Protégez les moteurs efficaces d'aujourd'hui contre les dommages PWM

Dec 15, 2023

Le département américain de l'énergie (DOE) met en place des limites d'efficacité minimales sur les systèmes de pompage et leurs composants. Pendant ce temps, les utilisateurs finaux exigent des systèmes avec des efficacités toujours plus élevées. Les fabricants de pompes satisfont les besoins des deux groupes en introduisant des solutions qui permettent aux systèmes de pompage de changer de vitesse pour maintenir une efficacité maximale lorsque la demande de sortie change.

Sur les systèmes de pompage entraînés par des moteurs électriques, cette amélioration de l'efficacité est généralement obtenue en ajoutant un variateur de fréquence (VFD) au moteur. Un VFD est un variateur de vitesse qui contrôle la vitesse et le couple du moteur à courant alternatif (CA) en faisant varier la fréquence et la tension d'entrée du moteur. De nombreux acteurs de l'industrie des pompes connaissent le fonctionnement des VFD et leurs avantages en termes d'efficacité. Ce qui n'est pas si communément compris, c'est comment protéger les moteurs des effets potentiellement nocifs qu'un VFD peut produire et comment réduire ces effets dans un système de pompage.

De nombreux fabricants de moteurs proposent des moteurs conçus pour fonctionner sur un VFD ou un onduleur. Ces moteurs ont été spécialement conçus pour fonctionner lorsqu'ils sont alimentés par la forme d'onde de puissance modulée en largeur d'impulsion (PWM) d'un VFD. PWM est une technique de modulation utilisée principalement pour contrôler la fourniture de la forme d'onde de tension et de courant à un moteur. Il est souvent préféré car il s'agit d'une méthode très efficace de contrôle de la vitesse du moteur.

Une forme d'onde PWM peut cependant créer des problèmes dans un moteur. Par exemple, un enroulement de moteur peut subir des pics de tension bien au-dessus de la tension nominale du moteur et des limites d'enroulement de moteur standard. Les moteurs qui doivent être utilisés avec un VFD doivent donc avoir des matériaux et des processus d'isolation améliorés— par rapport à un système d'isolation standard - pour se protéger contre les pointes de tension bien au-dessus de leur tension nominale.

Selon la National Electrical Manufacturer's Association (NEMA) MG1 Part 31, les moteurs avec une tension nominale de 600 volts ou moins qui sont utilisés sur les VFD doivent avoir des enroulements qui protègent, au minimum, contre une pointe de tension de 3,1 fois la tension nominale. Pour les moteurs dont la tension nominale est supérieure à 600 volts, le minimum est de 2,04 fois la tension nominale du moteur.

Les formes d'onde PWM peuvent également avoir un impact sur les roulements d'un moteur électrique. Lorsqu'elles sont entraînées par une alimentation sinusoïdale standard, les trois phases alimentant le moteur ont une charge équilibrée. En d'autres termes, lorsqu'une phase est à +460V, la seconde est à -460V et la troisième phase est à zéro. La forme d'onde PWM, cependant, n'est pas une véritable onde sinusoïdale. La tension de courant continu (CC) pulsée crée une imitation d'onde sinusoïdale, ce qui provoque un problème d'équilibre de charge dans le moteur. Une charge différentielle s'accumule entre le rotor et le stator qui doit être équilibrée. Cette charge est causée par la tension de mode commun (CMV).

Comme le savent tous ceux qui ont touché une poignée de porte en hiver, l'électricité corrige ce déséquilibre en trouvant le chemin de résistance le plus bas vers la terre. Le choc que vous obtenez lorsque vous touchez une poignée de porte en hiver est une version à plus petite échelle de ce qui se passe dans le roulement d'un moteur qui n'est pas installé et protégé correctement. Si les roulements ne sont pas isolés de l'arbre et que le système est mal mis à la terre, les roulements fournissent le chemin de moindre résistance qu'un moteur cherche à équilibrer la charge. Lorsque cet équilibre se produit à l'intérieur d'un roulement, on parle d'usinage par électroérosion (EDM).

Lorsque l'EDM se produit, des morceaux de matériau du roulement peuvent se déloger pendant que le moteur tourne, ce qui peut gravement endommager le roulement ou au moins provoquer du bruit, de la chaleur et une défaillance prématurée au fil du temps. Une façon d'empêcher le CMV est de donner au moteur un chemin de faible résistance pour équilibrer la charge entre le rotor et le stator. Ceci est généralement réalisé en ajoutant un dispositif de mise à la terre de l'arbre au moteur et en mettant le moteur à la terre. Sur les moteurs plus gros, une protection supplémentaire peut être obtenue en isolant le roulement opposé à l'anneau de mise à la terre de l'arbre pour éliminer les courants de circulation.

Bien qu'utiles, ces fonctions de protection du moteur ne vont pas à l'origine de ce qui fait que les moteurs sont soumis aux effets néfastes causés par les formes d'onde PWM.

Pour rendre un système de pompage à vitesse variable robuste et fonctionner de manière fiable, il faut plus que l'assemblage d'une pompe, d'un moteur et d'un VFD. Ces composants doivent être intégrés et fonctionner comme un seul système qui a été conçu pour atténuer les problèmes causés lors de l'utilisation de formes d'onde de puissance PWM.

Les enroulements de moteur, par exemple, doivent toujours avoir une protection supplémentaire contre les pointes de tension lorsqu'ils sont alimentés par une forme d'onde PWM. Cependant, le CMV et d'autres problèmes créés par l'interaction entre le moteur et le VFD peuvent être atténués en suivant les techniques d'installation appropriées.

Installation du VFD Les câbles d'alimentation allant du VFD au moteur doivent être blindés et spécifiquement conçus pour être utilisés avec un VFD. Vérifiez auprès du fabricant pour vous assurer qu'ils sont de la taille recommandée pour les limites de tension et de courant du système.

Mise à la terreLe moteur ne sera pas complètement protégé s'il est seul mis à la terre. Le VFD produit un bruit à haute fréquence qui doit également être mis à la terre vers le variateur. La mise à la terre du VFD implique plus que de simplement ramener un câble à la terre commune sur le variateur. Le moteur doit être relié à la terre au variateur à l'aide d'un câble de mise à la terre de type tressé qui est, au minimum, de la même taille qu'un seul câble d'alimentation et passe dans le même conduit que les câbles d'alimentation.

Sélection du conduit Le conduit utilisé pour loger ces câbles d'alimentation et le fil de mise à la terre doit être en métal. Le conduit doit être connecté à la fois au moteur et au variateur sans les isoler. Le PVC, le plastique ou d'autres matériaux isolants ne doivent pas être utilisés pour connecter un conduit métallique à un variateur ou à une boîte à bornes de moteur. Si l'un de ces matériaux est utilisé, il est essentiel que le conduit métallique qui transporte les fils d'alimentation et le câble de terre soit correctement connecté au circuit de mise à la terre.

Adopter une approche systémique Pour protéger un moteur contre les dommages PWM, un fabricant de moteur peut ajouter une protection supplémentaire sur l'enroulement, la mise à la terre de l'arbre et les roulements isolés. Des protections supplémentaires peuvent également être ajoutées à la sortie d'un VFD. Les fabricants ajoutent ces protections car ils ne peuvent pas prédire où, comment et quand ces composants seront installés. Mais il existe un moyen d'atténuer ces effets avant qu'ils n'aient la possibilité de commencer : concevoir et installer ces composants en tant que système intégré.

Pour obtenir la meilleure solution, le moteur et le VFD doivent être traités comme un seul système. Si le moteur est relié à la masse au variateur et que le câble, le conduit et le filtre sont correctement dimensionnés, le résultat devrait être un système de variateur de vitesse qui fonctionne selon les spécifications.

Patrick Hogg est responsable de l'ingénierie des applications pour l'industrie générale et le pompage chez Nidec Motor Corporation. Hogg est titulaire d'un baccalauréat en génie mécanique et d'un MBA de l'Université du Missouri-St. Louis. Il peut être joint à [email protected].