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Nouveau multimètre numérique Fluke 87V : une solution de mesure idéale pour les variateurs de vitesse

Auparavant, les réparations de moteur consistaient à résoudre des pannes de moteur triphasé classiques, dues en grande partie à l'accumulation d'eau, de poussières, de graisse, aux défaillances des roulements, au mauvais alignement des arbres sur les moteurs ou tout simplement à la vétusté des composants. Mais aujourd'hui ces réparations ont radicalement changé avec l'apparition des moteurs à commande électronique, mieux connus sous le nom de variateurs de vitesse, Ils présentent des problèmes de mesure uniques qui peuvent agacer les experts les plus chevronnés. Grâce à l'innovation technologique, nous vous donnons la possibilité de prendre des mesures électriques précises avec un multimètre numérique lors de l'installation et de la maintenance de tels variateurs de vitesse. Vous pourrez ainsi identifier les composants défectueux et d'autres conditions susceptibles d'entraîner une défaillance précoce du moteur.

Méthodologie de dépannage

Les méthodes de dépannage d'un circuit électrique diffèrent d'un technicien à l'autre, mais une chose est certaine : un bon dépanneur finira toujours par diagnostiquer le problème ! La difficulté réside plus dans le temps que cela prendra et la durée d'indisponibilité du système. En la matière, la procédure de dépannage la plus performante consiste à rechercher d'abord les problèmes les plus évidents, en partant du moteur puis en passant aux composants électriques systématiquement. Remplacer des pièces non défectueuses peut nécessiter beaucoup d'argent et de temps lorsque le problème vient d'une simple connexion desserrée. Veillez à effectuer des mesures précises, au fur et à mesure. Bien entendu, personne ne prend volontairement des mesures imprécises, mais une erreur est vite arrivée dans un environnement électriquement bruyant et à haute énergie tel qu'un variateur de vitesse. Voilà pourquoi il est primordial de choisir des outils de test adaptés au dépannage de variateurs, de moteurs et de connexions, tout particulièrement lorsqu'il s'agit de mesurer la tension, la fréquence et le courant de sortie au niveau de la sortie d'un variateur de vitesse. Jusqu'à présent, aucun multimètre numérique n'avait permis de mesurer avec précision les variateurs de vitesse. Avec la nouvelle version V du multimètre numérique Série 87 Fluke, c'est chose faite ! Il intègre un filtre passe-bas* qui garantit des mesures de sortie parfaitement conformes aux indications du contrôleur du variateur. Dorénavant, les techniciens ne devront plus « deviner » si le variateur de vitesse fonctionne correctement et produit une tension, un courant ou une fréquence correct(e) pour un paramètre de commande donné.

Mesures d'un variateur de vitesse

Mesures d'entrée

Tout multimètre TRMS de bonne qualité peut vérifier la puissance d'entrée vers un variateur de vitesse. En mode phase à phase à vide, les mesures de tension d'entrée ne doivent pas différer de plus de 1 %. Un déséquilibre important doit être rapidement corrigé pour éviter tout fonctionnement irrégulier du variateur.

Écran d'un oscilloscope reproduisant le signal d'un variateur de vitesse à modulation de largeur d'impulsions

Mesures de sortie

Par contre, un multimètre TRMS classique ne peut malheureusement pas lire avec précision les mesures de sortie d'un variateur de vitesse à modulation de largeur d'impulsions (PWM), et ce, parce que le variateur applique une tension non sinusoïdale PWM aux bornes du moteur. Le multimètre numérique TRMS affiche l'effet de chaleur de la tension non sinusoïdale appliquée au moteur, alors que le relevé de tension de sortie du contrôleur du moteur n'affiche que la valeur RMS du composant principal (généralement 30 à 60 Hz). Cette disparité s'explique par les caractéristiques de bande passante et de blindage. À l'heure actuelle, beaucoup de multimètres numériques TRMS offrent une bande passante allant jusqu'à 20 kHz (voire plus), ce qui leur permet de ne pas « répondre » seulement au composant principal (auquel le moteur « répond » réellement), mais également de prendre en compte tous les composants haute fréquence générés par le variateur à modulation de largeur d'impulsions. Côté blindage, si le multimètre numérique n'est pas protégé contre le bruit haute fréquence, les niveaux de bruit élevés du contrôleur creuseront davantage encore l'écart entre les mesures. De nombreux multimètres TRMS, concernés par ces problèmes de bande passante et de blindage, affichent des mesures 20 à 30% supérieures aux indications du contrôleur du variateur de vitesse. Grâce à son filtre passe-bas sélectionnable intégré, le nouveau multimètre Fluke 87V permet aux dépanneurs d'effectuer des mesures précises de la tension, du courant et de la fréquence de sortie, que ce soit au niveau du variateur ou aux bornes du moteur. Une fois le filtre sélectionné, le Fluke 87V génère des relevés de tension et de fréquence (vitesse du moteur) qui devraient être conformes aux indications du contrôleur associé, si celles-ci sont disponibles. Combiné à des pinces de courant à effet Hall, le filtre passe-bas permet également de mesurer le courant avec exactitude. Toutes ces mesures sont particulièrement utiles lorsqu'elles doivent être prises au niveau du moteur, loin de l'afficheur du variateur de vitesse.

Prendre des mesures en toute sécurité

Avant de tester des composants électriques, il convient de savoir comment prendre des mesures en toute sécurité. Quel que soit son niveau de sécurité, aucun instrument de test ne vous protégera contre une mauvaise manipulation. En outre, beaucoup d'instruments ne sont pas conçus pour les variateurs de vitesse. Assurez-vous également d'utiliser un équipement de protection individuelle (EPI) adapté spécifiquement à votre environnement de travail et aux mesures que vous effectuez. Si cela est possible, ne travaillez jamais seul.

Des normes de sécurité adaptées aux instruments de test électrique

L'ANSI et la Commission Électrotechnique Internationale (CEI) sont les organisations indépendantes principales qui définissent les normes de sécurité pour les fabricants d'équipements de test. La norme de sécurité CEI 61010 (deuxième édition) consacrée aux équipements de test régit deux paramètres de base : le niveau de tension et la catégorie de mesure. Le premier correspond à la tension de travail continue maximum pouvant être mesurée par l'instrument de test. Le deuxième est défini par rapport à un environnement de mesure précis pour une catégorie donnée. La plupart des installations à variateur de vitesse triphasé peuvent être considérées comme des environnements de mesure de CAT III, alimentés par un système de distribution à 480V ou 600V. Si vous utilisez un multimètre numérique pour mesurer de tels systèmes à haute énergie, assurez-vous qu'il présente un niveau de sécurité de type CAT III 600 V et, de préférence, de type CAT IV 600 V/CAT III 1 000 V. La catégorie et la tension maximale figurent sur le panneau avant de l'instrument, à la hauteur des bornes d'entrées. Le nouveau Fluke 87V offre deux niveaux de sécurité : CAT IV 600 V et CAT III 1 000 V. Consultez l'ABC de la sécurité des multimètres de Fluke pour plus d'information sur les différents niveaux et pour savoir comment prendre des mesures en toute sécurité.

La prise de mesures

Voyons à présent les possibilités du nouveau multimètre numérique Fluke 87V. La procédure ci-dessous décrit les mesures conçues pour être effectuées sur une commande de variateur triphasé 480 V au niveau des borniers du tableau de commande, à l'aide du 87V. Ces mesures pourraient s'appliquer à des variateurs triphasés d'une tension inférieure alimentés par des tensions monophasées ou triphasées. Pour les besoins de la procédure, le moteur tourne à une fréquence de 50 Hz.

Figure 1. Mesure de la tension de sortie sans filtre passe-bas.

Tension d'entrée

Pour mesurer la tension AC d'entrée au niveau du variateur :

  • Sélectionnez la fonction de tension AC du 87V.
  • Reliez la sonde noire à l'une des trois bornes d'entrée de phase. Ce sera la phase de référence.
  • Reliez la sonde rouge à l'une des deux autres bornes d'entrée de phase, puis enregistrez la mesure.
  • Laissez la sonde noire sur la phase de référence, puis placez la sonde rouge au niveau de la troisième borne d'entrée de phase et enregistrez la mesure.
  • Vérifiez que ces deux mesures ne diffèrent pas de plus de 1 %.

Courant d'entrée

Pour mesurer le courant d'entrée, vous devez vous munir en général d'une pince de courant. Dans la plupart des cas, soit le courant d'entrée dépasse le courant maximum qu'il est possible de mesurer grâce à la fonction Courant du 87V, soit il n'est pas pratique d'interrompre le circuit pour effectuer des mesures d'intensité en ligne. Quel que soit le type de pince, assurez-vous que l'équilibre est correct, c'est-à-dire que les mesures ne présentent pas un écart supérieur à 10 %.

Pince de type transformateur (i200, 80i-400, 80i-600A)

  • Connectez la pince à la borne commune du 87V et aux bornes d'entrée de 400 mA.
  • Sélectionnez la fonction mA/A AC.
  • Fixez la pince aux différents câbles (tour à tour) de la phase d'alimentation d'entrée et enregistrez chaque mesure. Puisque ces pinces produisent 1 mA par ampère, la valeur en milliampères affichée sur le 87V correspond aux mesures de courant en ampères de la phase actuelle.
Figure 2. Mesure de la tension de sortie avec filtre passe-bas activé.

Pince AC/DC à effet Hall (i410, i1010)

  • Connectez la pince à la borne commune du 87V et aux bornes d'entrée V/W.
  • Sélectionnez la fonction de tension AC du 87V.
  • Appuyez sur le bouton jaune pour activer le filtre passe-bas. De cette façon, le multimètre va rejeter le bruit haute fréquence généré par le contrôleur du variateur. Une fois que le passe-bas est activé, le multimètre sera en mode de gamme automatique à 600 mV.
  • Fixez la pince aux différents câbles (tour à tour) de la phase d'alimentation d'entrée et enregistrez chaque mesure. Puisque ces pinces produisent 1 mV par ampère, la valeur en millivolts affichée sur le 87V correspond aux mesures de courant en ampères de la phase actuelle.

Tension de sortie

Pour mesurer la tension de sortie AC au niveau du variateur ou des bornes du moteur :

  • Enfichez le cordon de mesure noir dans la borne commune et le cordon de mesure rouge dans la borne V/W.
  • Sélectionnez la fonction de tension AC du 87V.
  • Reliez la sonde noire à l'une des trois bornes du moteur ou de tension de sortie de phase. Ce sera la phase de référence.
  • Reliez la sonde rouge à l'une des deux autres bornes du moteur ou de tension de sortie de phase.
  • Appuyez sur le bouton jaune pour activer le filtre passe-bas. puis enregistrez la mesure.
  • Laissez la sonde noire sur la phase de référence, puis placez la sonde rouge au niveau de la troisième borne de sortie de phase ou de moteur et enregistrez la mesure.
  • Vérifiez que ces deux mesures ne diffèrent pas de plus de 1 % (voir Figure 2). Ces mesures devraient également correspondre au tableau de commande, si celui-ci est disponible.
  • Si le filtre passe-bas n'est pas activé, les mesures de la tension de sortie peuvent être 10 à 30 % supérieures, comme sur un multimètre numérique classique (voir Figure 1).

Vitesse du moteur (fréquence de sortie à partir d'une tension de référence)

Figure 3. Fréquence de sortie (vitesse du moteur) sans filtre passe-bas.
  • Pour identifier la vitesse du moteur, il suffit de mesurer sa fréquence à l'aide du filtre passe-bas. Cette mesure peut être effectuée entre deux bornes du moteur ou de tension de phase.
  • Enfichez le cordon de mesure noir dans la borne commune et le cordon de mesure rouge dans la borne V/W.
  • Sélectionnez la fonction de tension AC du 87V.
  • Reliez la sonde noire à l'une des trois bornes du moteur ou de tension de sortie de phase. Ce sera la phase de référence.
  • Reliez la sonde rouge à l'une des deux autres bornes du moteur ou de tension de sortie de phase.
  • Appuyez sur le bouton jaune pour activer le filtre passe-bas.
  • Appuyez sur le bouton Hz. La mesure affichée en Hertz à l'écran correspond à la vitesse du moteur (voir Figure 3). Cette mesure aurait été incorrecte sans le filtre passe-bas du Fluke 87V (voir Figure 4).
Figure 4. Fréquence de sortie (vitesse du moteur) avec filtre passe-bas.

Courant de sortie

Tout comme pour le courant d'entrée, munissez-vous d'une pince de courant pour mesurer le courant de sortie. Là encore, quel que soit le type de pince, assurez-vous que l'équilibre est correct, c'est-à-dire que les mesures ne présentent pas un écart supérieur à 10 %.

Pince de type transformateur (i200, 80i-400, 80i-600A)

  • Connectez la pince à la borne commune du 87V et aux bornes d'entrée de 400 mA.
  • Sélectionnez la fonction mA/A AC.
  • Fixez la pince aux différents câbles (tour à tour) de la phase de sortie et enregistrez chaque mesure. Puisque ces pinces produisent 1 mA par ampère, la valeur en milliampères affichée sur le 87V correspond aux mesures de courant en ampères de la phase actuelle.
Figure 5. Mesure du courant de sortie sans filtre passe-bas.

Pince AC/DC à effet Hall (i410, i1010)

  • Connectez la pince à la borne commune du 87V et aux bornes d'entrée V/W.
  • Sélectionnez la fonction de tension AC du 87V.
  • Appuyez sur le bouton jaune pour activer le filtre passe-bas. De cette façon, le multimètre va rejeter le bruit haute fréquence généré par le contrôleur du variateur. Une fois que le passe-bas est activé, le multimètre sera en mode de gamme automatique à 600 mV.
  • Fixez la pince aux différents câbles (tour à tour) de la phase de sortie et enregistrez chaque mesure (voir Figure 6). Puisque ces pinces produisent 1 mV par ampère, la valeur en millivolts affichée sur le 87V correspond aux mesures de courant en ampères de la phase actuelle. Cette mesure n'aurait pas été possible sans le filtre passe-bas du Fluke 87V (voir Figure 5).

Vitesse du moteur (fréquence de sortie à partir d'un courant de référence)

Pour les moteurs exigeant au moins 20 ampères de courant de fonctionnement, la vitesse du moteur peut être calculée en mesurant sa fréquence à l'aide de pinces de courant. Jusqu'à présent, les problèmes de bruit ont toujours empêché de prendre des mesures précises avec des pinces à effet Hall. Désormais, c'est possible grâce au filtre passe-bas.

Mesurer la vitesse du moteur grâce à une pince AC/DC à effet Hall (i410, i1010)

  • Connectez la pince à la borne commune du 87V et aux bornes d'entrée V/W.
  • Sélectionnez la fonction de tension AC du 87V.
  • Appuyez sur le bouton jaune pour activer le filtre passe-bas. De cette façon, le multimètre va rejeter le bruit haute fréquence généré par le contrôleur du variateur. Une fois que le passe-bas est activé, le multimètre sera en mode de gamme automatique à 600 mV.
  • Fixez la pince à l'un des câbles de phase de sortie. Vérifiez que le Fluke 87V mesure bien un courant d'au moins 20 ampères (20 mV à l'écran).
  • Appuyez sur le bouton Hz. Les mesures affichées à l'écran correspondent à la vitesse du moteur en termes de fréquence.
Figure 6. Mesure du courant de sortie avec filtre passe-bas.

Mesure de la vitesse du moteur grâce à une pince de type transformateur (i200, 80i-400, 80i-600A)

  • Connectez la pince à la borne commune du 87V et aux bornes d'entrée de 400 mA.
  • Sélectionnez la fonction mA/A AC.
  • Fixez la pince à l'un des câbles de phase de sortie. Vérifiez que le Fluke 87V mesure bien un courant d'au moins 20 ampères (20mA à l'écran).
  • Appuyez sur le bouton Hz. Les mesures affichées à l'écran correspondent à la vitesse du moteur en termes de fréquence.

Mesures du bus DC

Pour fonctionner correctement, un variateur de vitesse doit disposer d'un bus DC performant. Si la tension de bus est incorrects ou instable, les condensateurs ou les diodes du convertisseur peuvent présenter une défaillance. La tension du bus DC doit correspondre à environ 1,414 fois la tension d'entrée phase à phase. Pour une entrée à 480 V, le bus DC doit avoir une tension approximative de 679 V DC. Le bus DC est représenté par DC+/DC- ou B+/B- sur le bornier du variateur de vitesse. Pour mesurer la tension du bus DC :

  • Sélectionnez la fonction de tension DC du 87V.
  • Reliez la sonde noire à la borne DC- ou B-.
  • Reliez la sonde rouge à la borne DC+ ou B+.
    La tension du bus doit correspondre aux données d'exemple ci-dessus et doit être relativement stable. Pour connaître le niveau de tension d'ondulation AC du bus, placez le sélecteur de fonction du Fluke 87V sur la fonction VAC. Certains variateurs de petite taille doivent être désassemblés pour pouvoir mesurer la tension du bus DC. Si vous n'avez pas accès au bus DC, utilisez la fonction de crête min./max. (Peak MIN MAX) du 87V pour mesurer la tension du bus DC via le signal de tension de sortie.
  • Enfichez le cordon de mesure noir dans la borne commune et le cordon de mesure rouge dans la borne V/½.
  • Sélectionnez la fonction de tension AC du 87V.
  • Reliez la sonde noire à l'une des trois bornes du moteur ou de tension de sortie de phase. Ce sera la phase de référence.
  • Reliez la sonde rouge à l'une des deux autres bornes du moteur ou de tension de sortie de phase.
  • Appuyez sur le bouton MIN MAX.
  • Appuyez sur le bouton « Peak min max » (Crête min./max.).
  • La mesure affichée à l'écran sous « Peak MIN MAX » correspond à la tension du bus DC.