L'entraînement à fréquence variable est-il la raison pour laquelle le moteur tombe rapidement en panne ?

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L'avènement de la entraînement à fréquence variable (EFV), également connu sous le nom de convertisseur de fréquence ou variateur de vitesse, a apporté des changements révolutionnaires dans l'automatisation industrielle et l'efficacité énergétique des moteurs. Dans la production industrielle moderne, les variateurs de fréquence sont presque indispensables, et leurs applications se sont même étendues à la vie quotidienne - les ascenseurs et les climatiseurs à vitesse variable en sont de parfaits exemples. Cependant, malgré ces avantages, les variateurs de fréquence ont introduit de nouveaux défis, l'un des plus importants étant leur capacité à endommager les moteurs.

Cela soulève une question cruciale : les variateurs de fréquence sont-ils à l'origine des pannes rapides des moteurs ? Bien que cette question ait attiré l'attention, les mécanismes à l'origine de ces défaillances restent peu clairs pour beaucoup. L'objectif de cet article est d'explorer ces mécanismes et de proposer des mesures préventives.

Quels sont les dommages causés au moteur par l'onduleur ?

Les dommages causés par un variateur de fréquence à un moteur peuvent être classés en deux catégories principales : les dommages aux enroulements du stator du moteur et les dommages aux roulements du moteur. Ce type de dommage peut se produire sur une période allant de quelques semaines à plusieurs mois, en fonction de divers facteurs tels que la marque du variateur de fréquence, la marque du moteur, la puissance du moteur, la fréquence de la porteuse, la longueur du câble entre le variateur et le moteur, et la température ambiante.

Les pannes de moteur inattendues entraînent non seulement des coûts de réparation et de remplacement élevés, mais aussi des arrêts de production importants. Il est donc essentiel d'être conscient des risques potentiels et de prendre des mesures préventives lorsque l'on utilise des variateurs de fréquence pour entraîner des moteurs.

Mécanisme d'endommagement du bobinage du stator du moteur par l'onduleur

La cause première de l'endommagement d'un moteur alimenté par un variateur de fréquence réside dans la nature de la forme d'onde de la tension produite par le VFD. Contrairement à une onde sinusoïdale pure, la sortie d'un VFD est une tension modulée en largeur d'impulsion (PWM), ce qui peut entraîner une tension accrue sur les enroulements du moteur. Lorsque ces impulsions MLI circulent dans les câbles, si l'impédance du câble ne correspond pas à l'impédance du moteur, des réflexions de tension se produisent. Ces ondes réfléchies se combinent aux ondes entrantes, créant des pics de tension qui peuvent atteindre le double de la tension du bus CC, ou jusqu'à trois fois la tension d'entrée de l'onduleur.

Ces pointes de haute tension sont appliquées aux enroulements du stator du moteur, les soumettant à un stress électrique important. L'exposition répétée à de telles conditions de surtension réduit la durée de vie de l'isolation des enroulements du moteur, ce qui entraîne une défaillance prématurée. La durée de vie d'un moteur entraîné par un convertisseur de fréquence dépend de plusieurs facteurs, notamment la température, la pollution, les vibrations, la tension, la fréquence porteuse et la qualité de l'isolation. Si des fréquences porteuses plus élevées peuvent réduire les températures de fonctionnement du moteur et prolonger la durée de vie de l'isolation, elles augmentent également la fréquence et le nombre de pointes de tension, ce qui soumet le moteur à des contraintes supplémentaires.

Influence de la fréquence porteuse sur l'isolation

La température est un facteur essentiel pour déterminer la durée de vie de l'isolation d'un moteur. Plus la température est élevée, plus la durée de vie de l'isolation est courte. Les moteurs entraînés par des variateurs de fréquence ont tendance à fonctionner à des températures plus élevées en raison des composants à haute fréquence présents dans la tension PWM. Comme le montrent les études, la durée de vie des moteurs peut être réduite de 50% lorsqu'ils fonctionnent à des températures supérieures à 75°C. Cette augmentation de la température, principalement due à la fréquence de commutation élevée de l'entraînement à fréquence variable, exacerbe la dégradation de l'isolation, ce qui accélère encore la défaillance du moteur.

Mécanisme de détérioration des roulements de moteur par les onduleurs

Les variateurs de fréquence peuvent également endommager les roulements des moteurs, principalement en raison des courants de circulation qui circulent dans les roulements. Ces courants sont causés par deux facteurs : les tensions induites dues aux déséquilibres du champ électromagnétique à l'intérieur du moteur, et les courants à haute fréquence résultant de la capacité parasite.

Dans un moteur CA idéal, lorsque les courants triphasés sont équilibrés, aucune tension n'est induite sur l'arbre du moteur. Cependant, la sortie de tension MLI d'un convertisseur de fréquence déforme le champ magnétique, provoquant l'apparition d'une tension sur l'arbre du moteur. Si cette tension dépasse la tension de claquage du lubrifiant des roulements, un chemin de courant s'établit, provoquant un arc électrique sur les roulements. Cette décharge d'arc brûle les surfaces des roulements, crée des piqûres et finit par former des rainures qui perturbent le fonctionnement du moteur.

La gravité des dommages subis par le roulement dépend de plusieurs facteurs, notamment de la durée et de la température de fonctionnement du moteur. Au début, le courant peut être trop faible pour causer des dommages importants, mais au fur et à mesure que le moteur tourne et que le lubrifiant se réchauffe, les pics de courant peuvent augmenter, entraînant des arcs électriques importants qui accélèrent l'usure des roulements.

Protection des enroulements du stator du moteur

Pour éviter que le moteur ne soit endommagé par les convertisseurs de fréquence, plusieurs mesures de protection peuvent être mises en œuvre :

1. Installation des réacteurs: L'installation de réactances à la sortie de l'onduleur peut réduire les pointes de tension mais peut s'avérer moins efficace pour les câbles plus longs.
2. Utilisation de filtres dv/dt: Ces filtres sont efficaces pour des longueurs de câble allant jusqu'à 300 mètres et offrent une meilleure protection que les réacteurs.
3. Filtres à ondes sinusoïdales: Ces filtres convertissent la tension PWM en une onde sinusoïdale, éliminant complètement les pointes de tension et offrant une protection idéale pour le moteur.
4. Absorbeurs de tension de crête: Installés aux bornes du moteur, ces dispositifs peuvent absorber les pointes de tension nuisibles, protégeant ainsi les enroulements et les roulements du moteur.

En conclusion, la sélection et l'installation correctes des dispositifs de protection peuvent considérablement prolonger la durée de vie du moteur lors de l'utilisation de convertisseurs à fréquence variable.

Conclusion

Si les variateurs de fréquence ont transformé le contrôle et l'efficacité des moteurs dans les applications industrielles et quotidiennes, ils peuvent également être à l'origine d'une défaillance prématurée du moteur. Les dommages causés par les variateurs de fréquence à onduleur comprennent la rupture de l'isolation du bobinage du stator et la défaillance des roulements, sous l'effet des pics de tension, de l'augmentation de la température et des courants circulants. En comprenant ces risques et en appliquant des mesures de protection appropriées, telles que l'utilisation de moteurs à onduleur, de réactances ou de filtres, il est possible d'atténuer l'impact négatif des variateurs de vitesse et de garantir une plus longue durée de vie des moteurs.