteur.

À propos de l’entraînement

La figure 2 illustre les blocs de base d’une commande de moteur à modulation de largeur d’impulsion, à savoir l’alimentation en courant alternatif, le pont de diodes pleine onde qui redresse la tension alternative, le circuit intermédiaire de courant continu qui contient le(s) condensateur(s), le pont inverseur et le moteur.

Lors des essais avec l’ESA, les connexions de tension et de courant sont effectuées sur le système de moteur testé. Cette opération est normalement effectuée au centre de contrôle du moteur et les connexions sont réalisées à l’aide de sondes de tension portables et de transformateurs de courant portables fournis ou à l’aide de boîtes de connexion spéciales installées au préalable. L’avantage de la boîte de connexion est qu’elle permet de prendre les données sans ouvrir le panneau de commande du moteur pour effectuer les connexions nécessaires.

Pour les applications PWM, deux ensembles de données doivent être relevés, l’un à l’entrée du variateur PWM et l’autre à la sortie du variateur PWM. L’ensemble du processus de collecte des données (une fois les connexions effectuées) prend environ 4 minutes et aucune information sur la plaque signalétique du moteur n’est requise à ce stade. Ces informations peuvent être saisies ultérieurement lors de l’analyse des données.

Les fichiers de données sont ensuite visualisés à l’aide du logiciel fourni et un rapport Microsoft® Word est généré. Le logiciel fournit des outils faciles à utiliser pour travailler avec les différents spectres d’analyse. Les résultats du logiciel peuvent être consultés sans générer le rapport complet.

Le logiciel signale automatiquement les éléments suivants :

Facteur de puissance, déséquilibre de courant, déséquilibre de tension et tension efficace par rapport à la plaque signalétique, charge par rapport à la plaque signalétique, connexion des phases, état du rotor, état électrique et mécanique du stator, entrefer rotor/stator, distorsion harmonique totale (tension et courant), indications de désalignement/déséquilibre et état des roulements.

Il indique également la tension et le courant, le facteur de crête, l’impédance de phase, la puissance (apparente, réelle et réactive), la vitesse de marche et la fréquence de la ligne. Pour les moteurs à induction à courant alternatif et les moteurs à courant continu, il calcule également le rendement du moteur.

Un utilisateur moyennement compétent peut effectuer une analyse complète et générer un rapport en moins de 10 minutes par moteur.

Premier cas

Le cas numéro un est un entraînement motorisé qui a été reçu au centre de service d’EMA Inc. à Cortland, NY. L’entraînement et le moteur ont été testés sur un dynamomètre.

Deux ensembles de données ont été collectés. La première est une capture de forme d’onde uniquement à l’entrée du variateur et la seconde a été prise à la sortie du variateur. Le deuxième ensemble de données comprend une capture de forme d’onde de tension et de courant, plus 50 secondes de formes d’onde de tension et de courant.

La figure 6 montre la forme d’onde du courant entrant pour la phase C. Notez que les pics négatifs sont absents. Ce phénomène est dû à une diode ouverte.

Le rapport généré automatiquement par l’ESA identifie à la fois le déséquilibre du courant et la distorsion harmonique excessive causée par la diode ouverte.

Cette première page du rapport n’est qu’un résumé et des pages supplémentaires fournissent des détails pour chacune des principales rubriques. Un fort déséquilibre de phase du courant, comme on le voit ici, endommagera les composants internes du variateur PWM et peut mettre à rude épreuve le transformateur d’alimentation qui alimente le variateur de vitesse.

Deuxième cas

Le cas numéro deux a été reçu par l’EMA pour réparation et concerne des condensateurs vieillissants dans la batterie de condensateurs. Le problème est que lorsque ces condensateurs commencent à vieillir et à se détériorer, les performances du moteur ne fournissent pas d’indications évidentes. Une fois que les condensateurs commencent à se détériorer, les bons condensateurs transportent un courant supplémentaire, ce qui crée une chaleur excessive dans les condensateurs, et cette chaleur supplémentaire accélère la détérioration des condensateurs restants. Ces condensateurs sont dotés d’évents pour dissiper la pression excessive à l’intérieur, mais il est possible qu’ils explosent s’ils ne sont pas évacués assez rapidement. En outre, la tension d’ondulation excessive fournie au moteur entraînera un courant harmonique dans le moteur. Ces courants harmoniques créent un couple séquentiel négatif, de mauvaises performances du moteur et une accumulation de chaleur dommageable à l’intérieur du moteur.

La figure 9 montre la tension à la sortie du variateur, pour un variateur en bon état et des condensateurs en bon état.

Troisième cas

Le cas numéro trois a été reçu par l’EMA pour réparation. La forme d’onde de sortie montre un IGBT (transistor bipolaire à porte isolée) qui ne s’allume pas. Cela crée à la fois un déséquilibre du courant et une distorsion de la forme d’onde.

Conclusion

En conclusion, le multimètre numérique, l’oscilloscope et les instruments de mesure de la qualité de l’énergie offrent une bonne capacité de dépannage pour les entraînements à moteur à modulation de largeur d’impulsions. Cependant, ils ne s’intègrent pas bien dans un programme d’essai de fiabilité des moteurs électriques en raison des limitations en matière de collecte de données et de rapports. En outre, ils fournissent peu d’informations sur les problèmes courants liés au moteur et à la charge.

L’analyse de la signature électrique permet au technicien de fiabilité de visualiser l’ensemble du système du moteur, depuis l’alimentation jusqu’à la charge entraînée. Avec les applications PWM, la collecte des données prend moins de 4 minutes après que les connexions de tension et de courant ont été effectuées. À partir de ce processus de test de 4 minutes, une analyse complète peut rapidement identifier des problèmes tels que des diodes de redressement défectueuses, des condensateurs de bus CC de mauvaise qualité et des IGBT défectueux avant qu’une défaillance du variateur ou du moteur n’entraîne la défaillance du système de moteur.

Il est important de noter que dans les trois cas, le moteur peut encore fonctionner, en fonction de la charge et d’autres facteurs opérationnels, mais la certitude que le système continuera à fonctionner est compromise. La capacité de l’ESA à identifier ces défauts à un stade précoce, avant que le moteur ou le variateur PWM ne subisse des dommages supplémentaires, permettra de minimiser les temps d’arrêt coûteux, d’accroître la fiabilité de l’équipement et, éventuellement, d’éviter des dommages catastrophiques à l’équipement ou d’éventuelles blessures au personnel.

A propos des auteurs

Richard Scott est le directeur national des ventes et Don Haapapuro, CMRP, est le responsable des comptes clés pour ALL-TEST Pro, LLC. ALL-TEST Pro est un fabricant d’équipements de test portables pour l’analyse des circuits moteurs (MCA), l’analyse de la signature électrique (ESA) et l’analyse de la qualité de l’énergie (PQ), utilisés pour les tests de maintenance prédictive, le contrôle de la qualité et le dépannage des moteurs électriques, des générateurs, des transformateurs, des bobines et des enroulements. Les instruments ALLTEST PRO® MCA permettent une détection précoce des défauts électriques, notamment les défauts d’enroulement, les déséquilibres de phase, les défauts de rotor et les défauts de terre. Les instruments ALL-TEST PRO® ESA et PQ permettent une analyse automatique de la puissance entrante, le moteur électrique, jusqu’à la charge entraînée, à la fois électrique et mécanique. Les instruments sont portatifs, fonctionnent sur batterie, sont faciles à utiliser et permettent de tester pratiquement toutes les tailles et tous les types de moteurs électriques, de générateurs ou de transformateurs, même à distance. Le site web est www.alltestpro.com.

Dean Williams est le vice-président des services techniques d’EMA, Inc. Il travaille au centre de service de Cortland, dans l’État de New York. EMA vend et entretient des variateurs de vitesse et propose des formations pour dépanner correctement les variateurs de vitesse. Le site web est www.emainc.net.

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