Courants dans les roulements induits par les variateurs de fréquence (VFD) sont des décharges électriques parasites qui traversent les roulements d'un moteur parce que les commutations rapides d'un variateur de fréquence laissent une tension sur l'arbre sans voie de dissipation appropriée.
Si rien n'est fait, cette décharge érode lentement par étincelage les pistes des roulements jusqu'à ce qu'un moteur qui devrait fonctionner pendant des années tombe en panne en quelques mois, et la réparation consiste à aléser, une opération bien comprise et peu coûteuse comparée à la panne.
Un variateur de fréquence n'alimente pas une sinusoïde propre. Il la recompose à partir de milliers d'impulsions rapides de courant continu (modulation de largeur d'impulsion, ou PWM) commutées par des transistors IGBT, généralement avec une fréquence porteuse située quelque part entre 2 et 16 kHz.
Chaque front d'impulsion monte de zéro jusqu'à la pleine tension du bus CC en une fraction de microseconde, comparé aux quelques millisecondes nécessaires à une sinusoïde du réseau pour passer de zéro au pic.
Ce front rapide est tout le problème: ce n'est pas la fréquence de fonctionnement du moteur qui endommage les roulements, c'est la vitesse de commutation de l'étage de sortie du variateur.
Dans un système triphasé sain, la somme instantanée des trois tensions de phase est nulle. La commutation PWM ne maintient pas cette somme nulle à chaque instant, de sorte qu'une tension résiduelle « en mode commun » apparaît entre les enroulements du stator et la carcasse du moteur reliée à la terre.
Cette tension de mode commun se couple à travers le petit entrefer entre stator et rotor via des capacités parasites, de la même manière qu'un condensateur couple un signal alternatif à travers une isolation.
Le résultat est une tension qui apparaît sur le rotor et, comme le rotor et l'arbre forment une pièce d'acier électriquement continue, sur l'arbre lui-même.
Un roulement à éléments roulants n'est pas une connexion électrique solide entre l'arbre et la carcasse. Un film microscopiquement fin de lubrifiant sépare les billes ou rouleaux des pistes, et ce film se comporte à la fois comme un petit condensateur et comme une barrière diélectrique.
Tant que la tension sur l'arbre reste faible, le film isole. Une fois que la tension à travers le film dépasse sa résistance diélectrique, le film se perce et une brève étincelle intense le franchit, exactement comme un petit événement d'électroérosion (EDM).
C'est pourquoi l'industrie appelle ce mode de défaillance « dommage par courant d'EDM dans les roulements »: la physique est la même que celle utilisée délibérément en usinage par électroérosion, simplement indésirable et incontrôlée.
Chaque décharge enlève une quantité microscopique de métal de la piste et de la surface de la bille. Pris isolément, une étincelle n'est rien. Répété des milliers de fois par seconde pendant le fonctionnement, les dommages s'accumulent selon une progression reconnaissable :
Parce que le fluting présente une signature directionnelle et structurée plutôt que le piquetage aléatoire typique d'une contamination ou d'une défaillance de lubrification, il figure parmi les modes de défaillance des roulements et symptômes les plus distinctifs parmi les entrées courantes.
La NEMA MG1 Partie 31 recommande de considérer l'isolation des roulements dès que la tension crête sur l'arbre dépasse 300 millivolts, et elle le signale spécifiquement pour les moteurs de carcasse généralement 500 et plus. L'IEC TS 60034-25 donne des recommandations similaires côté international, recommandant un roulement isolé à l'extrémité non entraînée pour les machines de grande taille alimentées par onduleur afin de rompre le chemin de courant circulant. Le risque augmente avec la taille de la carcasse du moteur, avec des longueurs de câble moteur plus importantes (qui augmentent la tension d'onde réfléchie vue aux bornes du moteur), et avec des réglages de fréquence porteuse PWM plus élevés, puisque plus d'événements de commutation par seconde signifient plus d'occasions de décharge par seconde.
| Facteur de risque | Effet sur le risque de courant dans les roulements |
|---|---|
| Taille de carcasse plus grande (NEMA 500+ selon MG1 Partie 31) | Plus élevé ; la norme signale spécifiquement une revue de l'isolation |
| Longs câbles moteur | Plus élevé ; augmente la contrainte de tension d'onde réfléchie |
| Haute fréquence porteuse PWM | Plus élevé ; plus de fronts de commutation par seconde |
| Carcasse du moteur non mise à la terre ou mal équipotentielle | Plus élevé ; le courant de mode commun cherche tout chemin disponible, y compris le roulement |
Une bague de mise à la terre de l'arbre se monte autour de l'arbre et fournit un chemin à faible impédance de l'arbre vers la carcasse du moteur qui contourne entièrement le roulement, en utilisant des microfibres conductrices ou un élément de contact continu similaire plutôt que de compter sur le film lubrifiant du roulement pour conduire le courant.
Correctement installée et entretenue, elle offre au courant de mode commun un chemin facile avant qu'il ne puisse accumuler une tension suffisante pour percer le film d'huile.
C'est l'une des défenses les moins coûteuses et elle est généralement ajoutée à l'extrémité non entraînée du moteur, qui est aussi l'endroit où les classes d'isolation du moteur et le choix des roulements sont évalués ensemble lors d'une modernisation par variateur.
Un roulement isolé utilise un revêtement céramique ou des éléments roulants hybrides en céramique pour rompre électriquement le circuit sur un roulement, généralement l'extrémité non entraînée, afin que le courant ne puisse pas compléter un chemin à travers ce roulement.
Cela n'élimine pas la tension de mode commun; cela lui refuse seulement un passage par le roulement protégé.
Comme le courant cherchera toujours le chemin de plus faible résistance, isoler un roulement sans traiter la tension sur l'arbre à sa source peut pousser davantage de courant à travers l'autre roulement non protégé, c'est pourquoi les roulements isolés sont généralement associés à une bague de mise à la terre de l'arbre plutôt que utilisés seuls.
Un filtre dv/dt se place entre le variateur et le moteur et ralentit la pente de montée de tension à chaque front de commutation, réduisant le dv/dt rapide qui provoque en premier lieu le couplage capacitif vers la tension de mode commun.
Les réacteurs de sortie offrent une version plus légère et moins coûteuse de la même idée pour les courtes longueurs de câble.
Parce que ces dispositifs traitent la tension à sa source plutôt que de la détourner après coup, ils constituent la solution la plus complète, particulièrement sur les nouvelles installations avec de longs câbles où les effets d'onde réfléchie aggravent le problème, et ils se combinent bien avec des contrôles de la qualité de l'alimentation sur l'ensemble de l'alimentation.
Aucune de ces défenses ne nécessite de conjectures une fois qu'une usine sait quels moteurs sont à risque: tout moteur alimenté par variateur de fréquence de carcasse NEMA 500 ou plus, tout moteur sur une longue course de câble, et tout moteur montrant déjà cette signature de vibration en planche à laver.
La tension sur l'arbre peut être mesurée directement avec un oscilloscope et une brosse de mise à la terre, et des contrôles périodiques de vibration et thermiques (voir thermographie vs analyse vibratoire ) détectent le fluting avant qu'il ne devienne une panne.
Fabrico lit l'état des machines et l'OEE directement à la ligne et redirige automatiquement un ordre de travail au moment où une perte telle qu'un fluting en phase précoce apparaît, attrapant ce qu'un seul seuil de capteur fixe manquerait
et il fonctionne avec une infrastructure européenne et une résidence des données en UE sous ISO 27001, ISO 20000-1 et ISO 9001. Réservez une démo Fabrico pour le voir sur votre propre ligne.
Tout moteur piloté en PWM développe une certaine tension de mode commun sur l'arbre.
Le fait que cela devienne dommageable dépend de l'amplitude de la tension sur l'arbre, de la taille de la carcasse du moteur, de la longueur du câble, de la qualité de la mise à la terre et de l'équipotentialité, et de la fréquence porteuse.
Les petits moteurs sur de courtes liaisons câblées bien équipotentielles à basse fréquence porteuse fonctionnent souvent pendant des années sans problème.
Oui. Les bagues de mise à la terre de l'arbre sont conçues comme un accessoire qui se monte autour de l'arbre exposé, typiquement au couvercle du ventilateur de l'extrémité non entraînée, sans nécessiter de rebobinage du moteur ni de remplacement du roulement.
L'analyse vibratoire est la principale méthode non invasive. Le fluting produit une signature vibratoire distinctive à des fréquences liées aux fréquences de passage des billes et de la cage du roulement, qui apparaît clairement sur un spectre avant que le roulement ne soit démonté pour confirmation visuelle.
Non. La mise à la terre de la carcasse est nécessaire pour la sécurité et pour offrir au courant de mode commun un chemin de retour vers le variateur, mais elle n'empêche pas ce courant de prendre aussi un raccourci à travers le roulement. La mise à la terre de l'arbre, les roulements isolés et les filtres dv/dt traitent directement le chemin spécifique au roulement.
Connexion
Blog
