Optimisation de l'efficacité d'un moteur électrique : partie II

Dans la première partie de cette série de notes d'application courtes, nous avons abordé les points d'inspection à effectuer sur les moteurs lors d'une analyse énergétique ou d'un autre programme d'efficacité. La première partie couvre la stratégie d'efficacité et décrit les tests et les économies liés au facteur de puissance et aux déséquilibres de tension et courant.

La deuxième partie couvre les points d'inspection qu'il faut inclure dans la maintenance préventive régulière et à long terme :

  • Tension hors adaptation
  • Mauvaises connexions et mise à la masse
  • Résistance d'isolement

Cette note d'application explique également comment effectuer des tests sur le courant de démarrage, lors de l'installation d'un nouveau moteur à haute efficacité ou lors du dépannage de nouvelles installations.

Tension hors adaptation

Un moteur à induction triphasé est conçu pour fonctionner dans les ±10 % de la tension nominale indiquée sur sa plaque signalétique. Des moteurs en marche considérablement au-dessus ou en dessous de leurs tensions nominales (« tension hors adaptation »¹) ont une incidence sur leur rendement ainsi que sur d'autres paramètres de fonctionnement.

Une sous-tension excessive peut endommager les moteurs. Une charge mécanique fixe sur un moteur nécessite une certaine quantité d'énergie pour fonctionner. Puisque la quantité d'énergie que le moteur doit consommer correspond approximativement à la tension et au courant, si la tension diminue, le courant (ampères) doit augmenter pour fournir la même quantité d'énergie. Si la quantité de courant consommé est supérieure à la valeur à pleine charge indiquée sur la plaque signalétique du moteur, cela provoquera certainement une surchauffe et des dommages au fil du temps.

Une sous-tension peut provoquer des arrêts de production car les effets de la sous-tension s'accumulent lors du démarrage et de l'accélération. C'est-à-dire, une sous-tension peut affecter la capacité d'un moteur à surmonter l'inertie de sa charge au démarrage et ralentir son accélération pour fonctionner à plein régime. Sa vitesse de fonctionnement se stabilise en général légèrement en dessous de la valeur normale, à ±10 % près de la valeur indiquée sur la plaque signalétique. Cependant, ce qu'on appelle le couple de décrochage est réduit, et le moteur n'est alors plus aussi capable de fonctionner pendant un couple de surcharge bref sans caler.

La surtension, dans des situations de pleine charge et lorsqu'elle se situe dans les +10 % de la valeur indiquée sur la plaque signalétique, améliore l'efficacité d'un moteur. Cependant, à charge réduite, l'efficacité s'améliore avec des tensions plus basses tant qu'elles se situent dans les -10 % de la valeur indiquée sur la plaque signalétique. Puisqu'une sous-tension augmente le courant, on pourrait penser qu'une surtension diminue le courant. Ce n'est pas le cas. En fait, en surtension importante, un moteur consomme plus de courant pour essayer de compenser l'effet de la surtension sur les enroulements. Ce qui provoque une surchauffe.

Effectuer des mesures des tensions hors adaptation entre les bornes d'alimentation et du moteur est possible grâce à une combinaison de trois outils : un multimètre numérique (DMM), une pince multimètre et un analyseur de qualité du réseau électrique. Si les anomalies de tension sont sporadiques (augmentations et/ou baisses) le meilleur moyen d'identifier leur source est de connecter un multimètre doté d'une fonction de capture des formes d'ondes. Cela vous permettra d'établir une corrélation entre les tensions hors adaptation et les autres événements qui surviennent dans l'installation. Cependant, le premier signe d'une surtension ou sous-tension excessive peut se manifester lors d'une inspection des moteurs à l'aide d'un thermomètre infrarouge ou d'une caméra infrarouge.

Corriger des tensions hors adaptation implique d'essayer les solutions suivantes :

  • Lorsque la tension est constamment en surtension/sous-tension de la même quantité, changez la configuration de la prise du transformateur principal de distribution et ajustez les configurations du transformateur de dérivation ou secondaire.
  • Pour corriger les variations de tension au quotidien sur le tableau électrique, installez un transformateur avec un changeur de prises automatique.
  • Pour les variations de tension dans toute l'installation sauf le tableau électrique, remplacez ou augmentez les conducteurs existants et remplacez les transformateurs le cas échéant.
  • Utilisez des condensateurs pour corriger le facteur de puissance aux points d'utilisation.

Économies potentielles et retour sur investissement

Pour calculer les économies potentielles et le retour sur investissement résultant des mesures de correction des tensions hors adaptation, vous devez connaître les informations suivantes (des exemples sont entre parenthèses) :

  • nombre d'heures d'arrêt du processus par an à cause d'un moteur qui cale (30 h) ;
  • revenu annuel généré par le processus (2 500 000 $) ;
  • nombre de jours de fonctionnement du processus par an (365 jours/an) ;
  • nombre d'heures de fonctionnement du processus par jour (24 h/jour) ;
  • coût de l'appareil ou du composant correctif (7 000 $) ;
  • tarif de la main-d'œuvre pour une action ou une installation corrective (50 $/h) ;
  • nombre d'électriciens, etc. nécessaires (2) ;
  • nombre d'heures estimé d'intervention (10 h).

Avec les valeurs des exemples, la perte annuelle de revenus (P$) liée aux temps d'arrêt serait de :

P$ = 30 h x [2 500 000 $ / (365 jours/an x 24 h/jour)] = 8 562 $ ;

et le coût de l'action corrective (C$) serait de :

C$ = 7 000 $ + [2 x (50 $/h x 10 h)] = 8 000 $.

L'investissement serait donc rentable en moins d'un an.

Mauvaises connexions et problèmes de mise à la terre

Inspecter régulièrement vos systèmes de distribution électrique à la recherche de mauvaises connexions et mises à la terre, et de courts-circuits à la terre vous permettra d'améliorer les performances de votre équipement et d'éviter les interruptions du système et les défaillances précoces de l'équipement.

La détection de mauvaises connexions et mises à la terre, et des courts-circuits à la terre doit être effectuée par un électricien expérimenté ou un spécialiste. Ces défauts peuvent souvent être détectés grâce à une inspection visuelle, en vérifiant le serrage, la corrosion et les chemins conducteurs à la terre. Il existe également une autre méthode pour identifier les problèmes de connexion, c'est de rechercher une surchauffe au niveau des connexions à l'aide d'un thermomètre ou d'une caméra infrarouge. Recherchez également les chutes de tension dans les connexions. Comparez les trois phases. Une variation de tension de 2 ou 3 % sur les connexions laisse présager qu'une action corrective est nécessaire.

Les corrections peuvent souvent être effectuées en nettoyant et resserrant régulièrement les connexions. Vous pouvez également utiliser un multimètre d'isolation pour vérifier le démarreur et les contacts de contrôle et mesurer la résistance de l'isolement des circuits de ligne et de charge à la terre. Ces derniers tests sont importants car ils peuvent vous permettre de rétablir le fonctionnement d'un moteur grâce à une solution aussi simple qu'un remplacement de câble.

Économies potentielles et retour sur investissement

Les économies de production liées à la correction des mauvaises connexions et mises à la terre, et des courts-circuits à la terre peuvent être calculées si vous connaissez le coût des temps d'arrêt du processus affecté. Non corrigé, une connexion desserrée ou corrodée, une mauvaise mise à la terre ou un court-circuit à la terre peut faire sauter un fusible et ralentir tout un processus de production.

Résistance d'isolement

Si la dégradation de l'isolement n'est pas détectée sur les équipements électromécaniques, cela peut entraîner une panne du moteur et une perte de production. La meilleure méthode consiste à intégrer des vérifications régulières de l'isolement dans votre programme de maintenance préventive.

Mesurer la résistance d'isolement directement nécessite les services d'un électricien expérimenté ou d'un spécialiste et qu'un signal de courant continu bas à haute tension soit fourni aux systèmes hors tension. Les mégohmmètres et les multimètres d'isolement peuvent fournir des courants de mesure et permettent d'identifier l'intensité de la défaillance de l'isolation électrique. Veillez à isoler toutes les commandes électriques et autres dispositifs du circuit à tester avant de procéder à tout test de résistance d'isolement. Assurez-vous de verrouiller et étiqueter le disjoncteur du commutateur du moteur.

Lorsqu'un moteur rencontre des problèmes, vous pouvez être certain que la tension d'entrée est nominale, utilisez un mégohmmètre ou un multimètre d'isolement pour vérifier la dégradation de l'isolement.

Le DOE (Ministère de l'énergie des États-Unis) conseille de tester la résistance d'enroulement d'un moteur entre deux phases et entre la phase et la terre deux fois par an.² Comme la résistance de l'isolement varie en fonction de la température et l'humidité, il vous faudra peut-être effectuer plusieurs mesures de la résistance d'enroulement pour obtenir des résultats explicites. Pour ne pas être pris par surprise, le mieux est d'effectuer un suivi des mesures de résistance d'isolement au fil du temps. Déterminer si une valeur est « bonne » ou « mauvaise » dépend des circonstances, mais Fluke propose tout de même un tableau de résistance d'isolement.³

Recommandations générales

  • Si la différence est inférieure à 25 %, l'équipement fonctionne probablement de manière acceptable (pince de courant de fuite OK)
  • Entre 25 et 50 %, la plupart des professionnels recommandent de procéder à des tests supplémentaires et plus fréquemment (à l'aide d'un testeur de résistance d'isolement)
  • Une différence supérieure à 50 % est considérée par la plupart des professionnels comme un signe indiquant des problèmes potentiels, même s'il est possible que l'équipement continue de fonctionner pendant quelque temps avant de tomber en panne.

Les essais de mise à la terre des circuits de ligne et de charge au niveau du démarreur permettront de déterminer la résistance à la mise à la terre du démarreur, entre les circuits de ligne et le sectionneur, ainsi que celle entre les lignes de charge et le moteur, et l'enroulement du démarreur. Seuils généraux : les dispositifs AC peuvent fonctionner avec une résistance à la terre supérieure ou égale à deux mégohms et ceux en DC avec une résistance à la terre supérieure ou égale à un mégohm. Lorsque vous mesurez la résistance d'un moteur triphasé entre les branches de charge du démarreur, vous devriez constater une résistance élevée et obtenir des mesures équivalentes entre les phases.

Les mesures de la résistance d'isolement peuvent également être effectuées lorsque l'équipement est en fonctionnement, à l'aide d'une pince multimètre de courant de fuite pour mesurer le courant de fuite de l'appareil. Les pinces de courant de fuite, comme le modèle Fluke 360, sont équipées d'une mâchoire spécialement conçue pour éliminer l'influence des conducteurs de courant adjacents et minimiser les effets des champs magnétiques externes, même sur les courants faibles. Les courants de fuite peuvent être un indicateur de l'efficacité de l'isolement des conducteurs. Dans les circuits présentant un isolement faible ou comportant un équipement électronique avec filtres, le niveau du courant de fuite peut être élevé. Les courants de fuite sont susceptibles d'interrompre le fonctionnement normal de l'équipement et des installations. Par rapport au test d'isolement, celui du courant de fuite présente l'énorme avantage de pouvoir être réalisé pendant le fonctionnement normal des équipements et des installations.

La correction de la résistance d'isolement peut être effectuée en réduisant la puissance du moteur conformément aux normes NEMA, si cela ne risque pas d'avoir un impact trop important sur la production. Dans tous les cas, générez un ordre de travail pour remplacer le moteur par un moteur à haute efficacité dès que possible, si les conditions de fonctionnement justifient la mise à niveau.

Économies potentielles et retour sur investissement

Pour déterminer si la dégradation de l'isolement nécessite un remplacement de moteur, essayez ces outils :

  • Utilisez le logiciel MotorMaster+.
  • Calculez les économies potentielles liées à la puissance du moteur en chevaux (ch), au facteur de charge, aux heures de fonctionnement annuelles, aux coûts d'énergie moyens, à l'efficacité du moteur remplacé et à la cote de rendement du nouveau moteur. (Reportez-vous aux calculs tests de la section Déséquilibre de courant dans la Partie I de cette note d'application.4)

Notez que les moteurs à haute efficacité sont environ 1 % plus efficaces que les moteurs à efficacité standard, et que les économies d'énergie seraient rentables en moins de 18 mois.

Courant de démarrage

Si vous avez remplacé d'anciens moteurs par des modèles à haute efficacité, il est possible que vous rencontriez des problèmes de courant de démarrage. Certes, les anciens modèles qui sont remplacés étaient probablement en dehors des spécifications, usés et n'étaient pas équipés de composants électriques de compensation. Cependant, les modèles à haute efficacité génèrent parfois beaucoup plus de courant de démarrage initial que de courant en fonctionnement ou à l'état stable.

Même si tous les moteurs absorbent des courants de démarrage, les moteurs à haute efficacité en absorbent plus. Dans un moteur triphasé, par exemple, le courant de démarrage dure généralement environ 100 millisecondes avec une pointe de courant entre 500 et 1 200 %. Bien qu'éphémère, cette surtension peut créer des problèmes, dont le plus dérangeant est le déclenchement du dispositif de protection.

Le courant d'appel peut être 5 à 12 fois supérieur au courant de fonctionnement normal, selon le type de moteur. Par exemple, si le courant de fonctionnement d'un moteur est de 8 A et que le multiplicateur de courant de démarrage est 5 fois le courant de fonctionnement, votre mesure de courant de démarrage devrait afficher environ 40 A, même si le disjoncteur a une valeur de 20 A.

Le disjoncteur ou l'unité de surcharge ne se déclenche pas, car ces deux dispositifs suivent une courbe temps/courant indiquant la quantité de courant en un temps donné qui traverse sans ouvrir le circuit. Le déclenchement peut également être basé sur la température ; la température peut s'accumuler lentement au cours d'un fonctionnement continu, ou plus rapidement lors du démarrage, mais lorsque le seuil maximum de température est atteint, le circuit se déclenche.

Mesures

Commencez par mesurer le courant de démarrage lors du démarrage. Utilisez un outil spécialement conçu pour le courant de démarrage, comme la pince multimètre Fluke 337, qui synchronise automatiquement le point de départ de votre mesure avec le point de départ du moteur. La fonction Courant de démarrage de votre outil va effectuer de nombreuses mesures d'échantillon pendant la période de démarrage, elle va les filtrer, puis calculer le courant de démarrage réel.

Remarque : n'essayez pas d'utiliser la fonction Min/Max pour capturer le courant de démarrage ; la fonction Max peut mesurer un pic d'énergie temporaire, mais la fonction Courant de démarrage mesure la même énergie fournie au moteur mesurée par le dispositif de protection et qui le déclenche. Les mesures de courant maximales fonctionnaient sur les anciens modèles, mais les composants électroniques avancés créent plus de bruit sur les signaux, trop pour pouvoir obtenir une mesure précise du courant de démarrage.

Corriger le courant de démarrage

Si le courant de démarrage ou la température de fonctionnement est trop proche de la valeur continue du disjoncteur, le moteur provoque alors presque à chaque fois le déclenchement du disjoncteur lors du démarrage. Comme le courant de démarrage est toujours pris en considération pour déterminer la taille du disjoncteur avant l'installation lors du remplacement du moteur par un moteur plus récent et efficace, il peut être nécessaire de remplacer la protection des circuits du moteur par un disjoncteur certifié pour un nouveau type de moteur et avec configurations réglables des déclenchements instantanés.

Remarques

  • ¹ Les informations contenues dans cette section peuvent également être trouvées dans le document source (en anglais), Motor Tip Sheet n°9 (juin 2008), « Improve Motor Operation at Off-Design Voltages », un document Energy Tips - Motor écrit par le Programme de technologies industrielles du DOE.
  • ² Fiche descriptive du DOE : « Optimiser votre système à moteur ».
  • ³ Guide de test d'isolement (.pdf)
  • 4 Moteurs électriques (.pdf)