le blog À propos L'étude examine les défaillances motrices prématurées dans les systèmes VFDDriven

Les moteurs électriques servent de "cœur" de la production industrielle, tandis que les variateurs de fréquence (VFD) agissent comme les dispositifs essentiels contrôlant ce battement de cœur. Cependant, une tendance alarmante est apparue : un nombre croissant de moteurs subissent des défaillances prématurées lorsqu'ils sont entraînés par des VFD, ce qui entraîne des coûts d'exploitation plus élevés et des perturbations potentielles de la production. Cela soulève des questions importantes : ces défaillances sont-elles un coût inévitable du progrès technologique, ou sont-elles des conséquences évitables d'une mise en œuvre incorrecte ?

Les variateurs de fréquence sont devenus omniprésents dans les applications industrielles modernes, prisés pour leur efficacité énergétique et leurs capacités de contrôle précis des processus. À mesure que les VFD deviennent la solution privilégiée pour le fonctionnement des moteurs, leurs impacts négatifs potentiels sur la longévité des moteurs passent souvent inaperçus jusqu'à ce que des défaillances prématurées se produisent. Cette analyse examine quatre principaux modes de défaillance des moteurs entraînés par des VFD et présente des solutions concrètes pour prolonger la durée de vie des équipements et maintenir la stabilité de la production.

Les VFD utilisent la technologie de modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour simuler des ondes sinusoïdales CA pour le contrôle des moteurs. Cependant, les formes d'onde PWM génèrent des temps de montée de tension raides et des tensions de crête élevées qui dégradent progressivement l'isolation des enroulements. Cet effet devient particulièrement prononcé dans les moteurs plus anciens ou ceux avec des classes d'isolation inférieures.

Solution : Les "moteurs classés VFD" spécialement conçus (également appelés moteurs à service d'onduleur) intègrent des matériaux d'isolation de qualité supérieure et des configurations d'enroulement optimisées pour résister aux contraintes de tension. La norme NEMA MG1 Partie 31 définit spécifiquement les exigences pour ces moteurs, exigeant des systèmes d'isolation supérieurs capables de supporter le fonctionnement des VFD.

Même les moteurs classés VFD restent vulnérables aux dommages des roulements causés par les courants d'arbre - un phénomène causé par les tensions de mode commun générées par les VFD. Ces tensions créent des différences de potentiel entre l'arbre du moteur et le châssis, entraînant une décharge de courant à travers les roulements. L'arc électrique qui en résulte crée des piqûres microscopiques et des motifs de cannelures qui accélèrent la défaillance des roulements par un processus appelé érosion électrique.

Solution : Bien que l'élimination complète s'avère difficile, plusieurs stratégies d'atténuation existent :

• Anneaux de mise à la terre de l'arbre : Des balais ou des fibres conducteurs installés sur les arbres des moteurs fournissent un chemin à faible résistance vers la terre, contournant les roulements.
• Brides de mise à la terre : Une liaison correcte entre les châssis des moteurs et les systèmes de mise à la terre des équipements réduit les tensions de mode commun.
• Roulements isolés : Les roulements en céramique ou revêtus interrompent les chemins de courant, mais entraînent des primes de coût importantes.
• Montage isolé : L'isolation électrique des bases des moteurs empêche la circulation du courant à travers les connexions mécaniques.

Bien que les VFD excellent dans les économies d'énergie grâce à la réduction de la vitesse, un fonctionnement plus lent diminue proportionnellement la capacité de refroidissement des ventilateurs montés sur l'arbre. Un fonctionnement prolongé à basse vitesse crée une contrainte thermique qui accélère le vieillissement de l'isolation et réduit la durée de vie du moteur, même à des vitesses modérément inférieures aux valeurs nominales.

Solution : Deux approches principales permettent de relever les défis de refroidissement :

• Moteurs à facteur de service plus élevé : Les moteurs avec des facteurs de service de 1,15 ou plus offrent une capacité thermique supplémentaire, bien que les effets des VFD puissent réduire cette marge.
• Systèmes de refroidissement indépendants : Les ventilateurs de refroidissement alimentés séparément maintiennent un débit d'air adéquat quelle que soit la vitesse du moteur, ce qui est crucial pour un fonctionnement prolongé à basse vitesse.

Les applications nécessitant de longues longueurs de câbles entre les VFD et les moteurs sont confrontées à des défis uniques. Lorsque les longueurs de câbles dépassent environ 30 mètres, les réflexions de la forme d'onde PWM peuvent se superposer, créant des pics de tension aux bornes du moteur qui dépassent les capacités de tenue de l'isolation. Ces surtensions transitoires réduisent considérablement la durée de vie du moteur.

Exemple de cas : Une installation a subi huit défaillances catastrophiques de moteurs Baldor de 500 CV classés VFD en trois mois en raison de pics de tension dépassant 1500 V provenant de longues longueurs de câbles.

Solution : Plusieurs approches techniques existent :

• VFD PWM doux : Les fréquences de commutation réglables réduisent les transitoires de tension tout en maintenant la conformité à la norme NEMA MG1 Partie 31.
• Filtres dV/dt : Ces dispositifs limitent les taux de montée de la tension, limitant généralement les pics du système 480 V à près de 975 V.
• Filtres sinusoïdaux : La solution la plus efficace (et la plus coûteuse) convertit les sorties PWM en formes d'onde quasi sinusoïdales, limitant les pics en dessous de 800 V.

Une atténuation réussie nécessite une mise en œuvre coordonnée à tous les niveaux organisationnels. Les équipes de maintenance doivent comprendre les mécanismes de défaillance, tandis que les spécialistes des achats doivent spécifier les normes d'équipement appropriées. Le personnel d'ingénierie doit évaluer les exigences spécifiques de chaque application pour sélectionner les solutions optimales équilibrant les performances, la fiabilité et le coût.

Une maintenance préventive régulière et une surveillance de l'état restent essentielles pour la détection précoce des problèmes dans les systèmes entraînés par des VFD. L'imagerie thermique, l'analyse des vibrations et les tests de résistance d'isolement fournissent des informations précieuses sur les problèmes en développement avant que des défaillances catastrophiques ne se produisent.