Dépannage de variateurs de fréquence dans une usine de traitement de l'eau

Outils : multimètre numérique Fluke 87, multimètre numérique Fluke 289 et contrôleur de résistance d'isolement Fluke *1520

Opérateur : Bill Moreno, technicien en instrument chez Palm Beach County Water Utilities Department dans leur usine de traitement d'eau de la région sud.

Mesures : filtre de la sortie du variateur de vitesse, mesures des fréquences min. / max., équilibre de la tension phase-phase, contrôle de la résistance d'isolement du moteur

Le comté de Palm Beach, en Floride, États-Unis, avec une population de 1 274 013 habitants (chiffres de 2006), produit beaucoup d'eaux usées. Pour gérer cela, l'usine de traitement d'eau de la région sud de Palm Beach County Water Utilities Department, fonctionne 24 heures sur 24 pour traiter près de 130 millions de litres par jour. La moitié de l'eau est recyclée dans le cadre du programme de traitement d'eau du comté, principalement pour irriguer des terrains de golf et des pelouses résidentielles dans les environs, et pour alimenter les marais Wakodahatchee proches. Un autre marais de 50 hectares récemment construit est également disponible pour recycler entre 7 et 10 millions de litres supplémentaires par jour.

L'usine de traitement emploie près de 30 personnes, la moitié pour le fonctionnement, l'autre pour la maintenance, dont deux électriciens, deux techniciens en instruments, quatre mécaniciens, deux agents de maintenance généraux et un superviseur de la maintenance.

L'usine dispose de son propre système d'alimentation électrique de 4160 volts, pour ses 9 ou 10 bâtiments s'étalant sur plus de 60 hectares. Chaque bâtiment possède des transformateurs redondants qui réduisent les 4160 V en 480 V utilisables.

L'équipement de contrôle comprend des panneaux de commande 120 V et près de 20 API-5 Allen-Bradley qui communiquent entre les bâtiments via Data Highway Plus (DH+) avec des modules convertisseurs à fibres optiques et à l'intérieur des bâtiments à l'aide du câble biaxial Blue Hose du réseau Data Highway. Les API contrôlent les équipements via des entrées et sorties à distance 24 V, 4-20 mA, et sont reliés par un réseau local à un système SCADA avec des informations sur les débits, les niveaux, les pressions, les températures, la conductivité, le taux de chlore, les vitesses des pompes, etc.

L'équipement de l'usine comprend un nombre important de moteurs 480 V faisant fonctionner des pompes et des ventilateurs. Les commandes des moteurs comprennent des démarreurs à tension réduite à 700 cv, des démarreurs progressifs 400 cv et des variateurs de fréquence (VFD) de 1 à 500 cv.

Vue supérieure de l'usine de traitement d'eau de la région sud de Palm Beach County Water Utilities Department.

Pour assurer le fonctionnement des moteurs, l'usine a un programme de maintenance préventive (MP), constitué majoritairement de mesures périodiques pour anticiper toute tendance négative.

Selon Bill Moreno, technicien en instrument, les mesures à réaliser sur les variateurs de fréquence comportent la surveillance de la tension entrante et le suivi de la tension secondaire hors des moteurs et de l'intensité pour fournir une référence en cas de dépannage. Bill Moreno s'occupe également des tests de résistance d'isolement périodiques sur les moteurs. « Il s'avère que ce n'est pas toujours nécessaire, a-t-il déclaré. Les variateurs sont de plus en plus sensibles, mais pour ne pas perdre la main, je continue de surveiller les mégas dans le temps. » Auparavant, il utilisait pour cela un instrument à manivelle, mais depuis ces cinq dernières années, il préfère utiliser le mégohmmètre Fluke 1520*. Un autre électricien de l'équipe utilise un contrôleur de résistance d'isolement Fluke 1503.

Chercher une défaillance intermittente

Jusqu'à récemment, l'outil que Bill Moreno utilisait le plus souvent était le multimètre numérique Fluke modèle 87, qu'il a trouvé particulièrement utile pour résoudre un problème fugace avec un moteur entraîné par un variateur de fréquence de 500 cv. Le moteur fonctionnait parfaitement pendant 12 ou 24 heures, puis il indiquait un court-circuit intermittent. Des tests préliminaires ont suggéré que le problème pouvait provenir du variateur de fréquence ou d'un court-circuit dans le moteur. Le fabricant du variateur de fréquence penchait en faveur du court-circuit dans le moteur. Bill Moreno a donc réalisé un contrôle de résistance d'isolement sur le celui-ci. « À chaque fois que nous vérifiions le moteur, a-t-il déclaré, la mesure était de 80 ou 100 mégas. » Bien que cela puisse paraître bas pour certaines personnes, ajoute-t-il, « c'est un moteur à l'extérieur, et c'est vraiment humide ici, donc nous n'avons jamais une mesure élevée. » Et les mesures étaient relativement constantes, comparées aux mesures précédentes réalisées dans le cadre du programme de maintenance préventive.

Il a donc appelé le fabricant du moteur, qui a réalisé un test de surtension sur le moteur et conclu qu'il était en parfait état, une bonne nouvelle pour Bill Moreno, car retirer un moteur de 500 cv nécessite beaucoup de travail. Il restait donc le variateur, mais comment le prouver ?

Les marais de Green Cay recyclent environ 7 à 10 millions de litres d'eau par jour.

Le support technique du fabricant du variateur a suggéré de réaliser un test des diodes, qui a démontré que les diodes étaient fonctionnelles. Il a ensuite conseillé d'isoler le variateur du moteur et de vérifier si les tensions phase-phase avaient une marge de 1 à 2 % entre elles. Isoler le moteur était assez simple : juste mettre sous tension le contacteur de sortie. En revanche, Bill Moreno n'avait aucun moyen de mesurer la tension phase-phase. Il disposait d'un énergimètre, mais il ne mesurait que les tensions phase-terre, ce qui n'était pas d'une grande utilité.

Puis, il a eu cette idée : Il a réuni trois multimètres numériques Fluke 87, les a accrochés au panneau à l'aide de l'accessoire ToolPak et les a connectés entre les phases. Il a ensuite fait tourner le variateur à 25, 50, 75 et 100 %, et a trouvé un « déséquilibre de tension d'environ 3 à 4 % ». Il a transmis cette information au fabricant du variateur qui a conclu qu'il s'agissait d'un problème de circuit imprimé défectueux dans le variateur et l'a réparé. Problème résolu sans avoir à retirer le moteur.

Choisir un nouveau multimètre

Si le multimètre numérique 87 est un outil polyvalent et très utile, Bill Moreno sentait qu'il avait besoin d'un outil avec fonction d'enregistrement et filtre passe-bas pour des mesures de tension et de fréquence plus précises sur les variateurs de fréquence et les équipements électriques bruyants. Il a décidé de commander un multimètre enregistreur TRMS industriel Fluke 289 doté de TrendCapture.

Résoudre un problème de vibration difficile

Le nouveau multimètre numérique 289 a fait ses preuves lorsque Bill Moreno a rencontré un problème curieux. Un moteur 500 cv entraînant une pompe revenait juste de l'atelier de mécanique où il venait d'être remis en état et, normalement, équilibré. Mais une fois connecté à la pompe et démarré, il ne fonctionnait qu'à 95 % de sa vitesse maximale, puis disjonctait à cause des vibrations. Pour en déterminer la cause, Bill Moreno a d'abord recherché au niveau du circuit de contrôle 120 V AC pour le variateur de fréquence, qui est installé sur un tableau à côté du variateur et qui se connecte par exemple, à des relais pour détecteur de niveau d'eau et un système de surveillance de la température/vibration. Mais les mesures de tension n'étaient pas logiques. Même lorsque le relais adéquat était ouvert, il y avait toujours 90 V sur la ligne. Qu'est-ce que cela signifiait, et d'où provenait cette tension ?

Les lignes de commande 120 V partagent une conduite avec un câblage électrique de 480 V. C'était peut-être la source de cette mystérieuse tension. Bill Moreno a alors réglé son multimètre numérique 289 en mode LoZ, qui ne met qu'une impédance basse sur les bornes d'entrée du multimètre numérique et a pour but d'éliminer les tensions fantômes. Dès lors, les tensions parasites ont disparu. Aucun des multimètres numériques qu'il possédait auparavant ne disposait de la fonction LoZ et détecter la tension parasite aurait été un vrai problème. Mais avec le multimètre numérique 289, c'était très facile.

Un problème a donc été résolu, mais le moteur continuait de disjoncter. Bill Moreno a donc commencé à chercher la vitesse exacte à laquelle le moteur disjonctait. Il a connecté son multimètre numérique 289 à la sortie du variateur qui entraînait le moteur et a activé la fonction de filtre passe-bas du multimètre. La sortie du variateur présentait toutes sortes de formes étranges d'ondes et d'harmoniques qui s'étendaient jusqu'au kHz, ce qui compliquait l'obtention d'une mesure de fréquence précise avec un multimètre numérique traditionnel. Avec la fonction de filtre passe-bas, le Fluke 289 n'indique que les composants de la fréquence de la sortie (voir ci-dessous) et offre une mesure de fréquence précise.

Le filtre passe-bas permet au multimètre numérique Fluke 289 de mesurer précisément la sortie du variateur.

Bill Moreno a également utilisé la fonction fréquence min. / max. avec horodatage pour déterminer la fréquence exacte à laquelle le moteur disjonctait. Il a finalement découvert que le problème ne venait pas du moteur en lui-même, mais de la façon dont il était utilisé. La pompe se trouve à 6 mètres en dessous du moteur, et si le moteur était proprement équilibré, ce n'était pas le cas de la combinaison de la pompe et du moteur. La solution consistait donc à équilibrer ensemble la pompe et le moteur.

Bill Moreno s'est également servi du multimètre numérique 289 pour vérifier le calibrage d'un actionneur de vanne, en mesurant le signal de retour 4-20 mA de l'unité. C'était la première fois qu'il utilisait cette fonction. « Une fois que je l'ai installé, cela fonctionnait parfaitement », a-t-il déclaré. L'impression générale de Bill Moreno ? « Ce multimètre est très pratique. Je suis content de mon achat. »

* Le Fluke 1520 a été remplacé par les testeurs de résistance d'isolement 1507 et 1503.