Les moteurs électriques jouent un rôle vital dans notre vie quotidienne - là où nous vivons, travaillons et jouons.En termes simples, ils font bouger presque tout ce qui bouge.Près de 70 % de l'électricité consommée par l'industrie est utilisée par des systèmes de moteurs électriques.1

Environ 75 % des moteurs industriels en fonctionnement sont utilisés pour faire fonctionner des pompes, des ventilateurs et des compresseurs, une catégorie de machines très susceptible d'améliorations majeures de l'efficacité2.Ces applications fonctionnent souvent à vitesse constante, tout le temps, même lorsqu'elles ne sont pas nécessaires.Ce fonctionnement constant gaspille de l'énergie et produit des émissions de CO2 inutiles, mais en contrôlant la vitesse d'un moteur, nous pouvons réduire la consommation d'énergie, économiser de l'énergie et réduire l'impact environnemental.

Une façon de contrôler la vitesse d'un moteur consiste à utiliser un variateur de vitesse (VSD), un dispositif qui régule la vitesse de rotation d'un moteur électrique en faisant varier la fréquence et la tension fournies au moteur.En contrôlant la vitesse d'un moteur, un variateur peut réduire la consommation d'énergie (par exemple, réduire la vitesse de l'équipement rotatif de 20 % peut réduire les besoins en puissance d'entrée d'environ 50 %3) et fournir une amélioration considérable du contrôle du processus et des économies importantes sur le coût de fonctionnement tout au long de la vie des moComme les VSD sont utiles pour économiser de l'énergie dans de nombreuses applications, ils peuvent provoquer une panne prématurée du moteur s'ils ne sont pas correctement mis à la terre.Bien qu'il existe de nombreuses causes différentes de pannes de moteurs électriques, le problème le plus courant lors de l'utilisation d'un variateur est la défaillance des roulements causée par la tension de mode commun.

Dommages causés par la tension de mode commun

Dans un système CA triphasé, la tension de mode commun peut être définie comme le déséquilibre présent entre les trois phases créé par la puissance modulée en largeur d'impulsion du variateur, ou la différence de tension entre la masse de la source d'alimentation et le point neutre des trois phases. charge des phases.Cette tension de mode commun fluctuante induit électrostatiquement une tension sur l'arbre du moteur, et cette tension d'arbre peut se décharger à travers les enroulements ou à travers les roulements.Les conceptions techniques modernes, l'isolation de phase et le fil résistant aux pointes de l'onduleur peuvent aider à protéger les enroulements ;cependant, lorsque le rotor voit une accumulation de pointes de tension, le courant recherche le chemin de moindre résistance à la terre.Dans le cas d'un moteur électrique, ce chemin traverse directement les roulements.

Étant donné que les roulements du moteur utilisent de la graisse pour la lubrification, l'huile dans la graisse forme un film qui agit comme un diélectrique, ce qui signifie qu'il peut transmettre les forces électriques sans conduction.Au fil du temps cependant, ce diélectrique se décompose.Sans les propriétés isolantes de la graisse, la tension de l'arbre se déchargera à travers les roulements, puis à travers le carter du moteur, pour atteindre la terre électrique.Ce mouvement de courant électrique provoque un arc dans les roulements, communément appelé usinage par décharge électrique (EDM).Comme cet arc continu se produit au fil du temps, les surfaces de la bague de roulement deviennent cassantes et de minuscules morceaux de métal peuvent se briser à l'intérieur du roulement.Finalement, le matériau endommagé se fraye un chemin entre les billes et les pistes du roulement, provoquant un effet de meulage, qui peut produire des piqûres de la taille d'un micron, appelées givrage, ou des arêtes en forme de planche à laver dans le chemin de roulement du roulement, appelées cannelures.

Certains moteurs peuvent continuer à fonctionner à mesure que les dégâts s'aggravent progressivement, sans aucun problème notable.Le premier signe d'endommagement des roulements est généralement un bruit audible, dû aux billes de roulement qui se déplacent sur les zones piquées et givrées.Mais au moment où ce bruit se produit, les dommages sont généralement devenus suffisamment importants pour qu'une défaillance soit imminente.

Fondé sur la prévention

Les applications industrielles ne rencontrent généralement pas ces difficultés de roulement sur les moteurs à vitesse variable, mais dans certaines installations, telles que les bâtiments commerciaux et la manutention des bagages dans les aéroports, une mise à la terre robuste n'est pas toujours disponible.Dans ces cas, une autre méthode doit être utilisée pour détourner ce courant des roulements.La solution la plus courante consiste à ajouter un dispositif de mise à la terre de l'arbre à une extrémité de l'arbre du moteur, en particulier dans les applications où la tension de mode commun peut être plus répandue.Une masse d'arbre est essentiellement un moyen de connecter le rotor tournant du moteur à la masse via le châssis du moteur.L'ajout d'un dispositif de mise à la terre de l'arbre au moteur avant l'installation (ou l'achat d'un moteur avec un pré-installé) peut être un petit prix à payer par rapport au prix des coûts de maintenance associés au remplacement des roulements, sans parler des coûts élevés de temps d'arrêt dans une installation.

Il existe plusieurs types courants de dispositifs de mise à la terre d'arbre dans l'industrie aujourd'hui, tels que les balais de charbon, les balais en fibre de style annulaire et les isolateurs de roulement de mise à la terre, et d'autres méthodes de protection des roulements sont également disponibles.

Les balais de charbon sont utilisés depuis plus de 100 ans et sont similaires aux balais de charbon utilisés sur les collecteurs de moteurs à courant continu.Les balais de mise à la terre assurent la connexion électrique entre les parties rotative et fixe du circuit électrique du moteur et amènent le courant du rotor à la terre afin que la charge ne s'accumule pas sur le rotor au point où elle se décharge à travers les roulements.Les balais de mise à la terre offrent un moyen pratique et économique de fournir un chemin à faible impédance vers la terre, en particulier pour les moteurs à châssis plus grand ;cependant, ils ne sont pas sans inconvénients.Comme pour les moteurs à courant continu, les balais sont sujets à l'usure en raison du contact mécanique avec l'arbre et, quelle que soit la conception du porte-balais, l'ensemble doit être inspecté périodiquement pour assurer un bon contact entre les balais et l'arbre.

Les anneaux de mise à la terre de l'arbre fonctionnent comme un balai de charbon, mais ils contiennent plusieurs brins de fibres électriquement conductrices disposés à l'intérieur d'un anneau autour de l'arbre.L'extérieur de l'anneau, qui est généralement monté sur la plaque d'extrémité du moteur, reste fixe, tandis que les balais roulent sur la surface de l'arbre du moteur, dirigeant le courant à travers les balais et en toute sécurité vers la terre.Les bagues de mise à la terre de l'arbre peuvent être montées à l'intérieur du moteur, ce qui leur permet d'être utilisées sur les moteurs de lavage et de service sale.Cependant, aucune méthode de mise à la terre de l'arbre n'est parfaite et les anneaux de mise à la terre montés à l'extérieur ont tendance à collecter des contaminants sur leurs poils, ce qui peut réduire leur efficacité.

Les isolateurs de palier de mise à la terre combinent deux technologies : un blindage d'isolation sans contact en deux parties qui utilise une conception en labyrinthe pour empêcher la pénétration de contaminants et un rotor métallique et un anneau de filament conducteur isolé pour détourner les courants d'arbre des roulements.Étant donné que ces dispositifs empêchent également la perte de lubrifiant et la contamination, ils remplacent les joints de roulement standard et les isolateurs de roulement traditionnels.

Une autre façon d'empêcher une décharge de courant à travers les roulements consiste à fabriquer les roulements à partir d'un matériau non conducteur.Dans les roulements en céramique, les billes revêtues de céramique protègent les roulements en empêchant le courant de l'arbre de circuler à travers les roulements vers le moteur.Étant donné qu'aucun courant électrique ne circule dans les roulements du moteur, il y a peu de risque d'usure induite par le courant ;cependant, le courant cherchera un chemin vers la terre, ce qui signifie qu'il passera par l'équipement attaché.Étant donné que les roulements en céramique ne suppriment pas le courant du rotor, seules les applications spécifiques à entraînement direct sont recommandées pour les moteurs à roulements en céramique.D'autres inconvénients sont le coût de ce style de roulement de moteur et le fait que les roulements ne sont généralement disponibles que jusqu'à la taille 6311.

Sur les moteurs de plus de 100 chevaux, il est généralement recommandé d'installer un roulement isolé à l'extrémité opposée du moteur sur laquelle le dispositif de mise à la terre de l'arbre est installé, quel que soit le type de mise à la terre de l'arbre utilisé.

Trois conseils d'installation d'un variateur de vitesse

Trois considérations pour l'ingénieur de maintenance lorsqu'il essaie de réduire la tension de mode commun dans les applications à vitesse variable sont :

1. Assurez-vous que le moteur (et le système moteur) est correctement mis à la terre.
2. Déterminez le bon équilibre de fréquence porteuse, qui minimisera les niveaux de bruit ainsi que le déséquilibre de tension.
3. Si un dispositif de mise à la terre de l'arbre est jugé nécessaire, sélectionnez celui qui convient le mieux à l'application.

Lorsqu'un courant de palier est présent, il n'y a pas de solution unique.Il est essentiel que le client et le fournisseur de moteurs et de variateurs travaillent ensemble pour identifier la solution la plus appropriée pour l'application spécifique.