Gérer la tension VFD à l'aide d'un kit de mise à la terre d'arbre

McKinstry associe deux technologies de qualité

Les améliorations de contrôle des moteurs et de l'efficacité des systèmes grâce aux variateurs de vitesse à fréquence variable (VFD) ont rendu ces appareils presque universels dans les contrôles de bâtiments et les systèmes de fabrication modernes.

« Les moteurs contrôlés par VFD sont la norme dans presque tous les équipements neufs actuels, et ils sont pratiquement omniprésents », déclare Dave Williams, responsable des services techniques de McKinstry,une grande entreprise de services de conseil, de construction, d'énergie et d'équipement basée à Seattle. « Les VFD sont également une bonne option de mise à niveau pour nos clients, et lorsque nous intervenons sur des moteurs non contrôlés par des VFD, nous leur recommandons d'en installer. Les VFD nous permettent de faire correspondre efficacement la sortie d'un moteur à une charge, ce qu'il était auparavant impossible de faire de cette façon, et peuvent permettre à nos clients de faire d'importantes économies d'énergie.

En contrôlant la vitesse et la sortie d'un moteur à induction électrique, un VFD ajuste la performance d'un équipement entraîné (comme les pompes et les ventilateurs) pour satisfaire la demande en pleine évolution, et sans ajouter de complication avec des vannes, courroies, bouches et d'autres appareils de contrôle mécanique exigés par les anciens systèmes. Il existe cependant des compromis.

Défis : les tensions de l'arbre

« Nous sommes spécialisés dans la conservation de l'environnement construit grâce à des contrats de service que nous proposons aux clients potentiels, selon Williams. Nous présentons une gamme de plans de maintenance allant des inspections trimestrielles aux inspections annuelles. Nous vérifions leurs équipements régulièrement, nous mesurons et documentons les paramètres des équipements. Nous nous occupons de la maintenance d'environnements critiques, comme des centres de données et des installations de fabrication, et dans ces environnements nous faisons très attention au fonctionnement des moteurs. Nous faisons cela en mesurant les tensions de l'arbre. »

Le principe du VFD est de convertir l'alimentation secteur triphasée en courant DC, puis de créer une sortie sinusoïdale triphasée synthétique à partir de ce courant DC. Il est possible d'ajuster ou de faire varier la fréquence de cette sortie (d'où le nom de « variateur » de vitesse) pour contrôler la vitesse ou la sortie du moteur.

« La puissance AC normale fournie à un moteur AC est équilibrée entre les phases, dit Williams. Cependant, lorsque la puissance AC est acheminée via un VFD, celle-ci n'est plus équilibrée et, à cause des fréquences de commutation à haute vitesse utilisées dans les onduleurs de modulation de largeur d'impulsion (PWM), une tension est induite sur l'arbre du moteur. Ce qui est important, c'est que la tension s'accumule et recherche un chemin à la terre, et si l'arbre du moteur n'est pas mis à la terre, le chemin à la résistance la plus faible passe souvent par les roulements du moteur. »

Même si le carter du moteur est mis à la terre, bien souvent, l'arbre ne l'est pas. Dans ces conditions, la tension continue de s'accumuler dans l'arbre du moteur jusqu'à atteindre un niveau suffisant pour former un arc électrique dans les roulements du moteur et le carter du moteur vers la terre. « Lorsque la tension forme un arc dans les roulements du moteur, elle dégrade la lubrification du roulement et pique les éléments de roulement, ce qui les dégrade.»

Les sondes Fluke VPS410
Quels sont les outils idéaux pour tester une mise à la terre d'arbre ? Les clients de McKinstry bénéficient d'un kit personnalisé de mise à la terre d'arbre. Pour les tests de routine, Fluke recommande les outils suivants : Oscilloscope portable ScopeMeter™ Fluke 190 Série II et Sondes de tension Fluke VPS410

Prendre soin des roulements

Les moteurs alimentés par les fréquences de commutation rapides propres aux onduleurs PWM peuvent être sujets à des tensions de l'arbre de 70 V ou plus. De telles tensions peuvent passer outre les propriétés isolantes du lubrifiant des roulements. Lorsqu'ils passent dans des roulements, les arcs peuvent entraîner des piqûres, des cannelures, des cratères et, finalement, une panne prématurée des roulements. « C'est devenu un problème fréquent, déclare Williams, et tout moteur contrôlé par un VFD y est exposé. »

Il existe des protections sous la forme de divers kits de mise à la terre d'arbre qui combinent les technologies nanogap avec et sans contact et dirigent la tension de l'arbre vers la terre.

Une panne de moteur dans une installation critique, comme un centre de données, une ligne de fabrication ou un système de climatisation, coûte cher et provoque des perturbations. Les programmes de maintenance préventive proposés par McKinstry incluent depuis longtemps des analyses des roulements des moteurs.

« Les roulements sont endommagés pour de nombreuses raisons, affirme Williams. Les dommages peuvent être provoqués par un lubrifiant sale, de la corrosion, une lubrification insuffisante ou excessive, une charge de moteur trop importante et beaucoup d'autres causes. Mais les tensions de l'arbre sont la cause qui a été la plus difficile à diagnostiquer avant que les dommages ne se manifestent. »

Une nouvelle perspective

Ce problème est désormais résolu. McKinstry mesure les tensions de l'arbre du moteur à l'aide d'une sonde d'arbre et du ScopeMeter® Fluke 190 série II, un oscilloscope portable à quatre voies qui permet de détecter les problèmes de tension de l'arbre, et de vérifier les réparations faites une fois que les arbres ont été mis à la terre correctement.  Cette procédure pourra faire partie de leur processus de maintenance préventive standard.

« En plus du test des roulements, dit Williams, et probablement en tant qu'indicateur principal de l'état des roulements, il s'agirait d'un test préliminaire que l'on effectuerait pour nos clients, et qui nous fournirait des informations de référence.

Il s'appliquerait à tous les clients, mais en particulier aux nouveaux clients et aux sites équipés d'applications critiques ; nous irions tester les courants et les tensions de l'arbre pour effectuer une détection préliminaire et juger du fonctionnement du moteur par rapport aux tensions de l'arbre. »

Une configuration simple

Williams indique que la configuration pour le test est simple. Les techniciens n'ont besoin que de peu d'explications. « Entre 15 et 20 minutes suffisent », selon Williams.

Dans de nombreuses situations de test, les systèmes doivent être temporairement mis hors tension pour éliminer les dangers liés au matériel roulant ou aux circuits électriques sous tension. Le technicien utilise ensuite une base aimantée pour placer une sonde en microfibre en contact avec l'arbre du moteur. Lorsque la sécurité et l'accès le permettent, la sonde peut être tenue à la main.  Une deuxième sonde est en contact avec le carter du moteur. L'équipement est ensuite mis en fonctionnement et les mesures enregistrées sur le ScopeMeter montrent la forme d'onde de la tension de l'arbre.

Les résultats peuvent être impressionnants, comme la différence une fois que l'arbre est mis à la terre correctement grâce à un manchon conçu à cet effet (voir les illustrations 1 et 2).

Illustration 1. Le problème (en haut) affiche la valeur d'une tension de l'arbre d'un ventilateur sur un oscilloscope Fluke 199C branché à un VFD. La solution (en bas), prise plusieurs minutes plus tard grâce à un kit de mise à la terre d'arbre temporaire, affiche une tension de -2,3.
Illustration 2. Le problème (en haut) affiche la valeur d'une tension de l'arbre d'un ventilateur sur un oscilloscope Fluke 199C branché à un VFD. La solution (en bas), prise plusieurs minutes plus tard grâce à un kit de mise à la terre d'arbre temporaire, affiche une tension de -2,6.

« Je ne pense pas que nous ayons défini un seuil, dit Williams. Certaines tensions que nous avons vues sont dans les dizaines, voire plus. Cela indique sans doute que la tension obtenue circule via l'arbre. Généralement, lorsque le problème a été éliminé, la valeur est proche de zéro pour un moteur. »

Il faut le voir pour le croire

« Nous avons installé ce que l'on appelle un kit de mise à la terre d'arbre, explique Williams. Il s'agit d'une sorte d'élément en carbone, un balai ou un élément dur en carbone, qui chevauche l'arbre et fournit ainsi un chemin à la terre pour votre tension, qui n'est autre que le chemin de la résistance la plus faible via le kit de mise à la terre d'arbre, plutôt que de passer à travers les roulements. » Certains kits sont installés surl'extrémité motrice du moteur, alors que d'autres sont montés sur l'extrémité non motrice. Le coût de ces kits peut atteindre les 400 ou 500 $ par installation, selon Williams.

Est-ce difficile de convaincre les clients d'acheter de telles solutions ?

« Ce n'est pas difficile de convaincre les clients disposant d'environnements critiques, dit Williams, car ce sont des personnes qui connaissent et comprennent les problèmes techniques. Ils ont déjà entendu parler de ce problème et le comprennent. Il suffit de voir ce graphique pour le croire. Il est primordial de le leur montrer. »

Même une fois la vente effectuée et le kit installé, Williams prévoit de procéder à des tests de suivi périodiques pour s'assurer du fonctionnement de la réparation.

« Tout système mécanique tombe en panne un jour ou l'autre, dit-il. Alors on continue de prendre des mesures. Peut-être pas tous les trimestres comme pour la maintenance, mais une fois par an pour vérifier le fonctionnement. Quel que soit le niveau de protection nécessaire et souhaité par le client. »

Un plus haut niveau de service

Pour les clients importants, comme les centres de données qui abritent des équipements et informations représentant des millions, la protection haut de gamme s'est révélée précieuse.

« Nos techniciens ont utilisé cet outil et les résultats étaient spectaculaires, affirme Williams. Ils ont trouvé des tensions transitoires dans de nombreux moteurs des centres de données où l'on effectue la maintenance, et c'est une révélation pour nos clients. L'outil fournit un haut niveau de service et de protection à nos clients et nous donne des informations que nous n'avions pas auparavant. »

« Nous sommes ravis de cette technologie, car elle nous permet de fournir une vraie valeur ajoutée à nos clients lorsqu'il s'agit du fonctionnement des moteurs, ajoute-t-il. Nous détectons des problèmes avant que les dommages ne se produisent, ce qui élimine les temps d'arrêt pour le client. Cela n'a pas de prix. »

À propos de McKinstry

Fondée en 1960, McKinstry est une entreprise de service de conception, de réalisation, d'exploitation et de maintenance (CREM) comptant plus de 1 600 employés et avec des revenus annuels d'environ 400 millions de dollars. Les employés et techniciens de McKinstry proposent des services de conseil, de construction, d'énergie et d'équipement. Ayant adopté très tôt les processus CREM, l'entreprise recommande les solutions collaboratives et durables conçues pour garantir le confort des occupants, améliorer l'efficacité des systèmes, réduire les coûts d'exploitation d'une installation, et ainsi optimiser la rentabilité du client pour la durée de vie de leur bâtiment.