Défaillance d'un moteur d'entraînement à fréquence variable : Les trois tueurs cachés à l'origine des grillages fréquents malgré un faible courant

Dans les environnements industriels, nous rencontrons souvent un type de défaillance de moteur VFD très trompeur : des moteurs qui grillent fréquemment bien qu'ils fonctionnent à des courants bien inférieurs à leurs valeurs nominales.

Il ne s'agit pas d'une surcharge ordinaire, mais d'un tueur invisible déclenché par des harmoniques à haute fréquence. De nombreux ingénieurs ont étudié les protections contre les surintensités et les surcharges pour constater que tous les paramètres étaient normaux, ce qui les a laissés impuissants. Aujourd'hui, je vais éplucher les couches et examiner les causes profondes de cette défaillance hautement technique à partir de trois dimensions microscopiques : rupture d'isolation, courant d'arbre et électrocorrosion des roulements.

Avant de plonger dans l'analyse, assurez-vous d'avoir mis en œuvre la norme la plus fondamentale : équipez chaque circuit de moteur de dispositifs indépendants de contrôle et de protection du démarrage et de l'arrêt. Si cette étape est déjà en place, le problème réside dans des couches plus profondes de la “qualité de l'énergie”.”

Analyse approfondie de trois causes cachées conduisant à la défaillance des moteurs d'entraînement à fréquence variable (VFD)

Lorsque les relevés de courant semblent normaux, mais que le moteur tombe quand même en panne, nous rencontrons généralement les trois scénarios atypiques suivants de défaillance du moteur de l'entraînement à fréquence variable.

1. Rupture d'isolation causée par de longs câbles

C'est la première cause de défaillance la plus fréquente : Lors du démontage d'un moteur grillé à des fins d'inspection, on découvre un court-circuit à la terre ou une rupture de l'isolation entre phases.

Logique de défaillance : Ce type de panne de moteur VFD se produit généralement avec des câbles de moteur étendus (par exemple, plus de 100 mètres). L'onduleur émet des ondes PWM à haute fréquence contenant des harmoniques substantielles. Lors de la transmission par de longs câbles, la superposition des harmoniques génère un phénomène d'onde réfléchie, provoquant des surtensions aux bornes du moteur.

D'après nos données d'essais sur le terrain, à des longueurs de câble d'environ 100 mètres, la tension de pointe superposée peut atteindre 2000 à 2500V. Cette tension dépasse de loin la limite de résistance de l'isolation standard des moteurs. Au fil du temps, l'isolation est percée de manière répétée comme une piqûre d'aiguille, ce qui finit par provoquer une rupture de l'isolation et une panne grave du moteur de l'entraînement à fréquence variable.

2. Tension de l'arbre provoquant une “décoloration bleuâtre” du palier”

Le second scénario est encore plus catastrophique : Lors du démontage du moteur, l'arbre est bleu brûlé, avec des roulements complètement brûlés et désintégrés.

Analyse de la cause : Il ne s'agit pas d'une surchauffe de la friction mécanique, mais d'un problème classique de tension de l'arbre. En raison d'une tension triphasée déséquilibrée (tension en mode commun) émise par le variateur, une tension est induite aux deux extrémités de l'arbre du moteur. Lorsque cette tension s'accumule jusqu'à un certain niveau, elle rompt le film d'huile à l'intérieur des roulements, formant un courant en boucle (courant d'arbre). Bien que ce courant soit relativement faible, il génère des températures élevées aux points de contact minimes, faisant instantanément fondre le métal. Les roulements deviennent alors bleus et se désintègrent, ce qui entraîne un grippage mécanique et une défaillance du moteur de l'entraînement à fréquence variable.

3. Cannelures des paliers (érosion électrique) et “motifs des planches à laver”.”

Le troisième scénario est une variante du deuxième, mais ses caractéristiques sont plus subtiles. Lors de l'inspection des roulements après la défaillance du moteur, bien qu'ils soient désintégrés, distincts, ordonnés “modèles de planches à laver” sont visibles à l'intérieur des chemins de roulement.

Caractérisation de la défaillance : Il s'agit d'un cas classique d'érosion électrique. Les courants haute fréquence de l'arbre se déchargent de façon répétée entre le chemin de roulement et les billes, creusant des rainures dans le chemin de roulement comme une érosion par étincelles miniature (c'est-à-dire une cannelure du roulement).

Une fois que ce schéma se forme, le roulement génère de fortes vibrations pendant le fonctionnement à grande vitesse, ce qui accélère l'usure et produit des températures élevées, conduisant finalement au grippage du roulement. Il s'agit également d'une cause importante, mais souvent négligée, de défaillance des moteurs d'entraînement à fréquence variable.

La solution ultime : Ajustement à coût zéro grâce à l'amélioration du matériel

Pour les trois types de pannes de moteurs d'EFV causées par des harmoniques et des pointes de tension, je résume deux grandes catégories de solutions.

1. Solution à coût nul : Ajustement de la fréquence de la porteuse

Il s'agit de la première étape du dépannage. Reportez-vous au paramètre P0-15 (Fréquence porteuse) dans le manuel de l'utilisateur. Manuel de l'utilisateur EV510A ou P0-15 dans le Manuel de l'utilisateur EV200, et tenter d'abaisser la fréquence de la porteuse.

• Procédure : Réduire progressivement la fréquence de la porteuse par rapport à sa valeur par défaut (par exemple, 8 kHz ou plus).
• Principe : L'abaissement de la fréquence porteuse réduit directement le nombre de cycles de commutation d'impulsions par unité de temps, diminuant ainsi la fréquence de superposition des harmoniques. Avec moins d'harmoniques, les pointes de tension diminuent naturellement. Tant que les pics de tension restent inférieurs à la tension de résistance de l'isolation ou aux seuils de rupture des roulements, le risque de défaillance du moteur de l'EFV est considérablement atténué.

2. Solution matérielle : Installer un réacteur de sortie

Si l'abaissement de la fréquence porteuse ne donne que des résultats limités, ou si une réduction excessive de la fréquence est interdite en raison des exigences en matière de bruit, des mesures physiques doivent être prises. Notre Guide de sélection de l'EFV recommande spécifiquement d'installer un réactance AC de sortie lorsque la distance entre le VFD et le moteur est supérieure à 100 mètres.

• Action : Installer un réacteur de sortie du côté de la sortie du VFD.
• Justification : Les réactances de sortie suppriment efficacement les harmoniques, atténuent les pics et les creux de tension et “aplatissent” les pointes de tension. Il s'agit de la solution la plus complète pour prévenir la rupture de l'isolation des câbles longs et l'électrocorrosion des roulements, ce qui constitue une protection fondamentale contre les défaillances du moteur de l'entraînement à fréquence variable.

Conclusion

Le principal défi à relever pour remédier aux défaillances persistantes des moteurs à entraînement par fréquence variable réside dans le contrôle de la qualité de la tension de sortie. Qu'il s'agisse d'une rupture d'isolation ou de l'écaillage d'un roulement, la cause première est la tension de crête déclenchée par des harmoniques à haute fréquence.

En tant qu'ingénieurs de terrain, notre premier choix est l'ajustement de la fréquence de la porteuse à un coût nul. Si l'effet est limité, nous devons résolument installer un réacteur de sortie. Pour les applications de transmission à longue distance, nous vous recommandons de vous référer à notre EV510A ou EV200 pour configurer raisonnablement les accessoires périphériques. Cela permet de couper physiquement les dommages invisibles causés par les harmoniques au moteur, assurant ainsi un fonctionnement à long terme de l'équipement.