Tension d'arbre et dommage par courant de roulement sur les moteurs à variateur de fréquence

Comment naissent la tension d'arbre et le courant de roulement ?

Piloter un moteur asynchrone avec un variateur de fréquence procure un grand avantage en matière d'économie d'énergie et de souplesse du contrôle de vitesse. Cependant, la forme d'onde de tension à commutation rapide produite par le variateur met en jeu un mécanisme nouveau, que l'on ne rencontre jamais sur un moteur classique alimenté directement par le réseau : la tension d'arbre et, par voie de conséquence, le courant de roulement. Lorsque ce phénomène passe inaperçu, le roulement d'un moteur apparemment sain se détruit silencieusement en quelques mois et vous vous retrouvez face à un arrêt imprévu. DRG Motor vous explique en détail dans cet article comment se forme le courant de roulement d'origine variateur sur nos moteurs asynchrones de classe de rendement IE3/IE4/IE5, par quels symptômes il se manifeste et par quelles mesures pratiques il peut être évité.

L'origine du problème : qu'est-ce que la tension de mode commun ?

La tension du réseau est une onde sinusoïdale triphasée symétrique et la somme instantanée des trois phases est idéalement nulle. Le variateur de fréquence produit quant à lui sa tension de sortie par modulation de largeur d'impulsion (PWM), au moyen de semi-conducteurs qui commutent très rapidement. Dans cette structure impulsionnelle, la somme instantanée des trois phases n'est plus nulle ; une composante oscillant par rapport à la terre apparaît. Cette composante oscillante observée entre le point neutre du moteur et la terre est précisément appelée tension de mode commun .

La tension de mode commun varie par paliers à chaque pas de commutation du variateur. Sa fréquence est élevée et son temps de montée très court. Cette variation rapide traverse les faibles capacités présentes à l'intérieur du moteur et atteint l'arbre et les roulements. Le problème n'est donc pas mécanique mais entièrement d'origine électrique, et il constitue un sous-produit naturel du principe de fonctionnement du variateur de fréquence .

Comment se forme la tension d'arbre ?

À l'intérieur d'un moteur asynchrone existent de très petites mais bien réelles capacités parasites entre le bobinage statorique et le rotor, entre le rotor et le carter, et entre le bobinage et le carter. La tension de mode commun se comporte comme un diviseur de tension à travers ces capacités. Il en résulte que l'arbre du rotor monte à une certaine tension par rapport au carter (la terre). Cette tension est appelée tension d'arbre .

La tension d'arbre peut paraître inoffensive à elle seule, car elle est alimentée par une très petite capacité et ne débite pas de charge. Mais la tentative du rotor de décharger cette tension à travers les roulements amorce la chaîne qui provoque le véritable dommage.

Film d'huile et barrière isolante

Sur un moteur en fonctionnement, un mince film d'huile est présent entre les billes du roulement et les chemins de roulement. Ce film ne réduit pas seulement le frottement, il se comporte également comme un isolant faible. Tant que la tension d'arbre reste basse, ce film retient la tension comme une barrière et aucun courant ne passe.

Le problème commence lorsque la tension d'arbre dépasse la limite de tenue du film d'huile. Lorsque le film s'amincit à basse vitesse ou que le moteur n'est pas encore complètement chaud, ce seuil est franchi plus facilement. Dès que le seuil est dépassé, le film est percé et l'énergie accumulée se décharge par une étincelle brutale.

Courant EDM : le mécanisme de l'érosion électrique

Cette décharge brutale produite par le perçage du film d'huile est appelée usinage par décharge électrique, en abrégé courant EDM . Elle tire son nom de la méthode d'érosion par étincelle utilisée en usinage des métaux, car le mécanisme est exactement le même. À chaque décharge, une étincelle microscopique arrache et fait fondre une très petite quantité de métal à la surface du roulement.

Une décharge isolée est sans importance. Mais le variateur commute des milliers de fois par seconde et la tension d'arbre perce le film d'huile encore et encore. Cette répétition permanente crée des millions de minuscules cratères en surface et use peu à peu les chemins de roulement et les billes. Le dommage est invisible au début, mais il est cumulatif.

Fluting : la trace caractéristique du dommage par cannelures

Lorsque le courant EDM se poursuit suffisamment longtemps, de fines stries régulièrement espacées apparaissent sur le chemin de roulement. Cette structure, qui évoque les dents d'un peigne ou une planche à laver, est appelée cannelure ou, plus couramment, fluting. La cannelure est l'empreinte la plus caractéristique et quasiment certaine du courant de roulement d'origine variateur.

Lorsque des cannelures se forment, le roulement ne tourne plus correctement. Les billes accrochent ces cannelures et rebondissent, ce qui provoque une vibration croissant rapidement et un bourdonnement caractéristique. À partir de ce point, le dommage est irréversible et le remplacement du roulement est inévitable.

Graisse grise : signe d'alerte précoce

Avant que le dommage ne devienne visible, il existe la plupart du temps un signal d'alerte : le changement de couleur de la graisse. À chaque décharge du courant EDM, les particules métalliques microscopiques arrachées et la chaleur de l'étincelle brûlent la graisse. Avec le temps, la graisse normalement claire prend une teinte gris foncé, voire proche du noir.

Lors de l'entretien d'un moteur, une graisse de roulement inhabituellement grise et à reflets métalliques annonce presque toujours des décharges électriques. C'est pourquoi la couleur de la graisse est un indicateur à contrôler impérativement dans les programmes de maintenance prédictive .

Comment reconnaître les symptômes ?

Sur un moteur asynchrone piloté par variateur, la présence conjointe des symptômes suivants constitue un motif solide pour soupçonner une tension d'arbre et un courant de roulement :

• Défaillance précoce des roulements : remplacement répété des roulements dans un délai bien plus court que prévu.
• Bourdonnement caractéristique : un bruit d'origine électrique, variant avec la vitesse et différent d'un balourd mécanique.
• Vibration croissante : une oscillation qui augmente à mesure que les cannelures se développent et qui ne répond pas aux mesures de réduction des vibrations .
• Graisse grise : graisse assombrie et métallique constatée lors de l'entretien.
• Apparition uniquement en fonctionnement avec variateur : le fait que le même moteur fonctionne sans problème en alimentation directe par le réseau montre que la faute revient au variateur.

Quel roulement est le plus touché ?

En général, le roulement situé à l'une des extrémités du moteur est davantage sollicité que l'autre. Cela tient au fait que le chemin de courant qui décharge la tension d'arbre ne se répartit pas symétriquement entre les deux roulements. Le courant à haute fréquence choisit le chemin de moindre résistance et se décharge par le roulement situé sur ce chemin. C'est pourquoi le dommage se concentre le plus souvent sur un seul roulement.

Relation entre la taille du moteur et le risque

Le problème de tension d'arbre est étroitement lié à la taille du moteur. Sur les moteurs de grande carcasse et de forte puissance, les capacités parasites sont plus importantes et les surfaces entre l'arbre et le carter sont étendues. C'est pourquoi le risque de courant de roulement augmente nettement lorsque des moteurs industriels triphasés de forte puissance en kW sont pilotés par variateur. Même si le risque est plus faible sur les petits moteurs, il doit tout de même être pris en compte dans les applications à fonctionnement continu.

Méthode de protection 1 : la bague de mise à la terre d'arbre

L'une des mesures les plus efficaces et les plus répandues consiste à offrir à la tension accumulée sur l'arbre un chemin de fuite à faible résistance qui contourne les roulements. C'est ce qu'assure la bague de mise à la terre d'arbre . Une bague conductrice placée autour de l'arbre décharge la tension de l'arbre directement vers le carter et la terre, sans passer du tout par le roulement.

Lorsque le courant s'écoule par cette bague au lieu du roulement, le film d'huile n'est jamais percé, aucun courant EDM ne se forme et le dommage par cannelures est évité. La bague de mise à la terre est une solution pratique qui peut aussi être appliquée après coup sur des moteurs existants.

Méthode de protection 2 : roulements isolés et céramiques

La deuxième approche consiste à interrompre physiquement le chemin emprunté par le courant. Le roulement isoléest un roulement dont la bague extérieure est recouverte d'un revêtement isolant ; ce revêtement empêche le passage du courant électrique. Le roulement céramique est quant à lui un roulement dont les billes sont en céramique isolante et il coupe totalement le courant au niveau des billes.

Ces roulements sont privilégiés en particulier sur les moteurs de forte puissance. Il faut toutefois faire attention à un point : si une seule extrémité du moteur est isolée, le courant peut se reporter sur le roulement de l'autre extrémité. La solution doit donc être planifiée de manière globale.

Méthode de protection 3 : self de mode commun et filtres

Une autre méthode, qui s'attaque à la source du problème, consiste à réduire la tension de mode commun dès le départ. Placée en sortie du variateur, une self de mode communest une bobine qui entoure les trois phases ensemble et qui présente une résistance élevée au courant de mode commun à haute fréquence. La tension atteignant l'arbre est ainsi largement amortie.

Les filtres de correction de forme d'onde ajoutés côté sortie réduisent également la contrainte de mode commun comme la contrainte entre phases. Ces filtres protègent en même temps contre un autre problème apparaissant sur les câbles longs : les surtensions qui sollicitent la classe d'isolation .

Mise à la terre et câblage corrects

Autant que les mesures matérielles, la qualité de la mise à la terre de l'installation est déterminante. Une liaison de terre courte, de forte section et à faible impédance entre le carter du moteur et le variateur permet au courant à haute fréquence de trouver le bon chemin. L'écran du câble moteur blindé doit être correctement raccordé aux deux extrémités. Une mise à la terre négligée peut rendre inefficace même la meilleure protection des roulements.

À quoi faut-il prêter attention lors de l'entretien ?

Lors de l'entretien périodique des moteurs pilotés par variateur, quelques contrôles supplémentaires permettent de détecter le problème tôt :

• Contrôle de la couleur de la graisse : un assombrissement et des reflets métalliques sont le signe de décharges électriques.
• Surveillance des vibrations : Surveillance de l'énergie et de l'état pour suivre la tendance des vibrations.
• Historique des remplacements de roulements : enregistrement des défaillances répétées.
• Mesure de la mise à la terre : contrôle régulier des résistances de liaison.

Lorsque ces contrôles sont intégrés comme une partie naturelle des étapes d'entretien du moteur , les arrêts coûteux sont évités.

L'avantage issu de la conception

La protection la plus durable contre le courant de roulement consiste à concevoir le moteur dès le départ pour un fonctionnement avec variateur. Un moteur asynchrone fabriqué avec des matériaux isolants de qualité, des capacités équilibrées et des options de roulement adaptées pose bien moins de problèmes sur le terrain. Les moteurs de classe IE3/IE4/IE5 de DRG Motor sont proposés en tenant compte des exigences des applications modernes à variateur.

Poser la bonne question : le moteur ou le système ?

Le courant de roulement n'est pas l'affaire d'un seul composant mais de tout le système d'entraînement. Le choix du variateur, la longueur de câble, la mise à la terre, le filtre et le type de roulement doivent être traités ensemble. Chercher à résoudre le problème en remplaçant seulement le roulement revient à voir la même panne revenir peu de temps après. La solution durable est une approche d'ingénierie globale.

Le rôle de la fréquence de commutation

Les semi-conducteurs du variateur s'ouvrent et se ferment des milliers de fois par seconde, et cette rapidité est appelée fréquence de commutation. Une fréquence de commutation élevée rend le courant du moteur plus lisse et réduit le bruit ; mais comme elle produit en même temps davantage d'impulsions par unité de temps, elle augmente aussi l'énergie à haute fréquence qui atteint l'arbre. Augmenter la fréquence de commutation peut donc améliorer le bruit du moteur tout en accroissant quelque peu le risque de courant de roulement. Le bon réglage doit être fait en considérant l'ensemble du système ; il faut choisir un point d'équilibre entre bruit, rendement et durée de vie des roulements.

Isolation et courant de roulement doivent être pensés ensemble

L'alimentation par variateur ne sollicite pas seulement les roulements, mais aussi l'isolation du bobinage. La tension à haute fréquence qui atteint l'arbre et les surtensions qui sollicitent les premières spires du bobinage proviennent de la même source, à savoir la tension de sortie impulsionnelle. C'est pourquoi, lors du choix d'un moteur adapté au variateur, la protection des roulements et la tenue de l'isolation doivent être évaluées ensemble. N'améliorer que l'une des deux peut faire revenir le problème par l'autre extrémité ; une vision globale prolonge la durée de vie totale du moteur.

Différence entre alimentation réseau et alimentation par variateur

Sur un moteur asynchrone alimenté directement par le réseau, la tension suit une courbe sinusoïdale douce et à variation continue. Cette courbe ne comporte pas de sauts brusques, si bien qu'aucune tension à haute fréquence notable n'apparaît entre l'arbre et le carter. Lorsque le même moteur est raccordé à un variateur, la situation change complètement, car la tension de sortie se compose désormais de milliers d'impulsions raides. C'est cette structure impulsionnelle qui est l'unique et véritable responsable du courant de roulement. C'est pourquoi un moteur ayant fonctionné sans problème pendant des années sur le réseau peut commencer à présenter des défaillances de roulement peu après son passage sur variateur.

Effet du type de charge et de la vitesse de service

Le problème de tension d'arbre dépend aussi de la vitesse à laquelle le moteur fonctionne. À basse vitesse, le film d'huile du roulement s'amincit et son pouvoir isolant diminue, ce qui rend les décharges plus fréquentes. C'est pourquoi les applications de pompe et de ventilateur fonctionnant sur une large plage de vitesse, et en particulier longtemps à basse vitesse, présentent un risque plus élevé. Même si le risque est relativement plus faible sur un moteur fonctionnant en permanence à vitesse élevée constante, les longues heures de service augmentent tout de même le dommage total.

Le coût du dommage : pertes visibles et invisibles

Le coût engendré par le courant de roulement ne se limite pas au prix du roulement remplacé. Le coût réellement important est le préjudice causé à la production par les arrêts non planifiés. Sur une ligne à fonctionnement continu, une panne moteur imprévue signifie des heures de production perdues, un appel au service d'urgence et un retard de livraison. Si l'on y ajoute la progression du dommage par cannelures jusqu'à l'arbre et aux autres pièces, on voit clairement à quel point une petite mesure de prévention est précieuse. La bonne méthode de protection est le plus souvent bien moins chère que le coût de la première panne. De plus, une protection correctement mise en place une fois apporte un retour répété tout au long de la durée de service du moteur ; chaque panne évitée revient à l'entreprise sous forme d'économie de pièces de rechange et de main-d'œuvre.

Comment hiérarchiser les mesures ?

Il n'est pas nécessaire de prendre toutes les mesures à la fois dans toutes les applications. Sur les installations de faible puissance et à câbles courts, une bonne mise à la terre et un choix de moteur adapté suffisent le plus souvent. Sur les systèmes de moyenne et forte puissance fonctionnant de longues heures, la bague de mise à la terre d'arbre est un choix solide. Sur les applications de très forte puissance et critiques, l'utilisation conjointe d'un roulement isolé, d'une bague de mise à la terre et d'un filtre de sortie est la voie la plus sûre. La bonne combinaison se détermine en fonction de la puissance du moteur, de la longueur de câble et du profil de fonctionnement.

Des solutions prêtes pour le variateur avec DRG Motor

Pour réduire au minimum le risque de tension d'arbre et de courant de roulement dans vos applications à variateur de fréquence, choisir le bon moteur est la première et la plus importante étape. DRG Motor est à vos côtés avec ses moteurs asynchrones de classe de rendement IE3/IE4/IE5 et son support applicatif. Pour le type de moteur, la protection de roulement et la solution de montage les plus adaptés à votre système à variateur, vous pouvez examiner nos produits de moteurs électriques et joindre notre équipe technique via drgmotor.com . Pour mieux comprendre les problèmes d'origine variateur sur les moteurs asynchrones, nous vous recommandons de lire également nos contenus qu'est-ce qu'un moteur électrique et moteurs électriques industriels .