Pourquoi et comment choisir un variateur de vitesse (partie3/3)

Voici la troisième partie de cette série après un petit répit de l’été... Ils couvraient les raisons principales de choisir un VDV, les considérations de l’application et aussi, les points techniques importants à considérer dans votre analyse comme: voltage, hp, charge, accélération, inertie, survitesse, boîtier, ventilation, harmoniques, temps de montée, pointes de tension, efficacité, etc…J’ai donc choisi d’expliquer plus en détails la relation entre l’isolation d’un moteur et l’impact du Variateur de Vitesse (VDV) sur celui-ci.

Un impact important dans l’application d’un VDV sur un moteur est le stress que celui-ci cause à l’isolation du moteur. Pour comprendre ce phénomène, il faut d’abord retourner à la base du fonctionnement d’un VDV. En tout premier lieu, le VFD est alimenté en courant alternatif (CA) qu’il convertit directement en courant continu (CC) via ses diodes à l’entrée. Le tout est ensuite lissé par les condensateurs qui eux redressent du même coup, le facteur de puissance du moteur avant de retourner à l’alimentation. Nous reproduisons par la suite une inversion du CC au CA avec des transistors bipolaires (IGBT), inventé par Toshiba, contrôlés par l’algorithme de la carte maîtresse du VFD. L’onde de sortie est donc produite par l’ouverture et la fermeture des transistors combinés à une vitesse de montée extrêmement rapide, créant du même coup des pointes de tension qui peuvent être importantes. Ce stress additionnel sur l’isolation du moteur peut aussi être drastiquement amplifié par la distance entre moteur et VFD. Cela est une considération importante que les manufacturiers de VDV doivent prendre en considération lors du design de VDV afin de maximiser la vie des moteurs.

La fréquence porteuse d’un VDV est à toute fin pratique la vitesse à laquelle le transistor fait feu, i.e. la vitesse d’ouverture et de fermeture pour créer une onde à la sortie que l’on appelle du C.A. pulsé en forme près d’un sinus. En augmentant la fréquence porteuse, nous créons plus de pulses par unité de temps et une forme d’onde encore plus près du sinus original à l’entrée du VDV. Les bénéfices d’une fréquence porteuse élevée sont: moins d’échauffement au moteur et un bruit électrique moins audible. Cependant, il n’y a pas que des avantages ni de miracles, car on obtient, du même coup, des pointes de tension plus importantes à l’extrémité des pulses; ce qui endommage le système d’isolation davantage ainsi que potentiellement, des courants circulants qui vont à la masse tout en passant par les roulements du moteur, créant ainsi d’autres problèmes de fiabilité pour le moteur. La fréquence porteuse pour la plupart des VDV industriels varie de 2 000 à 16 000 pulses par secondes (2-16 KHz)!!!

Les moteurs à induction standard sont conçus pour opérer sur un sinus parfait provenant d’Hydro-Québec ou autre. Lors de l’introduction plus massive des VDV dans les années 90, nous avons commencé à voir des moteurs avec des problèmes sévères de fiabilité au niveau de l’isolation. Depuis ce temps, la norme NEMA MG-1-1998, Section IV, Partie 31, a adressé ce point en spécifiant un temps de montée (rise time) et un système d’isolation au moteur pouvant soutenir des pointes de voltages [Vpointe= 1.1 x 2 x (√2) x Vnom. = 3.1 x Vnom, temps de montée ≥ 0.1µs]. De plus, la distance entre le moteur et le VDV doit aussi être évaluée, car elle peut amplifier significativement ce phénomène et cela varie d’un manufacturier à l’autre. Il est important de consulter le manuel d’opération du VDV avant de savoir si un filtre est requis ou non et surtout, à partir de quelle distance. À de courtes distances de moins de 50-100 pieds, le voltage peut être typiquement de l’ordre de 800-900 volts aux bornes du moteur (voir graphique ici-bas).

Lorsque la distance augmente au-dessus de 200 pieds, l’on remarque des phénomènes de résonnance et réflexion qui vont augmenter les pointes de tension (Vpointe) jusqu’à des valeurs au-dessus de 2 000 volts (voir graphique ici-bas)!!! Il y a bien sûr, d’autres méthodes de pallier à ce problème en utilisant des filtres entre moteur et VDV spécialement conçus pour enlever ces pointes de tension avant d’arriver au moteur.

Par exemple, les VDV fabriqués par Toshiba permettent d’opérer un moteur avec fiabilité jusqu’à 200 pieds sans aucun filtre, avec une fréquence porteuse au-dessus de 5 KHz et ce, sans l’ajout d’aucun câble spécial avec notre série de moteur EQPIII.

CONCLUSIONS AU SUJET DU STRESS DE L’ISOLATION DES MOTEURS

• Une fréquence porteuse ajustée le plus bas possible est toujours la meilleure façon de maximiser l’isolation du moteur si le son ambiant n’est pas un problème;

• Un temps de montée de l’ordre de 0.2 µs diminue de beaucoup les pointes de tension émises au moteur et permet en général d’augmenter la distance entre moteur et VDV;

• Spécifiez un moteur qui rencontre la norme NEMA MG1, partie 31 au niveau de l’isolation afin de maximiser la durée de vie de votre moteur;

• Les VDVs ne sont pas tous égaux! Vérifiez avec le manufacturier pour ses recommandations de distance, son temps de montée, la capacité des transistors, de ses diodes, etc...Certains VDVs ont des pointes de tension plus importantes que d’autres et des temps de montée plus rapides, ce qui affecte directement l’isolation du moteur en réduisant sa vie et augmentant votre risque d’arrêt de votre production.

Jean-François Allard Ingénieur d’application
pour Toshiba Division Industrielle – Moteurs et Variateurs
(514) 773-9677 jeanfrancois.allard@tic.toshiba.com