Diagnostic des moteurs : L’approche multitechnologique

Introduction

On croit toujours à tort qu’il existe une “solution miracle”, sous la forme d’un instrument de maintenance conditionnelle (CBM), qui fournit toutes les informations dont vous avez besoin pour évaluer l’état de santé de votre système de moteur électrique. Cette idée fausse est souvent due aux présentations commerciales des fabricants ou des forces de vente de ces instruments CBM. Il s’agit de la Le travail du vendeur consiste à se concentrer sur le point fort de son (ses) instrument(s) particulier(s) et à le(s) présenter comme “la seule solution dont vous aurez besoin pour résoudre tous vos problèmes”.

En réalité, il n’existe pas d’instrument unique qui vous fournisse toutes les informations dont vous avez besoin. Il n’y a pas de “Saint Graal” en matière de CBM et de fiabilité. Cependant, en comprenant le système du moteur électrique et les capacités des technologies CBM, vous pouvez avoir une vue complète de votre système, de son état et avoir confiance dans l’estimation du temps avant la défaillance afin de faire une bonne recommandation à la direction.

L’objectif de ce document est simple : Décrire les composants d’un système de moteur électrique ; discuter des modes de défaillance de chaque composant principal ; discuter de la manière dont chacune des principales technologies aborde chaque composant ; discuter de la manière dont les technologies peuvent être intégrées pour obtenir une vue complète du système ; et discuter de l’impact sur les résultats de l’approche multitechnologique. Les types d’équipements CBM à examiner sont des technologies standard prêtes à l’emploi qui sont utilisées pour les essais périodiques.

Le système de moteur électrique

Le système de moteur électrique ne se limite pas au moteur électrique. En fait, il est composé de six sections distinctes, qui ont toutes des modes de défaillance différents. Les sections sont les suivantes (figure 1) :

• Le système de distribution électrique de l’installation qui comprend le câblage et les transformateurs.
• Systèmes de démarrage.
• Le moteur électrique – Un moteur à induction triphasé pour les besoins de ce document.
• L’accouplement mécanique, qui peut être direct, par boîte de vitesses, par courroies ou par toute autre méthode d’accouplement. Dans le cadre de ce document, nous nous concentrerons sur l’accouplement direct et les courroies.
• La charge fait référence à l’équipement entraîné tel qu’un ventilateur, une pompe, un compresseur ou tout autre équipement entraîné.
• Le processus, tel que le pompage des eaux usées, le mélange, l’aération, etc.

La plupart d’entre eux visualiseront les composants individuels du système lors du dépannage, de l’analyse des tendances, de la mise en service ou de l’exécution d’une autre fonction liée à la fiabilité du système. Quels sont les éléments ciblés ? dépend de plusieurs facteurs, dont les suivants

• Quelle est l’expérience et les antécédents du personnel et des responsables concernés ? Par exemple, vous verrez le plus souvent un programme de vibration fort lorsque le personnel de maintenance est principalement mécanique, ou un programme infrarouge lorsque le personnel est principalement électrique.
• Les domaines d’échec perçus. Il peut s’agir d’un problème grave qui dépend de la manière dont le système moteur est perçu et qui méritera plus d’attention par la suite.
• Compréhension des différentes technologies CBM.
• Formation. Mais depuis quand la formation n’est-elle jamais un problème ?

Les zones de défaillance perçues constituent un problème particulièrement grave lorsque l’on examine l’historique de votre système de motorisation. Souvent, lorsque les dossiers sont produits, le seul résumé peut indiquer quelque chose comme “panne de ventilateur, réparée” ou “panne de pompe, réparée”. Le résultat final est que la défaillance perçue est liée à la pompe ou au ventilateur du système de moteur. Le problème se pose surtout lorsque l’on s’en remet à la mémoire pour trouver les réponses aux problèmes les plus graves à résoudre dans une usine, sur la base de l’histoire. Par exemple, si l’on cherche à déterminer quelle partie d’une usine a causé le plus de problèmes, la réponse pourrait être : “Pompe à eaux usées 1”. La perception immédiate est que la pompe a un problème constant et, comme une pompe est un système mécanique, une solution de surveillance mécanique peut être sélectionnée pour suivre l’évolution de l’état de la pompe. Si une cause fondamentale avait été enregistrée pour chaque défaillance, on aurait pu déterminer qu’il s’agissait de l’enroulement du moteur, des roulements, du câble, des commandes, du processus ou d’une combinaison de problèmes.

Lors d’une réunion récente, alors qu’ils discutaient de la sélection de l’équipement CBM, les participants ont été interrogés sur les modes de défaillance de leurs sites. Les réponses ont été les suivantes : ventilateurs, compresseurs et pompes. Une analyse plus approfondie a révélé que les ventilateurs présentaient le plus souvent des défauts au niveau des roulements et des enroulements de moteur, des joints de pompe et des roulements de moteur pour les pompes, et des joints et des enroulements de moteur pour les compresseurs. En y regardant de plus près, les défauts d’enroulement étaient liés à des problèmes de contrôle et de câbles, à des réparations incorrectes et à la qualité de l’énergie. Les problèmes de roulements étaient liés à des pratiques de lubrification inappropriées.

En effet, pour déterminer la meilleure façon de mettre en œuvre le CBM sur votre système de moteur électrique, vous devez considérer le système, et non les composants. Le résultat est simple : Une fiabilité accrue, moins de maux de tête et une amélioration des résultats.

Instruments d’essai pour la surveillance conditionnelle

Voici quelques-unes des technologies CBM les plus couramment utilisées. Pour plus de détails sur ces technologies, voir “Motor Circuit Analysis”.1 Les tableaux 1 à 4 à la fin du présent document donnent des détails sur les composants du système testé et leurs capacités :

Tests de désensibilisation :

1 Analyse des circuits de moteur : Théorie, application et Analyse énergétiqueHoward W. Penrose, Ph.D., SBD Publishing, ISBN : 0-9712450-0-2, 2002.

• Test de haut potentiel CC – En appliquant une tension égale à deux fois la tension nominale du moteur plus 1 000 volts pour le courant alternatif et 1,7 fois cette valeur pour le haut potentiel CC (généralement avec un multiplicateur pour réduire la contrainte sur le système d’isolation), le système d’isolation entre les enroulements du moteur et la terre (isolation de la paroi de la terre) est évalué. Le test est largement considéré comme potentiellement destructeur.
• Essai de comparaison des surtensions : En utilisant des impulsions de tension à des valeurs calculées de la même manière que pour les essais à haut potentiel, l’impédance de chaque phase d’un moteur est comparée graphiquement. Le but de ce test est de détecter les tours court-circuités dans les premiers tours de chaque phase. Le test est normalement effectué dans les applications de fabrication et de rebobinage, car il est plus facile à réaliser sans rotor dans le stator. Ce test est largement considéré comme potentiellement destructeur et est principalement utilisé comme un test “oui/non” sans véritable capacité à dégager une tendance.
• Testeur d’isolation : Ce test place une tension continue entre les enroulements et la terre. Les fuites à faible courant sont mesurées et converties en méga, gig ou téra-Ohms.
• Test de l’indice de polarisation : A l’aide d’un testeur d’isolation, les valeurs de 10 minutes à 1 minute sont visualisées et un rapport est produit. Selon la norme IEEE 43-2000, les valeurs d’isolation supérieures à 5 000 mégohms ne doivent pas être évaluées à l’aide de l’IP. Le test est utilisé pour détecter une contamination importante des enroulements ou une surchauffe des systèmes d’isolation.
• Test Ohm, Milli-Ohm : À l’aide d’un compteur Ohm ou Milli Ohm, les valeurs sont mesurées et comparées entre les enroulements d’un moteur électrique. Ces mesures sont normalement effectuées pour détecter les connexions desserrées, les connexions rompues et les défauts d’enroulement à un stade très avancé.
• Analyse des circuits du moteur (MCA) : Des instruments utilisant des valeurs de résistance, d’impédance, d’inductance, d’angle de phase, de courant, de réponse en fréquence et de test d’isolation peuvent être utilisés pour dépanner, mettre en service et évaluer le contrôle, la connexion, le câble, le stator, le rotor, l’entrefer et la santé de l’isolation à la terre. Grâce à une sortie basse tension, les données sont lues à travers une série de ponts et évaluées. Les relevés non destructifs et les tendances observées permettent souvent d’anticiper des mois à l’avance une défaillance électrique.

2 Potentiellement destructeur : Tout instrument susceptible de modifier les conditions de fonctionnement de l’équipement par suite d’une mauvaise application ou d’une finition de l’isolation affaiblie est considéré comme potentiellement destructeur.

Test sous tension :

Analyse des vibrations : Les vibrations mécaniques sont mesurées par un transducteur qui fournit des valeurs globales de vibration et une analyse FFT. Ces valeurs fournissent des indicateurs de défauts mécaniques et de leur degré, peuvent être suivies et fourniront des informations sur certains problèmes électriques et de rotor qui varient en fonction de la charge du moteur. Exigences de charge minimale pour les moteurs électriques afin de détecter les défauts dans le rotor. Nécessite une connaissance pratique du système testé.

L’analyse infrarouge fournit des informations sur la différence de température entre les objets. Les défauts sont détectés et suivis en fonction de leur degré de gravité. Excellent pour détecter les connexions desserrées et autres défauts électriques, avec une certaine capacité à détecter les défauts mécaniques. Les lectures varient en fonction de la charge de travail. Nécessite une connaissance pratique du système testé.

Les instruments à ultrasons mesurent les bruits de basse et de haute fréquence. Détecter une variété de problèmes électriques et mécaniques vers les derniers stades de la défaillance. Les lectures varient en fonction de la charge de travail. Nécessite une connaissance pratique du système testé.

Les mesures de tension et de courant fournissent des informations limitées sur l’état du système moteur. Les lectures varient en fonction de la charge de travail.

L’analyse de la signature du courant du moteur (MCSA) utilise le moteur électrique comme transducteur pour détecter les défauts électriques et mécaniques dans une grande partie du système du moteur. Habituellement utilisé comme test de validation, le MCSA possède certaines capacités d’analyse des tendances, mais il ne détecte normalement que les défauts de bobinage et les problèmes mécaniques à un stade avancé. Sensible aux variations de charge et les relevés varient en fonction de la charge. Requiert les informations de la plaque signalétique et de nombreux systèmes requièrent le nombre de barres de rotor, de fentes de stator et la saisie manuelle de la vitesse de fonctionnement.

Principaux composants et modes de défaillance

Certains des principaux problèmes liés aux différents composants du système moteur seront examinés afin de faire comprendre les types de défauts constatés et les technologies utilisées pour les détecter. Il ne s’agit pas d’une vue d’ensemble de tous les modes de défaillance que vous pouvez rencontrer.

Puissance entrante

En commençant par l’alimentation de la charge, le premier domaine à traiter est celui de l’alimentation de la charge. le système d’alimentation et de distribution entrant. Le premier problème est la qualité de l’énergie, puis les transformateurs.

Les problèmes de qualité de l’énergie associés aux systèmes de moteurs électriques sont les suivants :

• Harmoniques de tension et de courant : La tension est limitée à 5 % de THD (Total Harmonic Distortion) et le courant à 3 % de THD. Les harmoniques de courant sont les plus susceptibles d’endommager le système du moteur électrique.
• Conditions de surtension et de sous-tension : Les moteurs électriques sont conçus pour ne pas fonctionner à plus de +/- 10 % de la tension indiquée sur la plaque signalétique.
• Déséquilibre de tension : Il s’agit de la différence entre les phases. La relation entre le déséquilibre de tension et le déséquilibre de courant varie de quelques fois à plusieurs fois le déséquilibre de courant par rapport au déséquilibre de tension en fonction de la conception du moteur (peut aller jusqu’à 20 fois).
• Facteur de puissance : Plus le facteur de puissance est faible par rapport à l’unité, plus le système doit utiliser de courant pour fonctionner. Les signes d’un mauvais facteur de puissance comprennent également l’affaiblissement des lumières lors du démarrage d’un équipement lourd.
• Système surchargé : En fonction des capacités du transformateur, du câblage et du moteur. Détecté par des mesures de courant, normalement, ainsi que par la chaleur.

Les principaux outils utilisés pour détecter les problèmes liés à l’alimentation électrique sont les appareils de mesure de la qualité de l’énergie, les MCSA et les appareils de mesure de la tension et du courant. Connaître l’état de la qualité de l’énergie permet d’identifier un grand nombre de problèmes “fantômes”.

Les transformateurs sont l’un des premiers composants critiques du système moteur. En général, les transformateurs présentent moins de problèmes que les autres composants du système. Cependant, chaque transformateur prend généralement en charge plusieurs systèmes, à la fois dans le moteur électrique et dans d’autres systèmes.

Les problèmes courants des transformateurs sont les suivants (transformateurs à huile ou à sec) :

• Défauts d’isolation par rapport à la terre.
• Bobinages court-circuités.
• Connexions desserrées, et,
• Vibrations électriques/détachement mécanique

Les équipements d’essai utilisés pour contrôler l’état des transformateurs (dans le cadre de la sélection d’instruments présentée dans ce document) sont les suivants :

• MCA pour les mises à la terre, les connexions lâches/coupées et les courts-circuits
• MCSA pour la qualité de l’énergie et les défauts tardifs
• Analyse infrarouge pour détecter les connexions desserrées
• Ultrasons pour le relâchement et les défauts graves
• Testeurs d’isolation pour les défauts d’isolation à la terre.

MCC, commandes et déconnexions

La commande ou la déconnexion du moteur permet de résoudre certains des principaux problèmes liés aux systèmes de moteurs électriques. Les plus courantes pour les systèmes à basse et moyenne tension sont les suivantes :

• Connexions desserrées
• Mauvais contacts (piqués, endommagés, brûlés ou usés)
• Mauvaises bobines de démarrage sur le contacteur
• Mauvais condensateurs de correction du facteur de puissance, ce qui entraîne normalement un déséquilibre important du courant.

Les méthodes d’essai pour évaluer les contrôles comprennent l’infrarouge, les ultrasons, les voltmètres/ampèremètres, les ohmètres et les inspections visuelles. MCA, MCSA et infrarouge fournissent les systèmes les plus précis pour la détection des défauts et l’établissement des tendances.

Câbles – Avant et après les contrôles

Les problèmes de câblage sont rarement pris en compte et, par conséquent, ils constituent l’un des plus gros maux de tête. Les problèmes de câble les plus courants sont les suivants :

• Rupture thermique due à des surcharges ou à l’âge
• la contamination, qui peut être encore plus grave pour les câbles qui passent sous terre dans des conduits
• Des courts-circuits de phase peuvent se produire ainsi que des mises à la terre. Ceux-ci peuvent être causés par l’arboriculture ou par des dommages physiques.
• Ouvertures dues à des dommages physiques ou à d’autres causes.
• Les dommages physiques sont souvent associés à d’autres problèmes de câbles.

Les tests et les tendances sont effectués avec MCA, infrarouge, tests d’isolation et MCSA.

Résumé du côté alimentation du moteur

Du côté de l’alimentation du moteur, les problèmes peuvent être décomposés comme suit :

• Mauvais facteur de puissance – 39
• Mauvaises connexions – 36
• Conducteurs surdimensionnés – 10
• Déséquilibre de tension – 7
• Conditions de sous-tension ou de surtension – 8

Les équipements les plus courants qui couvrent ces domaines sont le MCA, l’infrarouge et le MCSA.

Moteurs électriques

Les moteurs électriques comprennent des composants mécaniques et électriques. En fait, un moteur électrique est un convertisseur d’énergie électrique en couple mécanique.

Problèmes mécaniques primaires :

• Roulements – usure générale, mauvaise application, chargement ou contamination.
• Boîtiers d’arbre ou de palier défectueux ou usés
• Déséquilibre mécanique général et résonance

L’analyse des vibrations est la principale méthode de détection des problèmes mécaniques dans les moteurs électriques. La MCSA permet de détecter les problèmes mécaniques à un stade avancé, tout comme l’infrarouge et les ultrasons.

Problèmes électriques primaires :

• Court-circuit d’enroulement entre les conducteurs ou les bobines
• Contamination du bobinage
• Défauts d’isolation à la terre
• Défauts de l’entrefer, y compris les rotors excentriques
• Défauts du rotor, y compris les vides de coulée et les barres de rotor cassées.

L’AMC détectera tous les défauts à un stade précoce du développement. MCSA détecte les défauts de stator à un stade avancé et les défauts de rotor à un stade précoce. Les vibrations détectent les défauts tardifs, l’isolation à la terre ne détecte que les défauts à la terre qui représentent moins de 1 % des défauts du système de moteur, les tests de surtension ne détectent que les courts-circuits superficiels des enroulements et tous les autres tests ne détectent que les défauts tardifs.

Accouplement (direct et à courroie)

Le couplage entre le moteur et la charge offre des possibilités de problèmes dus à l’usure et à l’application.

• Désalignement de la courroie ou de l’entraînement direct
• Usure de la courroie ou de l’insert
• Les problèmes de tension de courroie sont plus fréquents qu’on ne le pense et entraînent généralement une défaillance des roulements.
• Usure des poulies

Le système le plus précis pour la détection des défauts de l’accouplement est l’analyse des vibrations. L’analyse MCSA et l’analyse infrarouge permettent normalement de détecter les défauts graves ou tardifs.

Charge (ventilateurs, pompes, compresseurs, réducteurs, etc.)

La charge peut présenter de nombreux types de défauts en fonction du type de charge. Les plus courantes sont les pièces usées, les composants cassés et les roulements.

Les instruments d’essai capables de détecter les problèmes de charge comprennent la MCSA, les vibrations, l’analyse infrarouge et les ultrasons.

Approches communes de la multitechnologie

Il existe plusieurs approches communes au sein de l’industrie ainsi que plusieurs nouvelles (voir tableau 3). Les meilleurs utilisent une combinaison de tests sous tension et hors tension. Il est important de noter que les essais sous tension sont généralement plus efficaces dans des conditions de charge constante et que les tendances sont calculées dans les mêmes conditions de fonctionnement à chaque fois.

L’une des approches les plus courantes est l’utilisation de la résistance d’isolement et/ou de l’indice de polarisation. Ils n’identifieront que les défauts d’isolation à la terre dans le moteur et le câble, ce qui représente moins de 1 % de l’ensemble des défauts du système de moteur (~5 % des défauts du moteur).

Les infrarouges et les vibrations sont généralement utilisés conjointement avec succès. Cependant, ils passent à côté de certains problèmes courants ou ne les détectent qu’à un stade avancé de la défaillance.

Les tests de surtension et les tests à haut potentiel ne détectent que certains défauts d’enroulement et des défauts d’isolation à la terre, avec le risque de mettre le moteur hors service en cas de contamination ou de faiblesse de l’isolation.

MCA et MCSA se soutiennent mutuellement et détectent pratiquement tous les problèmes du système moteur. Cette précision nécessite des systèmes MCA qui utilisent la résistance, l’impédance, l’angle de phase, l’I/F et l’isolation par rapport à la terre et des systèmes MCSA qui incluent la démodulation de la tension et du courant.

L’approche la plus récente et la plus efficace est celle de la vibration, de l’infrarouge et des MCA et/ou MCSA. La force de cette approche réside dans le fait qu’une combinaison de disciplines électriques et mécaniques est impliquée dans l’évaluation et le dépannage. Comme l’indique l’étude sur le diagnostic et la santé des moteurs (Motor Diagnostic and Motor Health Study), 3 38% des tests de systèmes de moteurs n’impliquant que des vibrations et/ou des infrarouges ont un retour sur investissement significatif. 3 Diagnostic des moteurs et investissement. Ce chiffre atteint 100 % dans les systèmes qui utilisent une combinaison de MCA/MCSA, de vibrations et/ou d’infrarouges.

Dans un cas, une application combinée de l’infrarouge et de la vibration a permis d’obtenir un retour sur investissement de 30 000 dollars. Lorsque l’entreprise a ajouté le MCA à sa boîte à outils, le retour sur investissement est passé à 307 000 dollars, soit dix fois plus qu’à l’origine, en utilisant une combinaison d’instruments.

Possibilités de candidature

Il existe trois possibilités courantes de tester les systèmes de moteurs électriques. Il s’agit notamment de

• Mise en service des composants ou du système complet lors d’une nouvelle installation ou d’une réparation. Les technologies concernées peuvent ainsi être très rapidement rentabilisées et vous aider à éviter les catastrophes liées à la mortalité infantile.
• Le dépannage du système par l’application de plusieurs technologies vous aidera à identifier les problèmes beaucoup plus rapidement et avec plus de confiance.
• Le classement des résultats des tests pour la fiabilité du système, toujours en utilisant l’application appropriée de plusieurs technologies. Grâce à des tests tels que le MCA, les vibrations et l’infrarouge, les défauts potentiels peuvent être suivis sur le long terme, ce qui permet de détecter de nombreux défauts plusieurs mois à l’avance.

Conclusion

Ce document a donné un bref aperçu de la manière dont plusieurs technologies fonctionnent ensemble pour fournir une bonne vue d’ensemble du système de moteur électrique. En comprenant et en appliquant cette approche, vous obtiendrez des retours fantastiques sur votre programme d’entretien.

A propos de l’auteur

Howard W. Penrose, Ph.D., a obtenu son doctorat en ingénierie générale en se concentrant sur l’amélioration des processus des systèmes industriels, l’analyse des flux de déchets et de l’énergie et la fiabilité des équipements. Il a 15 ans d’expérience dans l’industrie des moteurs électriques et des services, où il a dirigé des initiatives de PdM et d’analyse des causes profondes dans une grande variété de sites commerciaux et industriels.

Tableau 1 : Comparaison des technologies de diagnostic du système moteur

Tableau 2 : Considérations relatives à la gestion

Tableau 3 : Approches communes

Tableau 4 : Considérations supplémentaires