Comment les analyseurs de moteurs Fluke ont amélioré l´efficacité énergétique des pompes de 200%

Nouveau processus de test permettant de gagner du temps (et la journée) aux Pays-Bas touchés par la sécheresse

Un processus développé par Fluke pour Vitens, la plus grande société de purification d´eau des Pays-Bas, permet d´effectuer des évaluations des performances de la pompe en quelques heures, en utilisant l´analyse des paramètres électriques sur un circuit sous tension plutôt qu´une longue analyse mécanique hors ligne standard. Grâce à cette méthode de contrôle qualité révolutionnaire, les ingénieurs peuvent désormais gagner du temps, réduire la main-d'oeuvre nécessaire et clarifier les prochaines étapes pour répondre aux besoins en eau ou autres flux de liquides des utilisateurs finals, par exemple pendant une période critique pour Vitens et ses clients.

Le symptôme : une pompe sous-pressurisée pendant une sécheresse

En tant que spécialiste de la qualité du réseau électrique Fluke, j´ai testé des capteurs de surveillance d´état dans une station de pompage Vitens près d´Almelo, aux Pays-Bas, lorsque l´ingénieur Vitens m´a signalé un problème important lors d´une rare urgence officielle relative à l´eau. Les pénuries d´eau ont été si sévères pendant l´été 2019 que les agriculteurs ne pouvaient pas arroser les cultures et que les clients résidentiels étaient soumis à des restrictions d´eau, avec notamment l´interdiction d´arroser les pelouses et de laver les voitures.

Une pompe de surpression de 75 kW censée maintenir la pression de l´eau dans une canalisation vitale de 40 km lorsque les débits d´eau potable sont élevés n´était pas assez efficace. Vitens avait remplacé la pompe de surpression plusieurs années avant, mais soudain, le débit de la nouvelle pompe ne maintenait plus la pressurisation du réseau, ce qui entraînait des coûts énergétiques encore plus élevés qu´avec l´ancien modèle.

Le processus de diagnostic : utilisation des analyseurs de moteurs Fluke et analyse de données unique

L´ingénieur et moi-même avions besoin de déterminer les origines du problème : était-ce le moteur ou la pompe qui était à l'origine de la basse pression et de la consommation d´énergie excessive qui en résultait ? Après un petit moment de réflexion, sachant que je devais obtenir une réponse rapide, j´ai décidé de procéder à une évaluation initiale en mesurant les fonctions électriques.

Etape 1 - Evaluer l´efficacité du moteur sur un circuit sous tension

J´ai commencé par utiliser un analyseur de qualité du réseau électrique et de moteur Fluke 438-II pour évaluer l´efficacité du moteur à induction IE3 à haut rendement.

Dans d´autres circonstances, l´équipement aurait été éteint pour des raisons de sécurité, mais comme nous n´avons pas pu arrêter la pompe pour le test car l´eau devait continuer à circuler, nous avons mis au point une méthode inédite.

Nous nous sommes assurés d´utiliser l´équipement de protection individuelle approprié car nous travaillions sur un circuit sous tension et avons procédé aux tests. Alors que le moteur tournait, l´équipe d´ingénierie Vitens et moi avons fixé des pinces de tension et de courant au boîtier de connexion et nous avons pris les trois mesures de courant et de tension au niveau du boîtier de connexion.

Après le premier test, nous n´avons trouvé aucun courant de tension, harmonique ou déséquilibre à l´origine du faible débit, et l'efficacité correspondait aux spécifications du moteur à induction IE3 à haut rendement.

L´outil Fluke 438-II permet de surveiller les performances mécaniques et électriques
Le Fluke 438-II permet de surveiller les performances mécaniques et électriques, ainsi que les paramètres mécaniques du couple et de la vitesse en fonction du temps.

Etape 2 - Vérifier la puissance d´entrée et de sortie

Nous avons ensuite testé le variateur de vitesse à l´aide d´un EnergiMètre et analyseur de qualité du réseau électrique Fluke 435 afin de détecter toute différence entre la puissance d´entrée et de sortie.

La différence que nous avons trouvée était inférieure à 3 kW à pleine charge, ce qui signifie que l´efficacité du variateur était d'environ 98 %, une performance plus qu´acceptable. Après avoir examiné l´analyse du rapport statique, nous avons étudié le comportement dynamique entre les paramètres de vitesse et de couple au fil du temps.

Le Fluke 435-II a été utilisé pour mesurer la différence entre l´entrée et la sortie
Le Fluke 435-II a été utilisé pour mesurer la différence entre l´entrée et la sortie afin d´identifier le problème par un processus d'élimination.
Le moteur fonctionnait avec un taux d´efficacité de 94,4 %
Cette capture d´écran de l´analyseur de moteur est un instantané qui montre la relation dynamique de la mesure par rapport au temps et indique que le moteur fonctionnait avec un taux d´efficacité de 94,4 %.

Etape 3 - Analyse des données et consultation : couple trop élevé

Un variateur de vitesse ABB de 100 kVA commande le moteur WEG de 75 kW. Nous avons utilisé le Fluke 438-II pour enregistrer la vitesse et le couple, et les représenter automatiquement au fil du temps. Après avoir visualisé les données dans le logiciel PowerLog, les courbes de couple et de vitesse sont fonction du temps, mais nous étions intéressés par la relation entre les deux paramètres.

Pour une analyse plus approfondie, nous avons exporté les données de mesure avec PowerLog dans un fichier .csv, qui a été importé dans Excel afin de générer un diagramme de dispersion et de visualiser la relation entre le couple et la vitesse. En général, le couple constitue une ligne droite. Le graphique de dispersion fournit des informations utiles : le couple était élevé lorsque la pompe commençait à caviter.

Couple et vitesse de la pompe
« Couple et vitesse de la pompe » : le graphique de dispersion indique la vitesse sur l´axe horizontal et le couple sur l´axe y. Le couple monte rapidement au-dessus de 1 400 tr/min.

L´ingénieur Vitens et moi-même avons présenté nos résultats à Sulteq, la société néerlandaise qui a installé et entretenu la pompe. Marco Bosman, propriétaire de Sulteq, a été étonné par le contraste entre les tests de performances des pompes de procédé standard effectués hors ligne dans un laboratoire de test, qui nécessitent des capteurs de débit et de pression supplémentaires et qui prennent plusieurs jours, et le nôtre. M. Bosman a été surpris par la nouvelle capacité à spécifier les caractéristiques de pompe si rapidement, en mesurant les paramètres électriques seuls et pendant que l´équipement était entièrement opérationnel.

Le moteur fonctionnait à un taux d´efficacité de 89 %
Le variateur de vitesse était limité à une puissance électrique de 75 kW pour protéger le moteur et fonctionnait avec un taux d'efficacité de 89 %.

Après consultation, nous avons effectué une analyse des paramètres du variateur de vitesse et constaté que le moteur fonctionnait bien en dessous de sa capacité nominale de 89 %, alors que le facteur de service du moteur était de 1,15. En modifiant les paramètres du variateur de vitesse, le moteur a pu gérer une charge supplémentaire de 25 %. Bien que la pompe puisse supporter un régime plus élevé, pour obtenir un débit d´eau supérieur, l´étage de pompe précédent (à un emplacement en amont) doit être capable de fournir suffisamment d´eau, sinon elle commence à pomper l´air ou à caviter, ce qui réduit le débit d´eau.

L´entrée d´alimentation en eau de notre pompe présente une limitation du débit. Au-dessus de 1 400 tr/min, le couple n´est pas proportionnel à la vitesse. Un couple plus élevé signifie que la pression d´entrée est trop faible pour permettre à une quantité suffisante d´eau de s´écouler et qu´il y a également eu des vibrations.

Relevés de pression à l´entrée d´alimentation en eau
Relevés de pression à l´entrée d´alimentation en eau. L´entrée gauche indique 8 mWK (colonne d´eau du compteur) et la sortie droite indique 40 mWK. Avec une pression d´entrée si faible, une pression de sortie plus élevée n´est pas possible.

Le diagnostic et la solution intermédiaire : un débit en amont insuffisant est en cause

Le symptôme d´origine était une consommation d´énergie excessive, mais ce n´était pas la source du problème. Notre examen de l´arrivée d´eau a confirmé l´hypothèse de cavitation. L´arrivée d´eau était le facteur limitant et une modification des paramètres du variateur de vitesse n´a pas résolu le problème, car il était clair que la cause première du problème était en amont.

A près de 40 kilomètres, nous avons évalué la pompe en amont et nous avons rapidement constaté qu´elle ne produisait pas suffisamment de débit, ce qui a provoqué la cavitation que nous avions étudiée. Le pompage en cascade n´est possible que lorsque chaque pompe du réseau atteint son débit maximal. La localisation de l´origine du problème grâce à la mesure électrique seule a permis de gagner du temps lors de l´évaluation et a prouvé que la pompe en amont devait être remplacée. En attendant, des débits plus élevés ont été définis en amont pour éviter la cavitation et répondre aux besoins des clients à un moment crucial.

La mesure de la fonction électrique est un moyen rapide de caractériser toutes les charges de la pompe

L´utilisation de mesures électriques pour diagnostiquer un problème mécanique en recueillant des données puis en utilisant les relations entre les données est un moyen rapide d´obtenir un aperçu significatif du comportement de la charge de la pompe. Le diagnostic du circuit électrique à l´aide des instruments adéquats constitue une avancée considérable en matière de contrôle qualité, puisqu´il peut être appliqué à tous les types de pompes et aider les ingénieurs à travailler plus efficacement, aux Pays-Bas comme ailleurs.

Ressources connexes