Améliorez le dépannage des variateurs de fréquence

Les améliorations apportées à la technologie d'entraînement à fréquence variable (VFD) ont entraîné une baisse des coûts, une fiabilité améliorée et une utilisation accrue. La plupart des systèmes VFD modernes ont des diagnostics internes qui créent un arrêt automatique en cas de défaut. Cependant, la cause de ces défauts peut parfois être difficile à localiser et à corriger. Cependant, les tests de moteurs hors tension et sous tension peuvent fournir des informations précieuses pour aider à identifier bon nombre de ces problèmes. Cet article explique comment intégrer ces techniques de test de moteur dans le dépannage VFD.

Un VFD redresse l'alimentation triphasée en courant alternatif (CA) entrante pour créer un bus à courant continu (CC). Le bus CC utilise des condensateurs pour lisser le CC redressé en entrée de la section onduleur. Dans la section onduleur, le contrôleur utilise des microprocesseurs pour contrôler les commutateurs à semi-conducteurs qui convertissent la tension continue en une tension alternative triphasée variable et une entrée de fréquence vers le moteur.

En contrôlant la durée de déclenchement des semi-conducteurs (redresseur contrôlé au silicium [SCR] ou transistor bipolaire à grille isolée [IGBT]), la largeur des impulsions CC module le CC pour produire une tension d'entrée triphasée simulée avec une tension et une fréquence variables. La fréquence de la tension d'entrée détermine la vitesse à laquelle le champ magnétique tourne autour du stator. La vitesse à laquelle le champ magnétique est appelée vitesse synchrone (SS).

En raison de la nature de commutation du circuit inverseur, les VFD peuvent créer des problèmes de qualité de l'alimentation (PQ) en introduisant des harmoniques dans le système électrique de l'usine. De plus, les VFD peuvent également être sensibles aux problèmes PQ entrants, provoquant leur arrêt. De nombreux VFD ont une électronique interne qui indique la cause de l'arrêt. Ces codes communs attribuent la cause de la surtension, de la surintensité, de la surcharge, de la tension, du déséquilibre de courant, de la surchauffe ou des défauts externes. Cette information est importante, mais la vraie question est : Qu'est-ce qui a causé la condition de panne ? La condition de panne est-elle causée par le VFD ou subie par le VFD ?

Si le défaut est rencontré par le VFD, cela peut être le résultat d'une alimentation entrante, de problèmes de connexion, de l'un des nombreux problèmes de moteurs ou de défauts de la machine entraînée ou du processus lui-même. Si le défaut est causé par le VFD, cela peut être le résultat de composants électroniques en panne ou défectueux. Parmi les défaillances courantes figurent les diodes dans la section redresseur, les condensateurs sur le bus CC ou la panne ou la défaillance d'un semi-conducteur dans la section onduleur.

L'analyse du circuit moteur (MCA) est une technique de test moteur qui injecte une série de signaux CA et CC basse tension à travers les enroulements du moteur pour évaluer en profondeur l'ensemble du système moteur pendant que le moteur est hors tension. Les tests de moteur MCA peuvent être effectués directement sur le moteur ou à distance depuis la sortie du VFD. Contrairement aux tests de moteur hors tension traditionnels qui ne parviennent pas à identifier les problèmes de rotor ou à développer une panne d'isolation des enroulements, les tests MCA fournissent une indication précoce des défauts en développement dans le système d'isolation du mur au sol et de l'isolation entourant les conducteurs utilisés pour créer les bobines dans le stator ainsi que des défauts existants ou en développement dans la partie électrique des rotors.

Le MCA peut identifier les défauts dans les premiers stades, mais peut également confirmer rapidement que le moteur est "bon", ce qui peut éliminer le moteur comme cause du déclenchement du VFD. En effectuant le test de trois minutes à partir de la sortie du VFD, un "bon" résultat indique non seulement que le moteur est en bon état, mais également que tous les câbles et composants électriques associés dans le circuit testé sont également en bon état.

Cependant, si les résultats indiquent "mauvais", un test supplémentaire de trois minutes directement sur le moteur est effectué. Si le moteur teste "bien", cela signifie que le test a été effectué correctement et que le défaut provient du câblage ou du contrôleur. Si le moteur indique un défaut en développement, des tests MCA en option sont disponibles pour déterminer si le défaut se situe dans le circuit électrique du rotor ou du stator.

Les tests CC basse tension fournissent une indication des problèmes de connexion dans le circuit testé pour confirmer que toutes les connexions externes et internes sont suffisamment serrées. La série de tests AC teste l'isolation de l'enroulement et identifie les petits changements qui se produisent dans la composition chimique de l'isolation de l'enroulement lorsque l'isolation entre les conducteurs commence à se dégrader.

Le test dynamique facultatif nécessite une rotation manuelle de l'arbre du moteur testé et développe une signature statorique qui identifie tout défaut de développement dans l'isolation entourant les conducteurs dans les bobines constituant le système d'enroulement du stator. Les signatures du rotor identifient les défauts du système électrique du rotor tels que l'excentricité statique ou dynamique, les fissures, les ruptures ou les vides de coulée dans les barres du rotor ou les bagues d'extrémité.

L'analyse de la signature électrique (ESA) utilise la tension et le courant d'entrée et de sortie du VFD pour analyser rapidement l'état et la qualité de l'alimentation fournie au variateur ainsi que la tension et le courant de sortie du variateur au moteur. Chacun de ces tests nécessite moins d'une minute. La réalisation de tests de moteur ESA sur l'entrée et la sortie du variateur fournit un profil complet de la puissance d'entrée et de sortie.

Chaque test effectue une capture de données simultanée des trois phases de tension et de courant pour créer des tables PQ pour chacune des trois phases, capture et affiche et stocke 50 millisecondes (msec) des formes d'onde de tension et de courant pour les trois phases. De plus, 50 secondes des formes d'onde de tension et de courant sont numérisées et utilisées pour effectuer des transformées de Fourier rapides (FFT) haute et basse fréquence sur la tension et les courants d'entrée et de sortie.

La tension d'entrée du variateur fournit des informations précieuses indiquant l'état de la tension entrante fournie au variateur. Il calcule toute tension, déséquilibre de courant ou contenu harmonique dans la tension ou le courant entrant. Le courant d'entrée indique l'état de la diode dans la section redresseur du variateur. L'image 2 montre la forme d'onde actuelle avec toutes les diodes allumées correctement. Dans l'image 3, il peut être rapidement déterminé qu'une ou plusieurs des diodes ne s'allument pas correctement.

La tension de sortie du variateur fournit des informations sur l'état du variateur lui-même ainsi que sur la qualité de l'alimentation fournie au moteur. Cela inclut, mais sans s'y limiter, le fonctionnement correct ou incorrect des semi-conducteurs dans les circuits inverseurs et le développement d'une défaillance des condensateurs du bus CC. L'image 4 fournit un instantané d'une phase de la tension de sortie du variateur, qui est la tension d'entrée du moteur.

Toutes les formes d'onde de tension de sortie doivent être relativement uniformes et symétriques. Les formes d'onde de tension non symétriques indiquent des IGBT défaillants ou défaillants. Les ondulations sur la partie plate des parties positive et négative des formes d'onde sont une indication de condensateurs défaillants sur le bus CC. Un condensateur de 20 $ défectueux peut détruire un disque entier.

Le courant du moteur agit comme un transducteur sensible pour le système moteur. Tout défaut existant ou en développement dans le moteur, la machine entraînée ou le processus lui-même entraînera une modulation du courant du moteur. Ces modulations du courant de sortie indiquent l'état électrique ou mécanique ou toute anomalie dans le processus lui-même. Une FFT sur les formes d'onde de tension et de courant numérisées identifie les défauts du moteur tels que les barres de rotor fissurées ou cassées, l'excentricité statique ou dynamique.

L'indication précoce du développement de défaillances de roulements d'éléments roulants, l'équilibre et l'état d'alignement des composants rotatifs du moteur ou de la machine entraînée peuvent également être rapidement identifiés en utilisant les mêmes fréquences de défaut reconnues depuis longtemps dans l'analyse des vibrations.

Le logiciel ESA combine toutes les informations recueillies au cours du processus d'acquisition de données de 50 secondes et les compare à des normes, directives et algorithmes prédéterminés pour créer les graphiques, tableaux et affichages nécessaires pour évaluer l'état de l'ensemble du système moteur, de l'alimentation entrante au processus. À la fin de l'évaluation, l'ESA crée un rapport complet et détaillé qui met non seulement en évidence les problèmes en développement dans la partie électrique, les défauts en développement dans la machine entraînée ou d'autres équipements connectés au moteur, mais également les anomalies dans le processus qui pourraient provoquer le déclenchement du VFD. Le rapport produit détaille également les mesures qui sont conformes aux directives prédéterminées, éliminant ainsi la plupart des conjectures normalement associées au dépannage VFD.

En incorporant MCA et ESA dans le processus de dépannage standard VFD, l'analyste dispose des informations les plus détaillées disponibles pour déterminer rapidement si le défaut est causé par le VFD ou subi par le VFD. Le MCA de trois minutes identifie les moteurs défectueux et peut éliminer le moteur comme cause de la panne et garantir que si un nouveau moteur est installé, il est sans défaut. L'ESA confirme que l'alimentation entrante et sortante du VFD est sans défaut lors d'un test qui prend moins d'une minute.

William Kruger a rejoint ALL-TEST Pro en tant que directeur technique en 2004. Il peut être contacté à [email protected]. Pour plus d'informations, visitez alltestpro.com.