Introduction
La surveillance de l'état est un outil précieux pour détecter les défauts et analyser l'état des moteurs. Les moteurs sont largement utilisés dans diverses applications industrielles et peuvent rencontrer de nombreux problèmes au fil du temps. Ces problèmes peuvent entraîner une diminution de l'efficacité, une augmentation des coûts de maintenance et une panne du moteur s'ils ne sont pas résolus rapidement. La surveillance de l'état permet d'identifier ces défauts à un stade précoce, ce qui permet une maintenance rapide et évite les pannes coûteuses. La surveillance de l'état est également utile pour garantir que les moteurs fonctionnent dans un état qui empêche le développement de défauts électriques.
Les moteurs étant à la fois électriques et mécaniques par conception, les deux types de défauts sont courants. On pense souvent à tort que la surveillance des vibrations ne peut détecter que les défauts mécaniques d'un moteur et que la surveillance électrique ne peut détecter que les défauts électriques d'un moteur. En réalité, ces techniques se chevauchent pour identifier les défauts liés au moteur en raison des principes de fonctionnement physiques d'un moteur.
Le but de cet article est de résumer les défauts électriques des moteurs, comment détecter ces défauts et les méthodes de prévention.
Principes de fonctionnement du moteur
Pour mieux comprendre les défauts électriques du moteur, il est nécessaire de comprendre certains principes clés concernant le fonctionnement d'un moteur. Cela concerne principalement le cas d'un moteur à induction où la vitesse de rotation du champ magnétique induit (définie par la fréquence de la ligne électrique et le nombre de pôles du moteur) diffère de la vitesse de rotation mécanique du moteur. Ces définitions sont les suivantes :
- Fréquence de ligne :La fréquence du secteur est la fréquence du courant alternatif (CA) fourni au moteur à induction par le réseau électrique. Dans la plupart des régions, la fréquence standard du secteur est de 50 Hz ou 60 Hz. La fréquence du secteur détermine la vitesse à laquelle les champs magnétiques dans les enroulements du stator alternent la polarité, ce qui, à son tour, induit des courants dans le rotor pour produire un couple et une rotation.
- Nombre de pôles du moteur :Le nombre de pôles d'un moteur à induction affecte directement ses caractéristiques de fonctionnement et ses performances. Les moteurs à pôles plus élevés ont des vitesses synchrones plus faibles et des capacités de couple plus élevées. Les moteurs à 2 et 4 pôles sont les plus courants.
- Vitesse synchrone du moteur :La vitesse synchrone d'un moteur correspond à la vitesse de rotation théorique du champ magnétique du moteur créé par les enroulements du stator. Elle est déterminée par la fréquence du courant alternatif (CA) fourni au moteur et par le nombre de pôles magnétiques du moteur.
La vitesse synchrone (Ns) d'un moteur à courant alternatif est donnée par la formule suivante :
Ns = (120 * f) / P
Où:
Ns = Vitesse synchrone en tours par minute (RPM)
f = Fréquence de ligne en Hertz (Hz)
P = Nombre de pôles dans le moteur
- Vitesse du rotor :Vitesse de rotation mécanique du rotor et de l'arbre. Elle est toujours en retard sur la vitesse synchrone des moteurs à induction. Pour les moteurs à aimant permanent, elle est égale à la vitesse synchrone.
- Fréquence de glissement :La fréquence de glissement est la différence entre la vitesse synchrone du champ magnétique rotatif dans le stator et la vitesse réelle du rotor. Le glissement est également souvent calculé sous forme de pourcentage (rapport entre la vitesse de glissement et la vitesse synchrone), mais pour cet article, nous nous concentrons sur la fréquence de glissement car elle est utilisée pour déterminer la fréquence de passage des pôles.
La fréquence de glissement (F_s) peut être calculée à l’aide de la formule suivante :
F_s = (Ns - Nr)
Où:
Ns = Vitesse synchrone (en tours par minute ou RPM)
Nr = Vitesse du rotor (en tr/min)
- Fréquence de passage des pôles :La fréquence de passage des pôles est la fréquence à laquelle les champs magnétiques des enroulements du stator se « croisent » lorsque le rotor tourne. Elle dépend à la fois de la fréquence de ligne et du nombre de pôles du moteur.
La fréquence de passage des pôles (F_p) peut être calculée à l'aide de la formule suivante :
F_p = F_s * P
Où:
F_s = Fréquence de glissement
P = Nombre de pôles
- Fréquence de passage de la barre du rotor :Le fréquence générée en fonction du nombre de barres de rotor dans un moteur et de la vitesse du rotor. Ceci est souvent difficile à obtenir en raison de la difficulté de déterminer le nombre de barres de rotor dans un moteur, mais se situe généralement dans les fréquences les plus élevées.
La fréquence de passage de la barre du rotor (F_rb) peut être calculée à l'aide de la formule suivante :
F_rb = #rb * Nr
Où:
#rb = Nombre de barres du rotor du moteur
Nr = Vitesse du rotor
La capacité de détecter les défauts électriques du moteur repose sur la tendance fiable des niveaux d'amplitude de ces fréquences.
L'avantage de la détection du flux magnétique d'un moteur
D'après les définitions ci-dessus, il est assez clair que le calcul et l'analyse des tendances de ces valeurs de fréquence pour chaque échantillon de moteur peuvent prendre beaucoup de temps. Cela est particulièrement vrai pour les moteurs à induction avec des vitesses et des charges variables. En détectant le flux magnétique du moteur, la fréquence de ligne peut être déterminée. Simultanément, la vitesse du rotor peut être déterminée à partir des données de l'accéléromètre. Avec ces 2 variables définies, les fréquences restantes peuvent être facilement obtenues et analysées pour le développement de défauts.
Types de défauts électriques du moteur
Les défauts électriques des moteurs sont généralement classés comme des défauts liés au rotor ou des défauts liés au stator. Cela est principalement dû à leurs signatures de défaut et à leurs causes profondes. Les défauts courants et leurs signatures sont décrits ci-dessous.
Les défauts du rotor se concentrent autour des défauts d'une ou plusieurs barres du rotor, ou de l'excentricité du rotor. Lors du diagnostic de l'excentricité du rotor, les fréquences critiques à examiner sont des multiples du régime du rotor (1X, 2X, 3X, 4X, 5X) avec des bandes latérales espacées de 2X la fréquence de ligne.
Excentricité du rotor
Pour les problèmes de barre de rotor, les fréquences critiques sont des multiples de la fréquence de passage de la barre de rotor (1X, 2X) avec des bandes latérales espacées de 2X la fréquence de ligne ou de 2X la fréquence de passage du pôle.
Défauts de la barre de rotor
Les défauts de stator les plus courants sont l'excentricité du stator, les laminations en court-circuit ou les connexions desserrées. L'excentricité du stator et les laminations en court-circuit se produisent avec des amplitudes élevées à 2 fois la fréquence de ligne. Ils sont également très directionnels en raison d'un entrefer irrégulier.
Excentricité du stator, laminations en court-circuit
Les connexions desserrées se présentent comme un problème de phasage et présentent des vibrations élevées à 2 fois la fréquence de ligne avec un espace de bandes latérales à ⅓ de la fréquence de ligne.
Connexions desserrées ou rompues
Il est important de noter que ces défauts sont identifiés par vibration et détectés par l'accéléromètre. Le capteur de flux magnétique permet une valeur rapide et précise de la fréquence de ligne pour identifier ces fréquences et localiser le défaut. Il est également important de mentionner que la charge du moteur joue un rôle important dans l'identification de ces défauts. Une charge moteur plus élevée génère un champ magnétique plus fort qui entraîne des forces inégales à l'origine des vibrations.
Méthodes de détection supplémentaires
Outre la surveillance des vibrations, il existe d'autres méthodes pour détecter les défauts électriques des moteurs. La méthode la plus connue est l'analyse du circuit moteur (MCA), qui est un test effectué avec le moteur hors ligne et utilisé pour identifier divers défauts comme la perte d'isolation. Des méthodes supplémentaires telles que l'analyse de la signature électrique (ESA) et l'analyse de la signature du courant du moteur (MCSA) peuvent être effectuées en ligne et utiliser les données de la tension, du courant ou des deux pour identifier les défauts.
Ces méthodes sont extrêmement utiles lorsque des pannes de moteur se développent en raison de problèmes de qualité de l'alimentation électrique. Elles permettent également de détecter les pannes électriques à un stade plus précoce. Un résumé de ces méthodes est présenté dans le tableau ci-dessous.
| MCA | ESA | MCSA |
|---|
Objectif principal | Testez les circuits électriques et le système d'isolation d'un moteur électrique, en recherchant principalement les problèmes liés à une rupture d'isolation ou à une contamination. | Analyser l'état électrique et mécanique des équipements rotatifs. A la capacité de détecter certains défauts mécaniques dans la signature électrique | Cible spécifiquement les moteurs électriques et les défauts électriques en analysant les modèles de signature actuels. |
Hors ligne/en ligne | Nécessite un circuit moteur hors ligne | Nécessite que le moteur tourne | Nécessite que le moteur tourne |
Tension mesurée | Oui (pour les tests d'isolation) | Oui | Non (analyse actuelle uniquement) |
Courant mesuré | Oui | Oui | Oui |
L'imagerie thermique est un autre outil utile pour la surveillance prédictive du moteur. Le concept principal ici est de déterminer si le moteur fonctionne à des températures élevées et de rechercher d'éventuels points chauds localisés. Des points chauds localisés peuvent indiquer des courts-circuits partiels dans le stator du moteur. Un exemple est fourni ci-dessous.
L’avantage caché de la surveillance continue
Les pannes électriques des moteurs passent souvent inaperçues jusqu'à ce que le point de défaillance soit atteint. Une fois que cela se produit, le moteur est remplacé et, en raison de sa complexité, il n'est souvent pas démonté pour déterminer la cause de la défaillance. Cela peut entraîner des pannes répétitives et des problèmes chroniques.
La surveillance de l'état permet d'éviter ce problème en fournissant des données continues sur les variables qui affectent la santé du moteur. La surveillance des températures du moteur permet de s'assurer qu'aucune dégradation de l'isolation ne se produit. Cela est également vrai pour l'usure des roulements, qui peut entraîner des irrégularités dans l'entrefer et, dans certains cas, un contact entre le rotor et le stator. Ces informations supplémentaires peuvent aider à déterminer les causes profondes du développement des défauts. Cela permet de passer d'une analyse post-mortem des causes profondes des défaillances à une analyse des causes profondes des défauts, ce qui maximise la durée de vie des actifs, augmente considérablement la fiabilité et réduit les coûts de maintenance globaux.
Causes courantes des pannes électriques des moteurs
La détection des défauts électriques du moteur et les mesures correctives qui les entourent peuvent augmenter rapidement la fiabilité en déplaçant le travail d’une panne imprévue vers une réparation programmée. Cette augmentation de la fiabilité n’est souvent pas prise en compte dans le budget de maintenance. Afin de réduire les dépenses de maintenance, il est important de comprendre les causes profondes du développement des défauts et de mettre en place un plan pour les minimiser. Vous trouverez ci-dessous un tableau présentant les causes profondes typiques associées aux défauts évoqués précédemment.
Défauts électriques du moteur | Causes fondamentales courantes |
|---|
Excentricité du rotor | - Répartition inégale de la charge sur le rotor. |
- Désalignement entre le rotor et l'arbre. |
- Défauts ou usures des roulements. |
Défauts de la barre de rotor | - Surcharge ou démarrages/arrêts fréquents. |
- Température excessive entraînant une défaillance de l'isolation des barres. |
- Vibrations ou contraintes mécaniques provoquant la rupture de la barre. |
Excentricité du stator | - Désalignement entre le stator et le boîtier. |
- Déformation du châssis du moteur due à un pied mou. |
- Entrefer irrégulier dû à des problèmes de fabrication ou d'assemblage. |
Laminations en court-circuit | - Surchauffe causée par une température élevée du moteur. |
- Démarrages et arrêts excessifs entraînant des contraintes thermiques. |
- Défauts de roulement provoquant des contraintes mécaniques sur les tôles. |
- Contamination de l'isolation. |
Terminaisons cassées ou desserrées | - Vibrations ou contraintes mécaniques dues à un désalignement ou à des défauts de roulement. |
- Cyclisme thermique provoquant une dilatation/contraction des connexions. |
- Courants électriques élevés entraînant une génération de chaleur et un affaiblissement des connexions. |
Il va sans dire que la fabrication et la réparation des moteurs sont également une cause très courante de pannes électriques. La réparation d'un moteur est un processus complexe et délicat qui nécessite un contrôle qualité important. C'est pourquoi diverses associations existent pour aider à identifier les ateliers de réparation réputés. L'EASA est l'une des organisations d'accréditation les plus connues pour les travaux de réparation de moteurs. Le choix d'un atelier de réparation accrédité par l'EASA peut contribuer grandement à obtenir des travaux de réparation fiables. L'un des avantages supplémentaires d'une surveillance continue est d'identifier les travaux de réparation de mauvaise qualité et de détecter ces cas de mortalité infantile.
Résumé
La surveillance de l'état du moteur pour détecter les défauts électriques peut être utile pour déterminer son état de santé. L'identification de ces défauts nécessite la compréhension des multiples fréquences générées par la physique entourant la conception de chaque moteur surveillé. La connaissance de la fréquence de ligne allant au moteur et de la vitesse de rotation du moteur simplifie grandement le processus de collecte de ces fréquences critiques.
Les signatures vibratoires sont bien connues et documentées pour les défauts électriques spécifiques évoqués. En pratique, les signatures ne permettent souvent pas d'identifier clairement le défaut spécifique. Il est suggéré d'utiliser des méthodes de test supplémentaires pour valider et préciser davantage le type de défaut exact. La combinaison de ces méthodes permet d'obtenir une définition très précise du type de défaut et de son niveau de maturité.
La surveillance de l'état des moteurs permet d'obtenir un meilleur rapport qualité-prix en s'assurant que le moteur fonctionne dans un état qui empêche le développement de pannes. Pour ce faire, il faut s'assurer que les moteurs fonctionnent à la bonne température, que les roulements sont en bon état et qu'aucune force externe supplémentaire n'est soumise au moteur. Une valeur ajoutée supplémentaire est apportée en fournissant des données clés permettant de déterminer la cause probable du développement d'une panne ou d'une défaillance. Cela permet de prévenir les pannes récurrentes et de réduire les coûts de maintenance directe.
Ressources supplémentaires
-Accréditation des ateliers de réparation
-Étude sur la fiabilité des moteurs électriques
-Vidéo expliquant les principes du moteur à induction et les fréquences importantes
