Utilisation de la surveillance dynamique des moteurs électriques pour identifier les problèmes mécaniques

Les tests dynamiques de moteurs électriques sont souvent appelés tests en ligne car ils nécessitent que le moteur tourne et supposent généralement que le moteur se trouve dans son environnement naturel. Le test dynamique implique la connexion de sondes de tension et de transformateurs de courant. La connexion de l'équipement de test dynamique est sûre, rapide et non intrusive. Les données sont acquises et les résultats sont affichés sous forme de résumé. Les données collectées sont comparées aux informations de la plaque signalétique saisies par l'utilisateur et sont présentées dans un format réussite/échec avec à la fois les données de test actuelles et les journaux de tendance affichés après chaque test successif.

Le besoin de tester les moteurs

Chaque technicien de fiabilité sait que les coûts associés aux pannes de moteur peuvent être dévastateurs pour toute opération commerciale. Trouver qu'un moteur fonctionne dans des conditions qui créent une chaleur ou une contrainte excessive est un guide pour le technicien pour apporter des modifications au fonctionnement du moteur et surveiller son isolation. Le fait de savoir qu'un moteur est en danger imminent de panne donne au technicien le temps de planifier les réparations à sa convenance plutôt que de se laisser dicter par le moteur en raison d'une panne catastrophique. Réduire les temps d'arrêt imprévus tout en augmentant l'efficacité et la rentabilité sont des objectifs communs à tous les techniciens de fiabilité. Les tests et la surveillance dynamiques des moteurs sont un concept relativement nouveau qui aide et fait progresser les capacités des personnes responsables du fonctionnement sûr et continu des moteurs électriques et des équipements associés.

Ce que vous dit le test dynamique

Un moteur est une partie d'un système complet qui comprend la qualité de l'alimentation entrante, le moteur et la charge entraînée. De nombreux problèmes de moteur sont créés par une mauvaise qualité de l'alimentation entrante, et bien d'autres problèmes peuvent être attribués à la charge et à des problèmes liés à la charge.

Un équipement de test de moteur dynamique à la pointe de la technologie est capable de séparer les problèmes électriques des problèmes mécaniques ainsi que de définir les problèmes liés à l'alimentation. Un bon équipement de test fournira une énorme quantité d'informations concernant la puissance entrante, y compris les niveaux de tension, les déséquilibres et le contenu harmonique. Une petite quantité de déséquilibre de tension entraînera une quantité beaucoup plus importante de déséquilibre de courant et augmentera les pertes dans le moteur. La distorsion harmonique entraîne également un gaspillage d'énergie provoquant une surchauffe due principalement à des ondes sinusoïdales non sinusoïdales. Ces problèmes affectent directement les performances d'un moteur et sa capacité à supporter sa charge. Dans l'ensemble, une mauvaise qualité de l'alimentation se manifeste par une chaleur plus élevée dans le stator et le rotor, réduisant l'efficacité et entraînant éventuellement des pannes prématurées du moteur. La surveillance de la qualité de l'alimentation et les ajustements nécessaires sont essentiels pour maintenir la longévité du moteur.

Outre l'état de l'alimentation, les tests dynamiques fournissent des informations détaillées sur le comportement du moteur et offrent des preuves de problèmes mécaniques potentiels. L'équipement de test suit les niveaux de courant et les déséquilibres, les niveaux de charge et les informations relatives au couple. En combinant ces données avec les informations sur la qualité de l'alimentation, l'équipement peut prédire les facteurs de déclassement qui indiquent les zones problématiques potentielles.

Le couple et l'ondulation du couple ajoutent une autre pièce du puzzle qui est nécessaire pour un diagnostic cohérent et précis de la santé du moteur. L'ondulation de couple est définie comme la division du couple maximal divisé par le couple moyen pendant la période d'acquisition. L'ondulation de couple elle-même est une mesure de la petite taille de la bande de couple qui entoure un couple moyen en régime permanent. L'ondulation de couple est indépendante de l'état de l'alimentation et du niveau de courant. Il fournit un aperçu visuel de la performance de la charge entraînée et est un indicateur de la contrainte du rotor.

Les tests dynamiques peuvent identifier les problèmes de barre de rotor avec un degré élevé de précision, et les journaux de tendances rendent leur suivi dans le temps facile et prévisible. Les défauts de la barre du rotor et de la cage entraînent une perte d'efficacité et une augmentation de la chaleur aboutissant à une panne prématurée du moteur.

Mesurer et suivre l'efficacité est une tâche très difficile. L'efficacité de fonctionnement d'un moteur ne peut pas être facilement mesurée dans une application sur le terrain. De nombreuses normes ont un certain nombre d'exigences qui ne peuvent généralement être remplies que dans un environnement de laboratoire. Ces normes se concentrent également généralement sur la garantie d'une description correcte des capacités d'un moteur dans de bonnes conditions de tension de fonctionnement. Sur le terrain, cependant, il y a peu de place pour des exigences telles que le découplage d'un moteur ou la régulation du niveau de tension pour une course à saturation. Les questions concernant les capacités d'un moteur particulier s'avèrent d'importance secondaire par rapport à l'efficacité de fonctionnement dans les conditions données sur le terrain. Le résultat d'un tel environnement est que les véritables efficacités sont irréalistes à obtenir.

Cependant, l'efficacité de l'exploitation est d'une importance cruciale pour une gestion soucieuse de l'énergie. Les exigences pour une véritable mesure de l'efficacité de fonctionnement dans un environnement de terrain sont nombreuses et irréalistes (comme l'installation de capteurs de couple sur l'arbre du moteur et la mesure de la puissance d'entrée du moteur aux bornes du moteur, souvent à des niveaux de tension élevés). Au lieu d'une véritable mesure de l'efficacité, l'estimation de l'efficacité devient la seule approche adaptée au terrain pour la gestion de l'énergie. La différence entre la mesure de l'efficacité opérationnelle et l'estimation de l'efficacité opérationnelle réside dans le fait que la première tente de trouver la véritable efficacité opérationnelle via une mesure directe, tandis que la seconde accepte une petite mesure d'imprécision pour une convivialité considérablement accrue.

Études de cas

Dans une expérience de laboratoire contrôlée, une analyse des vibrations et des données dynamiques ont été acquises sur un nouveau moteur de 5 chevaux et 460 volts. Le moteur a été démonté et la bague extérieure du roulement du côté entraînement a été intentionnellement endommagée (Figure 1).

Figure 1

Le moteur a été remonté et de nouvelles données collectées. La formule commune utilisée dans l'analyse des vibrations a été appliquée aux données acquises, et les résultats ont été affichés à la fois sur les spectres de vibration et les spectres de couple.

Les calculs résultants ont conclu que le défaut de la course externe devrait apparaître à 107 Hz avec des bandes latérales liées à la vitesse du moteur dans les spectres de vibration et deux fois la fréquence fondamentale dans les spectres de couple (Figures 2 et 3). Le défaut de la course extérieure avec ses bandes latérales était beaucoup plus facile à déterminer dans les données acquises dynamiquement que les spectres de vibration.

Figure 2. Spectres de vibration

Figure 3. Spectres de couple démodulé

Problèmes de barre de rotor

Dans une autre étude contrôlée en laboratoire, un moteur de 1 cheval-vapeur fonctionnant à pleine charge sur un petit dynamomètre a été testé minutieusement avec le testeur dynamique. Les résultats ont ensuite été enregistrés et analysés. Le rotor a été retiré et un trou de 5/8 de pouce a été percé à travers une barre de rotor, la coupant complètement. Le moteur a été assemblé et retesté dans des conditions identiques. Encore une fois, les résultats ont été enregistrés puis comparés aux données d'origine (Figures 4 et 5).

Figure 4

Figure 5

La barre de rotor cassée a été clairement définie dans l'analyse de la signature actuelle sans aucune difficulté ni diagnostic intensif.

Cavitation

Dans une grande centrale électrique en Caroline du Nord, les mécaniciens ont remarqué que l'une des trois pompes de 15 000 chevaux développait un débit inférieur à celui des deux autres. Les mécaniciens ont blâmé le moteur, tandis que les électriciens ont maintenu que la pompe était en faute. Des données électriques dynamiques ont été acquises et analysées. La figure 6 montre les ondulations de couple résultantes.

Figure 6

Une pompe a affiché les grandes variations de l'ondulation de couple, tandis que les deux pompes qui fonctionnaient normalement avaient la signature de couple la plus petite. À la suite de ces tests, un plongeur a été envoyé dans la fosse et a constaté que les boulons d'une cloche d'extrémité s'étaient rouillés, permettant à la flûte qui dirigeait l'eau dans la pompe de tomber. Cette situation a amené la pompe à faire circuler de l'eau à l'extérieur de la pompe et a créé de la cavitation. Les boulons des autres pompes devaient également être remplacés et auraient échoué dans un proche avenir. Le temps d'arrêt requis pour effectuer les réparations a coûté plusieurs millions de dollars à l'installation, mais la productivité accrue après les réparations a facilement compensé ces coûts.

En conclusion, les tests dynamiques de moteurs et les équipements de pointe disponibles aujourd'hui deviennent rapidement les outils de choix pour les techniciens de fiabilité du monde entier. La technologie est assez récente et de nouvelles innovations élargissent continuellement ses capacités et ses horizons.