le rebobinage de moteurs evv

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NOTE TECHNIQUE NO. 25
LE REBOBINAGE DE MOTEURS EVV
Par Richard Huber
BC Hydro
Burnaby (C.-B.) Canada
La popularité croissante des mécanismes d’entraînement
à vitesse variable (EVV) a pour effet de multiplier les
défaillances de moteurs dans l’industrie. La défaillance
prématurée des bobinages de moteur constitue le principal
problème. Divers types de défaillances mécaniques, bien que
moins répandus, sont aussi signalés.
LES DÉFAILLANCES DU BOBINAGE
Examinons d’abord les défaillances prématurées des
bobinages de moteur. Beaucoup d’articles ont été publiés sur
ce sujet, et la plupart des auteurs attribuent ces défaillances à
l’apparition d’une décharge électrique (effet couronne) dans le
bobinage du moteur. Le problème est plus fréquent depuis la
généralisation des entraînements à modulation d’impulsions
en durée (MID), en particulier ceux qui font appel à des
transistors bipolaires à porte isolée (IGBT). Le temps de
montée de l’impulsion de ces entraînements à vitesse
variable peut être aussi bref que 0,1 microseconde.
Ce temps de montée de l’impulsion très rapide, combiné à
plusieurs autres facteurs, peut provoquer une défaillance
prématurée des bobinages de moteur. Voici certains des
facteurs qui accentuent les effets de ces temps de montée
rapides de l’impulsion.
LE CÂBLE DE CONNEXION
Impédance caractéristique du câble. En général, plus
l’impédance caractéristique du câble reliant l’EVV et le moteur
est faible, plus l’amplitude des réflexions aux bornes du
moteur est élevée. Ce facteur s’explique par le défaut
d’appariement des impédances du câble et du moteur.
Longueur du câble. De même, la longueur du câble
reliant l’EVV et le moteur influence l’amplitude des impulsions.
Plus la distance à franchir par l’impulsion est longue, plus
celle-ci est atténuée (réduite) par les pertes par effet Joule
dans le câble.
De plus, la longueur du câble peut contribuer au
dédoublement de la tension, qui survient lorsqu’une impulsion
réfléchie et une impulsion incidente se rencontrent aux bornes
du moteur. La longueur de câble critique peut être aussi
courte que 50 pieds (15 mètres) et aussi longue que
300 pieds (90 mètres), selon la fréquence des impulsions et
leur vitesse de propagation dans le câble. Les câbles courts
sont généralement moins sensibles à ce problème que les
câbles longs.
Diamètre des câbles de connexion. L’impédance d’un
câble de gros diamètre tend à être moins élevée que celle
d’un câble de petit diamètre; l’emploi de câbles
surdimensionnés accentue donc inutilement le défaut
d’appariement des impédances entre le moteur et les câbles.
Il en résulterait des réflexions de tension de plus grande
amplitude, ce qui augmente les risques que la tension aux
bornes du moteur dépasse les caractéristiques nominales.
Câble de connexion blindé. En général, un câble blindé
n’atténue pas les temps de montée rapides de l’impulsion
autant qu’un câble non blindé. Cependant, avec un câble
blindé, les impulsions parvenant aux bornes du moteur sont
de moindre amplitude si le blindage est mis à la terre au
moteur plutôt qu’à l’EVV. La mise à la terre au moteur
prévient également l’augmentation du potentiel à la terre le
long du câble.
Impédance caractéristique du moteur. Le défaut
d’appariement des impédances d’impulsion aux bornes du
moteur fait augmenter l’amplitude des temps de montée
rapides de l’impulsion. En fait, l’amplitude des impulsions peut
augmenter d’un facteur de deux (ou plus) aux bornes du
moteur.
Les impédances caractéristiques typiques au moteur
s’établissent à 1 500 ohms pour un moteur de 25 hp (20 kW)
et de 94 ohms pour un moteur de 400 hp (300 kW).
L’impédance caractéristique typique d’un câble branché à un
moteur électrique est inférieure à 100 ohms.
LA CONCEPTION D’UN EVV
Les plus récents types d’EVV avec MID, lorsque combinés
aux tout derniers circuits IGBT, présentent des temps de
montée de l’impulsion très rapides, inférieurs à
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Le rebobinage de moteurs EVV
Photo gracieuseté d’Essex Wire
Corrosion due à la production d’ozone et d’oxyde de diazote dans
les vides entre les conducteurs.
0,2 microseconde. Ces types d’entraînement sont
maintenant répandus, en particulier avec des moteurs de
moins de 200 HP (150 kW). Les temps de montée très
rapides de l’impulsion à haute amplitude augmentent l’énergie
stockée dans les câbles raccordés au moteur, ce qui
provoque des réflexions de grande amplitude aux bornes du
moteur. De plus, à mesure que s’accélèrent les temps de
montée de l’impulsion, la distribution de la tension dans le
bobinage devient de plus en plus inégale. Par conséquent,
avec de tels entraînements, la majeure partie de la tension
est appliquée sur la première spire de la bobine du moteur.
Dans les moteurs puissants (p. ex., 700 hp ou 500 kW),
on utilise des inverseurs de source de courant. Ayant une
teneur en harmoniques beaucoup plus élevée que les
entraînements avec MID, ces inverseurs produisent plus de
chaleur à cause des pertes par effet Joule dans la machine.
Un EVV à fréquences porteuses élevées produit des
temps de montée de l’impulsion plus rapides par unité de
temps; par conséquent, il impose plus souvent un stress à
l’isolant du moteur qu’un EVV à fréquences porteuses
inférieures.
LES CARACTÉRISTIQUES DE CONCEPTION DU MOTEUR
ET DU BOBINAGE
Plus la température du moteur augmente, moins est
élevée la tension à laquelle survient une décharge partielle.
Potentiel capacitif. Lorsqu’un moteur est assujetti à des
temps de montée rapides de l’impulsion, le couplage capacitif
entre le stator et le rotor pourrait contribuer à la défaillance
des roulements. Une division du potentiel capacitif se produit
entre le bobinage du stator, le rotor et les lames du stator ou
la terre, ce qui a pour effet d’appliquer sur le rotor une tension
de plusieurs centaines de volts au-dessus de la terre. Mal
contrôlée, cette tension peut dégrader la pellicule lubrifiante
des roulements et provoquer leur défaillance.
Calibre et isolant des fils. Le calibre de fil employé dans
le bobinage influence la tension à laquelle se produit une
décharge partielle. À tension égale, la décharge survient à un
voltage moins élevé dans les fils de petit diamètre que dans
les fils de gros diamètre.
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Photo gracieuseté d’Essex Wire
Vue en coupe montrant la dégradation du laquage avant une
défaillance causée par desdécharges partielles (effet couronne) et
l’ionisation des gaz dans les vides.
L’épaisseur et l’uniformité de l’isolant du fil sont également
des facteurs importants pour établir la capacité de l’isolant à
résister à des impulsions de grande amplitude. Les vides et
les entailles dans l’isolant sont d’autres facteurs importants
qui compromettent les caractéristiques de « tenue sous
tension » du fil.
Le matériau isolant du fil peut également influencer sa
« tenue sous tension ». Ainsi, les fils recouverts d’une
pellicule se dégradent généralement à des tensions moins
élevées que les fils gainés de verre ou isolés au mica.
De manière générale, l’épaisseur, l’emplacement et la
composition de l’isolation de phases et de terre constituent
des facteurs importants pour déterminer la capacité d’un
moteur à résister à des décharges partielles et à des temps
de montée rapides de l’impulsion pendant le fonctionnement
d’un EVV.
LA PRÉVENTION OU LA RÉDUCTION DES
DÉFAILLANCES DE MOTEUR
Les sources du problème étant connues, que peut faire le
représentant du service de l’EASA pour prévenir ou réduire
les défaillances de moteur associées à l’utilisation d’un EVV ?
Voici quelques pistes de solutions.
Analyser. Tout d’abord, il faut procéder à l’analyse
rigoureuse de la défaillance du moteur envoyé en réparation
afin de la localiser et d’en déterminer la cause. Il est en outre
utile de noter les caractéristiques du moteur ou du bobinage
qui pourraient être facilement modifiées pour améliorer leur
résistance aux temps de montée rapides de l’impulsion qui les
endommagent.
À cette étape, une bonne pratique consiste à discuter du
système moteur entraînement avec le client afin d’obtenir le
plus de renseignements possibles sur les conditions
d’exploitation. Il faut s’informer de la taille et de la longueur du
câble, et vérifier si celui-ci est ou non blindé. Le câble est-il
mis à la terre, et dans l’affirmative, à quelle extrémité ? Quel
est le type ou l’âge de l’EVV ? Y a-t-il des problèmes de
surchauffe du moteur ?
Réduire ou éliminer les impulsions ou l’amplitude
d’impulsion. Pour réduire ou éliminer le risque de
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Le rebobinage de moteurs EVV
défaillances d’un moteur causées par un EVV produisant des
temps de montée rapides de l’impulsion, il faut installer des
filtres ou des bobines de réactance. On peut les installer sur
les bornes du moteur, mais leur installation à la sortie de
l’entraînement permettra en outre de prévenir les surtensions
dans le câble.
LE REBOBINAGE
Lors du rebobinage d’un moteur, on peut prendre
certaines mesures pour améliorer sa résistance aux pannes
attribuables aux temps de montée rapides de l’impulsion.
Toutefois, les recommandations qui suivent ne s’appliquent
pas à tous les moteurs, mais seulement à ceux dont la
défaillance serait causée par les impulsions rapides d’un
EVV.
Fil de bobinage. Le premier aspect à prendre en compte
devrait être l’isolant du fil. On doit utiliser un fil à pellicule plus
épaisse, comme le fil à quatre couches. On peut également
utiliser un fil recouvert d’une pellicule à pouvoir diélectrique
élevé.
Les grands fabricants de câbles ont aussi mis au point de
nouveaux produits répondant à ce besoin, avec une pellicule
isolante d’épaisseur comparable à celle des gros câbles. Ces
produits ont été spécialement formulés pour résister à la
détérioration due à des temps de montée rapides de
l’impulsion.
Calibre de fil. Il faut également tenir compte du calibre du
fil. Les fils de gros calibre sont préférables aux fils de petit
calibre, qui ont tendance à favoriser une distribution de
tension non uniforme.
Isolation de phases et de mises à la terre. Ensuite, il
faut utiliser des matériaux plus épais ou dotés d’un pouvoir
diélectrique supérieur pour l’isolation des phases et des mises
à la terre. Pour une protection supplémentaire, certains
centres de service posent également une gaine sur la
première spire du bout de ligne du moteur.
Essais. Pendant l’installation de la bobine, des essais
supplémentaires peuvent aider à s’assurer que le matériau et
les méthodes choisis pour le rebobinage produiront les
résultats voulus. Ainsi, les bobines peuvent être soumises à
des tests de surtension avant l’installation, après l’installation
et le calage, et après le branchement, mais avant
l’imprégnation sous pression négative.
Vernissage et imprégnation sous pression négative.
La résine devrait être appliquée sur le bobinage par
imprégnation sous pression négative, processus qui permet
de combler presque tous les vides dans le bobinage et de
s’assurer que le laquage à la résine est le plus complet
possible. En l’absence d’équipement d’imprégnation sous
pression négative, des trempages supplémentaires dans le
vernis aideront à combler les vides entres les conducteurs
dans le bobinage.
Roulements. Si le problème initial est une défaillance des
roulements, le moteur peut être réassemblé avec un
roulement isolé. Autrement, un balai de mise à la terre de
l’arbre peut être installé pour éviter l’accumulation de tensions
dangereuses dans l’arbre.
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Système d’isolement. Si le problème découle de la
surchauffe d’un moteur à rendement standard, il faut installer
des matériaux isolants dont la température nominale est plus
élevée. De plus, il faut s’assurer qu’il ne s’agit pas d’une
conception C ou D de la NEMA, car le rotor de ces moteurs
surchauffe lorsqu’il fonctionne avec un EVV avec MID. (La
résistance plus élevée du bobinage de rotor de ces
conceptions cause des pertes plus élevées dans le rotor, et la
température de fonctionnement du moteur peut donc
dépasser les valeurs nominales.) Avec des EVV, on doit se
limiter à la conception A ou B de la NEMA.
AUTRES FACTEURS
Il n’est pas nécessairement possible d’effectuer tous les
changements mentionnés ci-après à l’occasion d’une
réparation donnée. Néanmoins, il est utile de tenir compte de
ces éléments dans l’évaluation de la capacité d’un moteur à
bien fonctionner avec un EVV.
S’il faut remplacer des lames d’un rotor ou d’un stator, on
peut en fabriquer de nouvelles avec des aciers spéciaux qui
réduisent les courants de fuite et les pertes de courants de
Foucault dans le stator et le rotor. Cette pratique atténuera
d’éventuels problèmes de surchauffe dans un moteur qui sera
employé avec un EVV.
Lorsque le moteur est couplé à un EVV, les impulsions à
haute fréquence et les signaux porteurs peuvent produire une
montée de température par effet pelliculaire qui augmente de
manière exponentielle avec la fréquence. Dans les
réparations où il faut remplacer les lames, la géométrie des
fentes du stator et du rotor peut être modifiée pour améliorer
la dissipation de la chaleur et réduire le réchauffement par
effet pelliculaire.
Dans certains moteurs plus gros, la conception de l’arbre
peut être révisée de manière à ce que les vitesses critiques
soient supérieures à la vitesse nominale, plutôt qu’inférieures
comme c’est habituellement le cas. On empêche ainsi un
fonctionnement prolongé à des vitesses critiques.
Les cinquième et septième harmoniques que peut
produire un EVV peuvent causer des pulsations du couple de
l’arbre. Ce phénomène, lorsqu’il s’ajoute à la résonance
mécanique, peut endommager les arbres, les rouages et les
couplages. Si l’on constate des dommages de ce type et que
le moteur est branché à un EVV, il faut vérifier la possibilité de
conditions de résonance.
Si le moteur doit fonctionner régulièrement à une vitesse
supérieure à la vitesse nominale, il faut peut-être installer des
roulements différents capables de résister à la vitesse plus
grande de l’arbre. De plus, la conception du rotor pourrait
devoir être modifiée pour lui permettre de résister aux forces
centripètes plus élevées. En tout état de cause, consulter le
fabricant du moteur pour établir si le moteur est adapté à ce
type de service.
Des normes NEMA, IEEE et CEI s’appliquent aux moteurs
fonctionnant avec des EVV. Toutefois, dans leur forme
actuelle, ces normes impliquent seulement que le moteur
fonctionnera de manière satisfaisante lorsqu’il est exposé à
des temps de montée rapides de l’impulsion. Elles ne
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Le rebobinage de moteurs EVV
proposent pas de méthode d’essai permettant de confirmer
qu’un moteur pourra y résister.
SOMMAIRE
Le fonctionnement et la réparation de moteurs soumis à
des temps de montée rapides de l’impulsion constituent un
sujet complexe. Il existe des méthodes et des matériaux
permettant d’atténuer les dommages provoqués par les temps
de montée rapides de l’impulsion. On espère disposer bientôt
d’autres produits et techniques qui permettront d’améliorer
encore la capacité d’un moteur à fonctionner dans ces
conditions difficiles.
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Nota : Article originalement publié en février 1999.
Electrical Apparatus Service Association, Inc.
1331 Baur Boulevard ● St. Louis, MO 63132 U.S.A. ● (314) 993-2220 ● Téléc. : (314) 993-1269
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