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Guide technique No. 5 Les courants de palier dans les systèmes d’entraînement c

Guide technique No. 5 Les courants de palier dans les systèmes d’entraînement c.a. à vitesse variable ABB drives 2 Guide technique No. 5 | Les courants de palier dans les entraînements c.a. à vitesse variable Guide technique No. 5 | Les courants de palier dans les entraînements c.a. à vitesse variable 3 Guide technique No. 5 Les courants de palier dans les systèmes d’entraînement c.a. à vitesse variable © Copyright 2012 ABB. Toutes les dispositions, indications et caractéristiques sont susceptibles de modification sansréavis. 3BFE64320700 REV C FR 24.2.2012 4 Guide technique No. 5 | Les courants de palier dans les entraînements c.a. à vitesse variable Guide technique No. 5 | Les courants de palier dans les entraînements c.a. à vitesse variable 5 Table des matières Chapitre 1 - Introduction ...........................................................................7 Généralités .........................................................................................7 Eviter les courants de palier ...............................................................7 Chapitre 2 - Origine des courants de palier ...............................................8 Les impulsions de courant HF ............................................................8 Commutation très rapide ...................................................................9 Comment se forment les courants de palier HF? ..................................9 Courant de circulation ...................................................................9 Courant à la terre de l’arbre ...........................................................9 Courant de décharge capacitif ......................................................10 Circuit de mode commun ..................................................................10 Capacités de fuite ...........................................................................11 Quel itinéraire emprunte le courant dans le système? .........................12 Chutes de tension ............................................................................12 Transformateur de mode commun .....................................................14 Diviseur de tension capacitif ..............................................................15 Chapitre 3 - Prévenir les avaries liées aux courants de palier HF ...........17 Trois solutions ..................................................................................17 Câbles moteur multiconducteurs ..................................................17 Itinéraire court et de faible impédance ..........................................18 Liaisons d’équipotentialité HF ......................................................19 Respecter les consignes du fabricant du produit ...............................19 Autres solutions ..........................................................................19 Mesurer les courants de palier HF .....................................................20 Une affaire de spécialistes ................................................................21 Chapitre 4 - Bibliographie ........................................................................22 Chapitre 5 - Index ....................................................................................23 6 Guide technique No. 5 | Les courants de palier dans les entraînements c.a. à vitesse variable Guide technique No. 5 | Les courants de palier dans les entraînements c.a. à vitesse variable 7 Chapitre 1 - Introduction Généralités Il arrive que quelques mois seulement après la mise en route d’un entraînement de puissance à vitesse variable, les roulements du moteur doivent être remplacés. La dégradation prématurée de ces roulements peut être le fait de courants de palier, courants parasites qui circulent dans les roulements. Les courants de palier ont toujours existé dans les moteurs élec- triques mais, depuis quelques années, ils sont à l’origine d’un plus grand nombre d’avaries. Les variateurs électroniques de vitesse modernes, avec leurs impulsions de tension très rapides et leurs fréquences de commutation élevées, peuvent provoquer la circulation d’impulsions de courant haute fréquence dans les roulements qui graduellement détériorent les pistes de roulement. Eviter les courants de palier Pour prévenir cette dégradation, il faut soigner la mise à la terre de l’équipement et permettre aux courants de circulation de reboucler vers le châssis du variateur sans passer par les roulements. L’amplitude de ces courants peut être réduite en utilisant des câbles moteurs à conducteurs symétriques ou en filtrant la sortie du variateur. Par ailleurs, en isolant les roule- ments du moteur, on interrompt le parcours emprunté par les courants de palier. 8 Guide technique No. 5 | Les courants de palier dans les entraînements c.a. à vitesse variable Chapitre 2 - Origine des courants de palier Les impulsions de courant HF Les courants de palier présentent plusieurs formes. Alors que les nouvelles règles pratiques de conception et de fabrication des moteurs permettent quasiment de s’affranchir des courants de palier basse fréquence (BF) induits par l’asymétrie des moteurs, la commutation rapide des composants de puissance des nou- velles générations de variateurs à courant alternatif (c.a.) peut générer la circulation d’impulsions de courant HF à travers les roulements. Si l’énergie de ces impulsions est suffisamment élevée, il y a transfert de métal entre les billes et les pistes de roulement dans le lubrifiant, phénomène appelé “piquage”. L’incidence d’une seule impulsion est négligeable ; cependant, une piqûre microscopique constitue un défaut de continuité qui est lui-même générateur d’impulsions qui seront à l’origine d’un piquage sur toute la circonférence de la piste de roulement. La fréquence de commutation des variateurs c.a. modernes est très élevée et les nombreuses impulsions peuvent provoquer une dégradation rapide des pistes de roulement et donc la dé- térioration des roulements. Les problèmes liés aux courants de palier HF sont étudiés par ABB depuis 1987. L’importance de la conception des systèmes d’entraînement a été mise en évidence seulement récemment. Chacun des éléments constitutifs de l’entraînement (moteur, réducteur et variateur) est un produit fiable de haute technicité avec un MTBF (moyenne des temps de bon fonctionnement) élevé. Mais lorsqu’ils sont associés pour former un ensemble, il est indispensable de respecter certaines règles d’installation. Figure 1: les courants de palier provoquent le piquage des pistes de roulement. Guide technique No. 5 | Les courants de palier dans les entraînements c.a. à vitesse variable 9 Commutation très rapide Les convertisseurs de fréquence actuels à transistors de puis- sance IGBT présentent des commutations 20 fois plus rapides qu’il y a une décennie. Depuis quelques années, on assiste à une augmentation de la dégradation des roulements liée au phénomène de piquage, dans un délai assez court après la mise en route des entraînements c.a. (1 à 6 mois). La gravité des dommages varie en fonction de la configuration de l’ensemble et des méthodes d’installation. Comment se forment les courants de palier HF? Les courants de palier trouvent leur origine dans la tension in- duite dans les roulements. Dans le cas des courants de palier HF, cette tension peut être générée de trois manières différentes. Les principaux facteurs d’influence sont la taille du moteur et le mode de mise à la terre de sa carcasse et de son arbre. L’installation électrique, à savoir le choix du type de câble et le mode de raccordement des conducteurs de protection et du blindage électrique, est primordiale. Le du/dt des composants de puissance du variateur c.a. et le niveau de tension du bus c.c. affectent le niveau des courants de palier. Courant de circulation Dans les gros moteurs, une tension HF est induite entre les extrémités de l’arbre moteur par le flux HF circulant autour du stator. Ce flux est le fait d’une distribution asymétrique du courant capacitif de fuite entre le bobinage et la carcasse du stator. La tension entre les extrémités de l’arbre affecte les roulements. Si elle est suffisamment élevée pour vaincre l’impédance du film d’huile dans les roulements, un courant qui tente de compenser ce flux dans le stator se met à circuler dans la boucle formée par l’arbre, les roulements et la carcasse du stator. Ce type courant de palier HF est appelé “courant de circulation”. Courant à la terre de l’arbre Ce courant qui s’écoule dans le stator doit retourner à sa source, à savoir le variateur. Tout itinéraire qu’il emprunte présente une impédance et, donc, la tension sur la carcasse moteur augmente par rapport au niveau de la terre de la source. Si l’arbre moteur est mis à la terre via la machine entraînée, cette augmentation de la tension moteur est observée sur les roulements. Si la ten- sion augmente suffisamment pour vaincre l’impédance du film d’huile du roulement côté accouplement, une partie du courant peut retourner au variateur via le roulement côté accouplement, l’arbre et la machine entraînée. Ce courant de palier HF est appelé “courant à la terre de l’arbre”. Origine des courants de palier 10 Guide technique No. 5 | Les courants de palier dans les entraînements c.a. à vitesse variable Temps [s] Vcommun Courant de décharge capacitif Dans les petits moteurs, la composante de tension interne de la tension de mode commun sur les capacités de fuite internes du moteur peut générer des tensions d’arbre suffisamment élevées pour créer des impulsions de courant de palier HF. Ce phénomène survient si l’arbre moteur n’est pas mis à la terre via la machine entraînée, alors que la carcasse moteur est mise à la terre selon le mode de protection normal. Circuit de mode commun Les courants de palier HF sont liés à l’existence d’un circuit de mode commun du système d’entraînement c.a. En fonctionnement normal, une alimentation triphasée type dé- livre une tension sinusoïdale équilibrée et symétrique, c’est-à-dire que la somme vectorielle des trois phases est toujours égale à zéro. Il est donc normal que le neutre soit à un potentiel de 0 V. Toutefois, ce n’est pas le cas avec un variateur triphasé MLI (modulation de largeur d’impulsions) dans lequel une tension c.c. est convertie en tensions triphasées. Même si les compo- santes de la fréquence fondamentale des tensions de sortie sont symétriques et équilibrées, il est impossible d’arriver à chaque instant à un équilibre parfait entre les phases avec deux niveaux de sortie possibles. La tension du point neutre n’est pas nulle et peut être définie comme une source de tension de mode commun. Elle peut être mesurée au point zéro de toute charge, par ex., le point étoile du bobinage moteur. Figure 2: forme des tensions de phase d’un variateur MLI triphasé typique et tension moyenne des trois phases (ou tension du point neutre) uploads/Sports/ fr-technical-guide-no-5-revc.pdf