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Dommages aux roulements dus aux variateurs de vitesses (VDV) PWM

L'article technique suivant est un sommaire exécutif d'une parution technique complète d'un rapport IEEE publié par la division Industrielle de TOSHIBA INTERNATIONAL.

La performance et la fiabilité des variateurs de vitesses (VDV) s'améliorent continuellement avec les années. Les principales raisons furent l'avènement, le développement et l'utilisation des VDV de type PWM (modulation à largeur d'ondes variables=Pulse Width Modulation). Ceci fut permis grâce aux nouveaux transistors bipolaires à porte isolée (IGBT) développés et brevetés par la compagnie TOSHIBA. Cependant, avec chaque grande invention ou révolution parfois viennent aussi des inconvénients. Un nombre important de bris de roulements prématurés furent observés très rapidement après l'utilisation de VDV avec les moteurs dans les années 90. Afin de contrer ce courant qui circule et endommage les roulements des moteurs, mais aussi potentiellement ceux des équipements entraînés, il est important de comprendre comment ils sont générés afin de bien protéger vos équipements et minimiser les pertes de production potentielle.

Figure 1 : Courant circulant Inductif

Le phénomène du voltage induit à l'arbre du moteur produisant ainsi un courant circulant en boucle est connu depuis les années 20. Lorsqu'un moteur est opéré sur une alimentation en courant alternatif, le voltage présent à l'arbre est causé par une alternance de flux lié à l'arbre. Ce lien est associé avec le débalancement du flux électrique causé par plusieurs facteurs :

• L'excentricité statique ou dynamique du rotor ;

• Encoches au niveau du rotor et stator ;

• Trous axiaux de ventilation présents dans les laminations du rotor et / ou stator ;

• Chemin de clé ;

• Supports structuraux pour maintenir le stator en place ;

• Joints / espaceurs pour ventilation entre laminations assemblées ;

• Propriétés directionnelles des matériaux magnétiques ;

• Débalancement de l'alimentation ou conditions transitoires ;

Figure 2 : Circulation de courant couplé
capacitivement

Figure 7: Chemin d'accès à la terre des courants
modeaux communs (CMC)

Les voltages induits à l'arbre ainsi générés et excédents 300 mV imposent qu'au moins un roulement soit isolé afin de prévenir une circulation du courant soit de couper la boucle qui endommagerait les roulements (voir figure 1) par son passage. Ce phénomène inhérent aux moteurs de plus gros calibre sans VDV se produit typiquement sur des bâtis 500 et plus. Une pratique courante est d'isoler le roulement du côté opposé à l'arbre. Si le roulement du côté arbre du moteur est isolé, il se produit alors un chemin potentiel pour le courant à travers l'arbre jusqu'à l'équipement entraîné, ce qui complète la boucle et peut endommager les roulements de ceux-ci.

En effet, les VDV de type PWM utilisent des transistors qui peuvent causer une augmentation du courant circulant dû au flux de haute fréquence généré par les courants modaux communs (common mode current) qui relie le stator, rotor et la boucle des roulements. C'est un effet inductif plutôt que capacitif qui se produit. Les moteurs deviennent plus asymétriques à haute fréquence parce que les courants de haute fréquence dépendent principalement de l'emplacement des premiers tours dans les encoches du stator. Puisque l'emplacement des premiers tours dans un bobinage à fils jetés (random wound) n'est pas contrôlé parfaitement par les manufacturiers de moteurs, même un moteur symétrique à basse fréquence peut devenir asymétrique à haute fréquence.

En surplus, les VDV utilisant des transistors de type IGBT ou BJT, ce qui constitue la grande majorité des VDV à basse tension, peuvent causer des courants de décharges électriques (EDM = Electric Discharge machining current). Les VDV de type PWM excitent le couplage capacitif entre le bobinage du stator, le rotor et le bâti. Ce courant ainsi généré ne circule pas mais voyage plutôt directement à la terre (voir fig. 2). Le chemin à la terre se fait encore une fois soit par les roulements du moteur et / ou les roulements de l'équipement entraîné (voir fig. 7). L'article technique publié dans IEEE couvre entièrement ce phénomène et fait l'analyse en détail des solutions potentielles.

L'existence des courants de type EDM avec les VDV de type PWM dépend de la présence des conditions suivantes :

1. Excitation qui est produite par la source de voltage à la mise à la terre ;

2. Un mécanisme capacitif entre rotor et stator ;

3. Une accumulation de voltage qui dépend de l'existence de la capacité des roulements.

Conclusion

Lorsqu'un roulement lâche, spécialement lorsque entraîné par un VDV de type PWM, les roulements et la graisse doivent être examinés par un atelier de réparation compétent & qualifié afin de déterminer la cause du bris exact. Si les dommages sont bel et bien dus aux courants EDM, des mesures correctives doivent être prises immédiatement :

Il y a plusieurs solutions simples et complexes pour solutionner ou prévenir les courants circulants mais voici les plus simples et communes :

1. Choisir une fréquence porteuse entre 1500 et 3000Hz si possible. Cela diminue de façon significative l'énergie transférée au rotor mais est plus bruyante en général ;

2. Isoler les deux roulements du moteur pour prévenir toute boucle de courant ainsi que l'accouplement, les équipements auxiliaires (tachy-mètre) ou les roulements des équipements entraînés. Ceci peut être fait sur les équipements de plus gros calibres et l'on doit s'informer auprès du manufacturier de VDV et / ou moteur et idéalement le même pou minimiser les risques ;

3. Ajouter une brosse de mise à la terre idéalement du côté opposé à l'arbre du moteur ;

4. S'assurer que le bâti du moteur possède une bonne mise à la terre pour contrer les courants de hautes fréquences. Cela prévient les courants provenant du stator de circuler à l'équipement mécanique connecté via les roulements du moteur ou brosse de mise à la terre ;

5. Changer le câble à la grosseur et au type recommandés pour minimiser les courants modaux communs. Les tests ont démontré que les câbles ayant un blindage continu ont procuré les plus bas courants modaux communs en plus des plus bas voltages à l'arbre. Le câble recommandé pour les VDV de type PWM afin de minimiser les problèmes possède 6 conducteurs symétriques, 3 phases et 3 fils de mise à la terre ainsi qu'une gaine d'aluminium ondulé & blindé ;

6. Comme mesure temporaire, utiliser de la graisse conductrice. Lorsqu'une graisse à haute résistivité est employée, les roulements flottent sur un mince film d'huile et les caractéristiques du circuit équivalent change de résistif à capacitif. Si le voltage induit au rotor dépasse la limite de décharge du film d'huile (capacité diélectrique) entre les billes du roulement et sa cage, la décharge électrique des courant EDM se produit ;

Toutes les nouvelles installations doivent être conçues avec ce phénomène en tête et prendre les mesures discutées dans ce document. Cela est particulièrement important si de hautes fréquences porteuses sont prévues d’être utilisées.

Jean-François Allard est Ingénieur d’application pour l’Est du Canada et peut être joint au (450) 224-9677 ou via courriel : jeanfrancois.allard@tic.toshiba.com ou visitez le site Internet au www.tic.toshiba.com