L'avènement des entraînements à fréquence variable (VFD) a révolutionné le contrôle de l'automatisation industrielle et l'efficacité énergétique des moteurs. Les VFD sont pratiquement indispensables dans la production industrielle, et même dans la vie quotidienne, ils sont devenus des composants essentiels des ascenseurs et des climatiseurs à fréquence variable-. Les VFD ont imprégné tous les coins de la production et de la vie quotidienne. Cependant, ils ont également introduit des défis sans précédent, les dommages aux moteurs étant l’un des problèmes les plus importants.
Beaucoup ont déjà observé le phénomène des VFD endommageant les moteurs. Par exemple, un fabricant de pompes a récemment été confronté à de fréquents rapports de clients faisant état de pannes de pompe survenant pendant les périodes de garantie. Auparavant, les produits de ce fabricant étaient réputés pour leur fiabilité. L'enquête a révélé que toutes les pompes endommagées étaient entraînées par des entraînements à fréquence variable.
Bien que le problème des dommages moteurs induits par le VFD- attire de plus en plus l'attention, les mécanismes sous-jacents restent flous et les mesures préventives sont largement inconnues. Cet article vise à répondre à ces incertitudes.
Dommages aux moteurs causés par les VFD
Les dommages causés aux moteurs par les VFD se manifestent de deux manières principales : les dommages aux enroulements du stator et les dommages aux roulements, comme illustré dans la figure 1. De tels dommages se produisent généralement dans un délai allant de plusieurs semaines à plus d'un an. La durée spécifique dépend de nombreux facteurs, notamment la marque du VFD, la marque du moteur, la puissance nominale du moteur, la fréquence porteuse du VFD, la longueur du câble entre le VFD et le moteur et la température ambiante. Une panne moteur prématurée inflige des pertes économiques substantielles aux entreprises. Ces pertes englobent non seulement les coûts de réparation et de remplacement, mais, plus important encore, l'impact financier des arrêts de production imprévus. Par conséquent, lors de l’utilisation de VFD pour piloter des moteurs, la question des dommages au moteur exige une attention particulière.
Différences entre le variateur de fréquence et le variateur de fréquence
Pour comprendre pourquoi les moteurs à fréquence secteur sont plus sujets aux dommages dans des conditions de variateur de fréquence, il faut d'abord comprendre les différences entre la tension fournie par un variateur de fréquence et la tension à fréquence secteur. Ensuite, il faut comprendre comment ces différences affectent négativement le moteur.
Pour comprendre pourquoi les moteurs sont plus sujets aux dommages dans des conditions d'entraînement VFD que dans un fonctionnement à fréquence secteur-, nous devons d'abord examiner les différences entre la tension fournie par un VFD et la tension à fréquence secteur-. Il faut alors comprendre comment ces différences impactent négativement le moteur.
La structure de base d'un variateur de fréquence est illustrée à la figure 2, comprenant deux sections principales : le circuit redresseur et le circuit onduleur. Le circuit redresseur forme un circuit de sortie de tension continue utilisant des diodes standard et des condensateurs de filtrage. Le circuit onduleur convertit cette tension continue en une forme d'onde de tension modulée en largeur d'impulsion (tension PWM). Par conséquent, la forme d'onde de tension entraînant le moteur à partir du VFD est une forme d'onde d'impulsion avec des largeurs d'impulsion variables, et non une forme d'onde de tension sinusoïdale. Faire fonctionner le moteur avec cette tension pulsée est la cause fondamentale des dommages au moteur.
Mécanisme d'endommagement de l'onduleur sur les enroulements du stator du moteur
Lorsque des tensions d'impulsion se propagent dans les câbles, une impédance non adaptée entre le câble et la charge provoque des réflexions à l'extrémité de la charge. Ces réflexions entraînent une superposition d’ondes incidentes et réfléchies, générant des tensions nettement plus élevées. Leur amplitude peut atteindre jusqu'à deux fois la tension du bus CC-environ trois fois la tension d'entrée de l'onduleur-comme illustré sur la figure 3. Des tensions de pointe excessivement élevées appliquées aux enroulements du stator du moteur provoquent des surtensions. Des surtensions fréquentes peuvent entraîner une panne prématurée du moteur.
La durée de vie réelle d'un moteur entraîné par un variateur de fréquence après avoir été soumis à des pointes de tension dépend de nombreux facteurs, notamment la température, la contamination, les vibrations, la tension, la fréquence porteuse et le processus de fabrication de l'isolation de la bobine.
Plus la fréquence porteuse du variateur de fréquence est élevée, plus la forme d'onde du courant de sortie se rapproche d'une onde sinusoïdale. Cela réduit la température de fonctionnement du moteur, prolongeant ainsi la durée de vie de l'isolation. Cependant, une fréquence porteuse plus élevée signifie davantage de tensions de pointe générées par seconde, ce qui entraîne des impacts plus fréquents sur le moteur. La figure 4 illustre la façon dont la durée de vie de l'isolation varie en fonction de la longueur du câble et de la fréquence porteuse. Le graphique indique que pour un câble de 200 pieds, l'augmentation de la fréquence porteuse de 3 kHz à 12 kHz (une multiplication par quatre) réduit la durée de vie de l'isolation d'environ 80 000 heures à 20 000 heures (une diminution par quatre).
Effet de la fréquence porteuse sur l'isolation
Plus la température du moteur est élevée, plus la durée de vie de l'isolation est courte. Comme le montre la figure 5, lorsque la température atteint 75 degrés, la durée de vie du moteur est réduite à seulement 50 %. Les moteurs entraînés par des variateurs de fréquence (VFD) subissent des températures nettement plus élevées que ceux entraînés par une tension à fréquence secteur, en raison de la tension PWM contenant une proportion plus élevée de composants haute fréquence -.
Mécanisme d'endommagement du variateur de fréquence sur les roulements du moteur
La cause des dommages causés par le variateur de fréquence aux roulements du moteur est le flux de courant à travers les roulements, qui se produit dans un état de connexion intermittente. Les circuits connectés par intermittence génèrent des arcs, et ces arcs brûlent les roulements.
Deux causes principales induisent un flux de courant dans les roulements du moteur à courant alternatif : premièrement, la tension induite par un déséquilibre du champ électromagnétique interne ; deuxièmement, les chemins de courant à haute fréquence-créés par une capacité parasite.
Dans un moteur à induction AC idéal, le champ magnétique interne est symétrique. Lorsque les courants dans les enroulements triphasés-sont égaux et déphasés-de 120 degrés, aucune tension n'est induite sur l'arbre du moteur. Cependant, lorsque la tension PWM émise par l'onduleur provoque une asymétrie du champ magnétique dans le moteur, une tension est induite sur l'arbre. Cette tension varie généralement de 10 à 30 V, en fonction de la tension d'entraînement - une tension d'entraînement plus élevée entraîne une tension d'arbre plus élevée. Si cette tension dépasse la force d'isolation de l'huile lubrifiante à l'intérieur du roulement, un chemin électrique se forme. Lorsque l'arbre tourne, l'isolation de l'huile lubrifiante interrompt périodiquement le flux de courant. Ce processus ressemble à l'action de commutation d'un interrupteur mécanique, générant un arc qui érode les surfaces de l'arbre, des billes et des chemins de roulement, formant ainsi des creux. Sans vibration externe, des piqûres mineures provoquent un impact minime. Cependant, lorsqu’elles sont combinées à des vibrations externes, elles créent des rainures qui nuisent considérablement au fonctionnement du moteur.
De plus, des expériences indiquent que la tension sur l'arbre est également liée à la fréquence fondamentale de la tension de sortie de l'onduleur. Plus la fréquence fondamentale est basse, plus la tension sur l'arbre est élevée, ce qui entraîne des dommages plus graves aux roulements.
Pendant la phase initiale de fonctionnement, lorsque la température du lubrifiant est basse, les amplitudes de courant varient de 5 à 200 mA. Des courants aussi faibles ne causent aucun dommage aux roulements. Cependant, après un fonctionnement prolongé, à mesure que la température du lubrifiant augmente, les courants de pointe peuvent atteindre 5 à 10 A. Cela induit des arcs électriques, formant des micro-cuvettes sur les surfaces des roulements.
Protection des enroulements du stator du moteur
Lorsque la longueur des câbles dépasse 30 mètres, les variateurs de fréquence (VFD) modernes génèrent inévitablement des pointes de tension aux bornes du moteur, réduisant ainsi la durée de vie du moteur. Deux approches évitent les dommages au moteur : utiliser des moteurs avec une résistance au claquage de l'isolation des enroulements plus élevée (communément appelés moteurs compatibles VFD-) ou mettre en œuvre des mesures pour réduire les pointes de tension. Le premier convient aux nouveaux projets, tandis que le second est idéal pour la modernisation des moteurs existants.
Actuellement, quatre méthodes courantes de protection des moteurs sont utilisées :
(1) Installation de selfs en sortie de l'onduleur : C'est l'approche la plus fréquemment utilisée. Cependant, notez que bien qu'efficace pour les câbles plus courts (moins de 30 mètres), ses performances peuvent parfois être sous-optimales, comme le montre la figure 6(c).
(2) Installation d'un filtre du/dt à la sortie de l'onduleur : convient aux longueurs de câble inférieures à 300 mètres. Bien que légèrement plus cher que les réacteurs, il donne des résultats nettement améliorés, comme le montre la figure 6(d).
(3) Installation d'un filtre sinusoïdal à la sortie de l'onduleur : C'est la solution la plus idéale. En convertissant la tension d'impulsion PWM en tension sinusoïdale, le moteur fonctionne dans des conditions identiques à celles de la tension de fréquence secteur. Cette approche résout complètement le problème des pointes de tension (les pointes de tension ne se produiront pas quelle que soit la longueur du câble).
(4) Installation d'un absorbeur de pointe de tension à l'interface du câble-moteur : les inconvénients des mesures précédentes sont que les réacteurs ou les filtres deviennent encombrants, lourds et coûteux pour les moteurs de grande-puissance. De plus, les réacteurs et les filtres provoquent des chutes de tension qui réduisent le couple de sortie du moteur. L’utilisation d’un absorbeur de tension de pointe d’onduleur surmonte ces limitations. L'absorbeur de surtension SVA développé par l'Institut 706 de la Deuxième Académie de CASIC utilise une électronique de puissance avancée et une technologie de contrôle intelligente, ce qui en fait une solution idéale pour prévenir les dommages au moteur. De plus, l'amortisseur de surtension SVA protège également les roulements du moteur.