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SOLUTIONS AUTOMATISMES QUAND LES ROULEMENTS SONT VICTIMES DES VARIATEURS… Depuis quelques années, on observe une augmentation de la dégradation des roulements des moteurs présents sur les systèmes d’entraînement. Dans certains cas, ce sont les variateurs de vitesse électronique qui en sont responsables : leur fréquence de commutation élevée est en effet à l’origine de courants de palier haute fréquence qui peuvent être amenés à traverser les roulements, provoquant des phénomènes de piquage. Pour prévenir ce phénomène, il faut “soigner” la mise à la terre de l’équipement et permettre aux courants de circulation de reboucler vers le châssis du variateur sans passer par les roulements. L’amplitude de ces courants peut également être réduite en utilisant des câbles moteurs symétriques ou en filtrant la sortie du variateur. En isolant les roulements du moteur, on interrompt le parcours emprunté par les courants de palier. ■ l arrive que quelques mois seulement après la mise en route d’un entraînement de puissance à vitesse variable, les roulements du moteur doivent être remplacés. La dégradation prématurée de ces roulements peut être le fait des courants de palier, courants parasites induits dans l’arbre moteur et qui circulent dans les roulements. Ces courants de palier présentent plusieurs formes. Les plus connus sont les courants de palier basse fréquence (BF) induits par l’asymétrie des moteurs. Les nouvelles règles pratiques de conception et de fabrication des moteurs permettent quasiment de s’affranchir de ces courants. Et puis il y a les courants de palier haute fréquence (HF), apparus il y a quelques années avec l’arrivée des nouvelles générations de variateurs de vitesse. Les variateurs électroniques de vitesse actuellement disponibles sur le marché I 66 doc. ABB Les variateurs de vitesse génèrent des impulsions de courant à haute fréquence qui s’écoulent à travers les impédances de fuite du système d’entraînement. Si on ne prend pas de précautions suffisantes, ces courants de fuite peuvent passer à travers les roulements, provoquant une usure prématurée de ceux-ci. MESURES 717 - SEPTEMBRE 1999 SOLUTIONS DÉSÉQUILIBRE INSTANTANÉ DES TENSIONS APPLIQUÉES AU MOTEUR 1 0,5 0 -0,5 -1 BOUCLE DE MODE COMMUN D’UN ENTRAINEMENT MOTEUR + VARIATEUR Phase A Variateur CMC 1 0,5 0 -0,5 -1 Phase B 1 0,5 0 -0,5 -1 Phase C Câbles Lc Enroulement moteur Lm Cm Vcm CMC Cc Cin Lg Tension de mode commun VCM=Vphase–masse 1 0,5 0 -0,5 -1 Les variateurs électroniques de vitesse appliquent des trains d’impulsions à chacune des phases du moteur. Comme le montre le schéma du bas, la somme instantanée des trois phases n’est pas nulle. La tension résultante est appelée “tension de mode commun” et sa fréquence est égale à la fréquence de commutation du variateur. Cette tension est à l’origine de courants de fuite à travers les impédances de fuite du moteur. intègrent en effet des transistors de puissance IGBT qui présentent des commutations 20 fois plus rapides qu’il y a une décennie. Avec leurs impulsions de tension très rapides et leurs fréquences de commutation élevées, ces variateurs de vitesse peuvent provoquer la circulation d’impulsions de courant haute fréquence (HF) dans les roulements. Si l’énergie de ces impulsions est suffisamment élevée, il y a transfert de métal entre les billes et les pistes de roulement. Ce phénomène, appelé “piquage”, se manifeste dans un délai assez court après la mise en route des systèmes d’entraînement (un à six mois) et il impose le remplacement prématuré du roulement. C’est seulement récemment qu’on a commencé à comprendre ces problèmes. Chacun des éléments constitutifs de l’entraînement (moteur, réducteur et variateur de vitesse) est un produit fiable de haute technicité, avec un MTBF élevé (MTBF : Moyenne des Temps de Bon Fonctionnement). Mais lorsqu’ils sont associés, il s’avère indispensable de respecter certaines règles d’installation. MESURES 717 - SEPTEMBRE 1999 Boucle de mode commun simplifiée d’un variateur MLI (modulation à largeur d’impulsions) et d’un moteur asynchrone. Le variateur joue le rôle de source de tension de mode commun (Vcm). Le courant de mode commun s’écoule par les inductances de mode commun du câble et du moteur (Lc Lm) et les capacités de fuite entre les enroulements moteur et la carcasse moteur (qui donnent ensemble Cm). De la carcasse moteur, il passe dans le circuit de terre usine (d’inductance Lg). Lg reçoit également un courant de mode commun de la capacité de fuite du câble Cc. Le châssis du variateur est raccordé au réseau de terre usine et couple les courants de terre du courant de mode commun via les capacités de fuite entre le variateur et la carcasse, refermées (Cin) sur la source de tension de mode commun. Les courants de palier ont plusieurs causes La tension de palier haute fréquence (HF) peut être générée de plusieurs manières différentes. Les principaux facteurs d’influence sont la taille du moteur et son mode de mise à la terre. Asymétrie du flux dans les gros moteurs. Dans les gros moteurs, il y a une distribution asymétrique du flux. Comme les impulsions de tension envoyées par le variateur contiennent des fréquences élevées, les inductances de fuite des enroulements moteur favorisent le cheminement et l’écoulement des courants à la terre. Si la tension ainsi induite entre les bouts d’arbre est suffisamment élevée pour vaincre l’impédance du film d’huile dans les roulements, des courants de palier HF se mettent à circuler. Lorsque le courant de fuite retourne au variateur via le circuit de mise à la terre, il cherche à emprunter l’itinéraire de plus faible impédance. Si l’arbre moteur est mis à la terre via la machine entraînée, une partie du courant de fuite peut circuler par les roulements, l’arbre et la machine entraînée, pour revenir jusqu’au variateur. Ce type de courant de palier est appelé “courant à la terre de l’arbre”. Dans les petits moteurs, les courants de palier HF peuvent être dus à la présence de capacités de fuite internes du moteur. Ce phénomène survient si l’arbre du moteur n’est pas mis à la terre via la machine entraînée. Déséquilibre instantané de l’alimentation du moteur. Les courants de palier sont liés à l’existence d’un circuit de mode commun dans le système d’entraînement. En fonctionnement normal, un réseau d’alimentation type délivre une tension sinusoïdale équilibrée et symétrique, c’està-dire que la somme vectorielle des trois phases est toujours égale à zéro. Il est donc normal que le neutre soit à un potentiel de 0 V. Toutefois, cela n’est pas le cas avec un variateur triphasé MLI (Modulation de Largeur d’Impulsions) qui génère des impulsions de largeurs différentes, de sorte qu’il est impossible d’arriver à chaque instant à un équilibre parfait entre les 67 SOLUTIONS phases (ce qui n’empêche pas que les tensions peuvent être équilibrées au niveau de leur amplitude maximale). La tension résultante est appelée “tension de mode commun”, à laquelle le moteur est sensible. Les courants dus à la présence de cette tension s’écoulent à travers les impédances de fuite présentes entre tout dispositif raccordé aux phases du variateur (câbles moteur et enroulements moteur, par exemple) et la terre. Fronts de tension. Les impulsions de tension rapides produites par les variateurs modernes contiennent des fréquences élevées (plusieurs kHz, voire plusieurs MHz). Les variateurs électroniques de vitesse n’échappent pas à la règle et ils comportent donc un convertisseur alternatif/continu incorporant, comme aujourd’hui tous les convertisseurs, une électronique de découpage haute fréquence. Les courants haute fréquence créés à l’intérieur de ce convertisseur s’écoulent par les capacités de fuite formées naturellement entre les conducteurs (véhiculant ces courants) et la masse du système d’entraînement. Dès lors que deux éléments conducteurs 68 En s’écoulant à travers les roulements, les courants de palier provoquent le piquage des pistes de roulement. sont séparés par un isolant, il y a un effet capacitif. Autant dire que les capacités de fuite sont présentes partout. Par exemple, une spire d’enroulement moteur isolée de la carcasse par un vernis et un isolant d’encoche a une capacité par rapport à la carcasse du moteur. Des capacités de fuite se forment ainsi naturellement entre les conducteurs et la terre d’un système d’entraînement. On sait que l’impédance d’une capacité est inversement proportionnelle à la capacité et à la fréquence. Les capacités à l’inté- rieur du moteur sont très faibles. Aux basses fréquences (BF), elles présentent une forte impédance, ce qui bloque les courants de circulation BF. Il en va autrement pour les hautes fréquences, auxquelles travaillent les variateurs. En effet, aux très hautes fréquences, même les faibles capacités constituent un chemin de faible impédance pour la circulation des courants. Ces courants font partie du courant de mode commun total et empruntent un parcours appelé “boucle de mode commun”. Plusieurs de ces boucles se forment dans tout système d’entraînement. Leur nombre dépend de la configuration du système et des règles d’installation mises en œuvre. Elles partent toutes de la source de tension de mode commun, à savoir le variateur lui-même, où les fronts de tension de l’onduleur se traduisent, aux fréquences élevées, par des impulsions de courant de forte intensité. Le courant de mode commun ne cherche pas naturellement le réseau de terre sous la surface du bâtiment ou tout transformateur de puissance et sa terre associée. Il s’écoulera cependant par ceux-ci ou par MESURES 717 - SEPTEMBRE 1999 SOLUTIONS CONFIGURATIONS DE CÂBLES “MOTEURS” SYMÉTRIQUES blindage Conducteur PE Conducteur PE et blindage Pour limiter les courants de palier, il est recommandé d’utiliser uniquement des câbles moteur symétriques. Le conducteur de terre (terre de protection, PE) du câble moteur doit être disposé de manière symétrique pour éviter les courants de palier à la fréquence fondamentale. Cette symétrie est obtenue avec un conducteur PE enveloppant tous les conducteurs de phase ou avec un câble constitué de trois conducteurs de phase et trois conducteurs de terre parfaitement symétriques. le parcours de plus faible inductance (couplages capacitifs parasites) jusqu’au bus CC, via le châssis du variateur. L’impédance de palier varie au cas par cas La circulation de courants dans les roulements peut varier rapidement, car elle dépend de l’état physique du roulement à un moment donné. Par exemple, une capacité de fuite dans le roulement n’est entretenue que tant que les billes des roulements sont recouvertes d’huile ou de graisse et ne sont pas conductrices. Cette capacité, où siège la tension d’arbre induite, peut être court-circuitée si la tension de palier franchit le seuil de claquage ou si une bille perce le film d’huile et entre en contact avec les deux pistes de roulement. A très petite vitesse, les roulements présentent un contact métallique car les billes ne sont pas sur un film d’huile. En général, l’impédance de palier dicte le niveau de tension où le roulement commence à être conducteur. Cette impédance est une fonction non linéaire de la charge, de la température et de la vitesse de rotation du roulement, et du lubrifiant utilisé. Elle varie au cas par cas. Prévenir les avaries liées aux courants de palier HF Les courants de palier HF peuvent être maîtrisés en veillant à la qualité du câblage et de la mise à la terre, en rompant les boucles de courants de palier et en amortissant le courant de mode commun HF. Selon le type de courants de palier HF, on privilégiera telle ou telle solution. La règle de base pour prévenir tous les types de courant HF est une bonne mise à la terre. Les méthodes standard de mise à la terre des équipements visent essentiellement à réaliser une liaison d’impédance suffisamment faible pour protéger le maté- Mesurer les courants de palier HF ■ Si vous suspectez la présence de courants de palier HF, des mesures peuvent être faites sur site pour contrôler l’existence de boucles de courant. Cette opération peut cependant s’avérer difficile car le courant de mode commun peut circuler dans des organes inhabituels, tels que les arbres en rotation. Il s’agit de détecter les impulsions de courte durée et rapides dans un environnement bruyant (tant au niveau électrique que mécanique), opération qui exige un matériel spécial et un personnel expérimenté. Pour ce faire, ABB utilise MESURES 717 - SEPTEMBRE 1999 un capteur de courant de type Rogowsky, flexible, sans fer, de conception spéciale pour la mesure des courants de palier HF. Le groupe a acquis une certaine expérience dans ce domaine puisqu’à ce jour, il a contrôlé plus de 900 entraînements à vitesse variable dans le monde entier et dans des applications très différentes. Bien entendu, il s’agissait d’installations à problème, les utilisateurs ou les installateurs n’ayant pas respecté les règles de l’art... riel et les personnes des défauts du réseau. Un entraînement à vitesse variable peut être efficacement mis à la terre et protégé des hautes fréquences du courant de mode commun si certaines règles élémentaires d’installation sont respectées : - Utiliser uniquement des câbles moteur symétriques. Le conducteur de terre (terre de protection, PE) du câble moteur doit être disposé de manière symétrique pour éviter les courants de palier à la fréquence fondamentale. Cette symétrie est obtenue avec un conducteur PE enveloppant tous les conducteurs de phase ou avec un câble constitué de trois conducteurs de phase et trois conducteurs de terre parfaitement symétriques. - Définir un itinéraire court et de faible impédance pour le retour du courant de mode commun vers le variateur. Pour ce faire, la méthode la plus efficace et la plus aisée consiste à utiliser des câbles moteur blindés. Le blindage doit être continu et en matériau bon conducteur HF (cuivre ou aluminium). Les raccordements aux deux extrémités devant être faits avec une reprise de masse sur 360°. - Ajouter des liaisons d’équipotentialité entre les différents équipements et les points connus de référence à la terre, en utilisant des fils de cuivre tressés de 50 à 100mm de large car les conducteurs de section plate constituent un parcours de plus faible inductance que les conducteurs de section ronde. Ces liaisons d’équipotentialité doivent être réalisées là où une discontinuité est suspectée entre le niveau de terre du variateur et celui du moteur. Par ailleurs, il peut être nécessaire de réaliser l’équipotentialité entre les carcasses du moteur et de la machine entraînée pour court-circuiter la circulation de courants dans les roulements du moteur et de la machine entraînée. L’interruption des boucles de courants de palier se fait dans le moteur en isolant le ou les roulements. L’amortissement du courant de mode commun HF côté variateur peut être réalisé avec des filtres spéciaux. Constructeur de variateurs et de moteurs, ABB peut proposer la solution la mieux adaptée à chaque cas et fournir des instructions détaillées pour la mise à la terre et le câblage. Philippe Brem Responsable produits vitesse variable ABB Industrie ABB Industrie Drives 15, rue Sully 69150 Décines Tél. : 0472054037 - Fax : 0472054030 69