Éliminer le déséquilibre de tension

Le déséquilibre de tension dégrade les performances et réduit la durée de vie d’un moteur triphasé. Un déséquilibre de tension aux bornes du moteur peut provoquer un déséquilibre de courant sans commune mesure avec le déséquilibre de tension. Les courants déséquilibrés entraînent des pulsations de couple, une augmentation des vibrations et des contraintes mécaniques, une augmentation des pertes entraînant une baisse du rendement et une surchauffe du moteur, ce qui réduit la durée de vie de l’isolation du bobinage.

Le pourcentage de déséquilibre de tension est défini par la National Electrical Manufacturers Association (NEMA) comme étant 100 fois la valeur absolue de la déviation maximale de la tension de ligne par rapport à la tension moyenne sur un système triphasé, divisée par la tension moyenne. Par exemple, si les tensions de ligne mesurées sont de 462, 463 et 455 volts, la moyenne est de 460 volts. Le déséquilibre de tension est :

(460 – 455) /460 x 100 = 1.1%

Il est recommandé que les déséquilibres de tension aux bornes du moteur ne dépassent pas 1 %. Les déséquilibres supérieurs à 1 % nécessitent un déclassement du moteur, conformément à la figure 20-2 de la norme NEMA MG-1-2011, et annulent les garanties de la plupart des fabricants. Les causes courantes de déséquilibre de la tension sont les suivantes

– Fonctionnement défectueux de l’équipement de correction du facteur de puissance

– Alimentation électrique déséquilibrée ou instable

– Banc de transformateurs déséquilibrés alimentant une charge triphasée trop importante pour le banc.

– Charges monophasées inégalement réparties sur le même réseau électrique

– Défauts monophasés à la terre non identifiés

– Un circuit ouvert sur le réseau de distribution primaire

Le rendement d’un moteur de 1 800 tours par minute (RPM), d’une puissance de 100 chevaux (hp) est donné en fonction du déséquilibre de tension et de la charge du moteur dans le tableau 1 ci-dessous. La tendance générale à la réduction du rendement avec l’augmentation du déséquilibre de tension est observée pour les moteurs dans toutes les conditions de charge.

Le déséquilibre de tension est probablement le principal problème de qualité de l’énergie qui entraîne la surchauffe et la défaillance prématurée des moteurs. Si des tensions déséquilibrées sont détectées, une enquête approfondie doit être menée pour en déterminer la cause. Des économies d’énergie et de coûts sont réalisées lorsque des mesures correctives sont prises.

Actions suggérées

• Contrôler périodiquement les tensions aux bornes du moteur pour vérifier que le déséquilibre de tension est maintenu en dessous de 1 %. Envisagez d’installer des capteurs qui émettent des alarmes en cas de valeurs ou de taux de changement de valeurs inacceptables. Les réseaux de capteurs sans fil ISA100 peuvent présenter un intérêt.
• Vérifiez les schémas unifilaires de votre système électrique pour vous assurer que les charges monophasées sont uniformément réparties.
• Installer des indicateurs de défaut de terre si nécessaire et effectuer des inspections thermographiques annuelles. Les vibrations de 120 hertz (Hz) sont un autre indicateur du déséquilibre de la tension. La constatation d’une vibration de 120 Hz doit entraîner une vérification immédiate de l’équilibre de la tension.

Exemple d’économies d’énergie en cas de déséquilibre de tension

Supposons que le moteur de 100 hp testé comme indiqué dans le tableau 1 ait été pleinement chargé et ait fonctionné pendant 8 000 heures par an (h/an), avec une tension déséquilibrée de 2,5 %. Avec un prix de l’énergie de 0,08 $/kilowattheure (kWh), les économies annuelles d’énergie et de coûts après la mise en œuvre des mesures correctives sont les suivantes :

Économies d’énergie annuelles = 100 hp x 0,746 kW/hp x 8 000 h/an x (100/93 – 100/94,4) = 9 517 kWh

Économies annuelles = 9 517 kWh x 0,08 $/kWh = 760

Les économies globales peuvent être beaucoup plus importantes car une tension d’alimentation déséquilibrée peut alimenter de nombreux moteurs et autres équipements électriques.

Autres considérations

Le déséquilibre de tension entraîne un déséquilibre de courant extrêmement élevé. L’ampleur du déséquilibre de courant peut être de 6 à 10 fois supérieure à celle du déséquilibre de tension. Pour le moteur de 100 hp de l’exemple précédent, les courants de ligne (à pleine charge avec un déséquilibre de tension de 2,5 %) étaient déséquilibrés de 27,7 %.

Un moteur fonctionnera plus chaudement s’il est alimenté par une alimentation électrique présentant un déséquilibre de tension. L’augmentation supplémentaire de la température est estimée à l’aide de l’équation suivante1 :

Augmentation totale de la température = Augmentation de la température équilibrée x (1 + 2 x (% de déséquilibre de tension)2 /100)

Par exemple, un moteur dont la température augmente de 80°C à cause de la résistance subira une augmentation de température de 6,4°C lorsqu’il fonctionne dans des conditions de déséquilibre de tension de 2%. La durée de vie de l’isolation du bobinage est réduite de moitié pour chaque augmentation de 10°C de la température de fonctionnement.2

Ressources

National Electrical Manufacturers Association (NEMA) – Consultez le site www.nema.org pour plus d’informations sur les déséquilibres de tension.

Département de l’énergie des États-Unis (DOE) – Pour plus d’informations sur l’efficacité des moteurs et des systèmes motorisés et pour télécharger l’outil logiciel MotorMaster+, visitez le site Web de l’Advanced Manufacturing Office (AMO) à l’adresse suivante : manufacturing.energy.gov.

Références

Reliance Electric, “Power Supply”, septembre 1998.

2 “Stopping a Costly Leak : Les effets d’une tension déséquilibrée sur la durée de vie et l’efficacité des moteurs électriques triphasés”. Questions d’énergie. Département de l’énergie des États-Unis. Hiver 2005.

Références supplémentaires

Les informations contenues dans cette fiche de conseils sont extraites de la publication MG-1-2011 de la NEMA Standards, Motors and Generators, disponible à l’achat sur le site www.nema.org.