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MESURES 717 - SEPTEMBRE 1999
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AUTOMATISMES
QUAND LES ROULEMENTS
SONT VICTIMES
DES VARIATEURS…
■ Depuis quelques années, on observe une augmentation de la dégradation des roulements des
moteurs présents sur les systèmes d’entraînement. Dans certains cas, ce sont les variateurs de vitesse
électronique qui en sont responsables : leur fréquence de commutation élevée est en effet à l’origine
de courants de palier haute fréquence qui peuvent être amenés à traverser les roulements, provoquant
des phénomènes de piquage.
Pour prévenir ce phénomène, il faut “soigner” la mise à la terre de l’équipement et permettre aux cou-
rants de circulation de reboucler vers le châssis du variateur sans passer par les roulements. L’amplitude
de ces courants peut également être réduite en utilisant des câbles moteurs symétriques ou en filtrant
la sortie du variateur. En isolant les roulements du moteur, on interrompt le parcours emprunté par les
courants de palier.
I
l arrive que quelques mois seulement
après la mise en route d’un entraîne-
ment de puissance à vitesse variable,
les roulements du moteur doivent
être remplacés. La dégradation prématurée
de ces roulements peut être le fait des cou-
rants de palier, courants parasites induits
dans l’arbre moteur et qui circulent dans
les roulements. Ces courants de palier pré-
sentent plusieurs formes. Les plus connus
sont les courants de palier basse fréquen-
ce (BF) induits par l’asymétrie des
moteurs. Les nouvelles règles pratiques de
conception et de fabrication des moteurs
permettent quasiment de s’affranchir de
ces courants. Et puis il y a les courants de
palier haute fréquence (HF), apparus il y
a quelques années avec l’arrivée des nou-
velles générations de variateurs de vites-
se. Les variateurs électroniques de vitesse
actuellement disponibles sur le marché
SOLUTIONS
Les variateurs de vitesse
génèrent des impulsions de
courant à haute fréquence
qui s’écoulent à travers les
impédances de fuite du sys-
tème d’entraînement. Si on
ne prend pas de précautions
suffisantes, ces courants de
fuite peuvent passer à tra-
vers les roulements, provo-
quant une usure prématu-
rée de ceux-ci.
doc. ABB

MESURES 717 - SEPTEMBRE 1999 67
intègrent en effet des transistors de puis-
sance IGBT qui présentent des commuta-
tions 20 fois plus rapides qu’il y a une
décennie. Avec leurs impulsions de ten-
sion très rapides et leurs fréquences de
commutation élevées, ces variateurs de
vitesse peuvent provoquer la circulation
d’impulsions de courant haute fréquence
(HF) dans 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. Ce phénomène,
appelé “piquage”, se manifeste dans un
délai assez court après la mise en route des
systèmes d’entraînement (un à six mois)
et il impose le remplacement prématuré
du roulement.
C’est seulement récemment qu’on a com-
mencé à comprendre ces problèmes. Cha-
cun des éléments constitutifs de l’entraî-
nement (moteur, réducteur et variateur
de vitesse) est un produit fiable de haute
technicité, avec un MTBF élevé (MTBF :
Moyenne des Temps de Bon Fonctionne-
ment). Mais lorsqu’ils sont associés, il
s’avère indispensable de respecter certaines
règles d’installation.
Les courants de palier
ont plusieurs causes
La tension de palierhaute fréquence (HF)
peut être générée de plusieurs manières
différentes. Les principaux facteurs
d’influence sont la taille du moteur et son
mode de mise à la terre.
Asymétrie du flux dans les gros moteurs.
Dans les gros moteurs, il y a une distri-
bution asymétrique du flux. Comme les
impulsions de tension envoyées par le
variateur contiennent des fréquences éle-
vées, les inductances de fuite des enrou-
lements moteur favorisent le chemine-
ment et l’écoulement des courants à la
terre. Si la tension ainsi induite entre les
bouts d’arbre est suffisamment élevée
pour vaincre l’impédance du film d’hui-
le dans les roulements, des courants de
palier HF se mettent à circuler.
Lorsque le courant de fuite retourne au
variateur via le circuit de mise à la terre,
il cherche à emprunter l’itinéraire de
plus faible impédance. Si l’arbre moteur
est mis à la terre via la machine entraî-
née, une partie du courant de fuite peut
circuler par les roulements, l’arbre et la
machine entraînée, pour revenir jus-
qu’au variateur. Ce type de courant de
palier est appelé “courant à la terre de
l’arbre”.
Dans les petits moteurs, les courants de
palier HF peuvent être dus à la présence
de capacités de fuite internes du moteur.
Ce phénomène survient si l’arbre du
moteur n’est pas mis à la terre via la
machine entraînée.
Déséquilibre instantané de l’alimenta-
tion du moteur. Les courants de palier
sont liés à l’existence d’un circuit de mode
commun dans le système d’entraînement.
En fonctionnement normal, un réseau
d’alimentation type délivre 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, cela n’est pas le cas avec
un variateur triphasé MLI (Modulation de
Largeur d’Impulsions) qui génère des
impulsions de largeurs différentes, de sor-
te qu’il est impossible d’arriver à chaque
instant à un équilibre parfait entre les
SOLUTIONS
0
0,5
-0,5
1 Phase A
Phase B
Phase C
Tension de mode commun VCM=Vphase–masse
-1
0
0,5
-0,5
1
-1
0
0,5
-0,5
1
-1
0
0,5
-0,5
1
-1
Les variateurs électroniques de vitesse appliquent des trains d’impulsions
à chacune des phases du moteur. Comme le montre le schéma du bas, la somme
instantanée des trois phases n’est pas nulle. La tension résultante est appelée
“tension de mode commun” et sa fréquence est égale à la fréquence
de commutation du variateur. Cette tension est à l’origine de courants de fuite
à travers les impédances de fuite du moteur.
DÉSÉQUILIBRE INSTANTANÉ DES TENSIONS APPLIQUÉES AU MOTEUR
CMC
CMC
Vcm
Cin
Cc
Lg
Lm LcCm
Enroulement moteur
Câbles
Variateur
Boucle de mode commun simplifiée d’un variateur MLI (modulation à largeur
d’impulsions) et d’un moteur asynchrone. Le variateur joue le rôle de source
de tension de mode commun (Vcm). Le courant de mode commun s’écoule par
les inductances de mode commun du câble et du moteur (Lc Lm) et
les capacités de fuite entre les enroulements moteur et la carcasse moteur
(qui donnent ensemble Cm). De la carcasse moteur, il passe dans le circuit
de terre usine (d’inductance Lg). Lg reçoit également un courant de mode
commun de la capacité de fuite du câble Cc. Le châssis du variateur est
raccordé au réseau de terre usine et couple les courants de terre du courant
de mode commun via les capacités de fuite entre le variateur et la carcasse,
refermées (Cin) sur la source de tension de mode commun.
BOUCLE DE MODE COMMUN D’UN ENTRAINEMENT MOTEUR + VARIATEUR

MESURES 717 - SEPTEMBRE 1999
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phases (ce qui n’empêche pas que les ten-
sions peuvent être équilibrées au niveau
de leur amplitude maximale). La tension
résultante est appelée “tension de mode
commun”, à laquelle le moteur est sen-
sible. Les courants dus à la présence de
cette tension s’écoulent à travers les impé-
dances de fuite présentes entre tout dis-
positif raccordé aux phases du variateur
(câbles moteur et enroulements moteur,
par exemple) et la terre.
Fronts de tension. Les impulsions de ten-
sion rapides produites par les variateurs
modernes contiennent des fréquences éle-
vées (plusieurs kHz, voire plusieurs MHz).
Les variateurs électroniques de vitesse
n’échappent pas à la règle et ils compor-
tent donc un convertisseur
alternatif/continu incorporant, comme
aujourd’hui tous les convertisseurs, une
électronique de découpage haute fré-
quence. Les courants haute fréquence créés
à l’intérieur de ce convertisseur s’écoulent
par les capacités de fuite formées naturel-
lement entre les conducteurs (véhiculant
ces courants) et la masse du système
d’entraînement.
Dès lors que deux éléments conducteurs
sont séparés
par un iso-
lant, il y a un effet capacitif. Autant dire
que les capacités de fuite sont présentes
partout. Par exemple, une spire d’enrou-
lement moteur isolée de la carcasse par un
vernis et un isolant d’encoche a une capa-
cité par rapport à la carcasse du moteur.
Des capacités de fuite se forment ainsi
naturellement entre les conducteurs et la
terre d’un système d’entraînement.
On sait que l’impédance d’une capacité
est inversement proportionnelle à la capa-
cité et à la fréquence. Les capacités à l’inté-
rieur du moteur sont très faibles. Aux
basses fréquences (BF), elles présentent
une forte impédance, ce qui bloque les
courants de circulation BF. Il en va autre-
ment pour les hautes fréquences, aux-
quelles travaillent les variateurs. En effet,
aux très hautes fréquences, même les
faibles capacités constituent un chemin de
faible impédance pour la circulation des
courants. Ces courants font partie du cou-
rant de mode commun total et emprun-
tent un parcours appelé “boucle de mode
commun”.
Plusieurs de ces boucles se forment dans
tout système d’entraînement. Leur
nombre dépend de la configuration du
système et des règles d’installation mises
en œuvre. Elles partent toutes de la sour-
ce de tension de mode commun, à savoir
le variateur lui-même, où les fronts de ten-
sion de l’onduleur se traduisent, aux fré-
quences élevées, par des impulsions de
courant de forte intensité.
Le courant de mode commun ne cherche
pas naturellement le réseau de terre sous
la surface du bâtiment ou tout transfor-
mateur de puissance et sa terre associée.
Il s’écoulera cependant par ceux-ci ou par
SOLUTIONS
En s’écoulant à tra-
vers les roule-
ments, les cou-
rants de palier
provoquent le
piquage des pistes
de roulement.

MESURES 717 - SEPTEMBRE 1999 69
le parcours de plus faible inductance (cou-
plages capacitifs parasites) jusqu’au bus
CC, via le châssis du variateur.
L’impédance de palier varie
au cas par cas
La circulation de courants dans les roule-
ments peut varier rapidement, car elle
dépend de l’état physique du roulement
à un moment donné. Par exemple, une
capacité de fuite dans le roulement n’est
entretenue que tant que les billes des rou-
lements sont recouvertes d’huile ou de
graisse et ne sont pas conductrices. Cette
capacité, où siège la tension d’arbre indui-
te, peut être court-circuitée si la tension
de palier franchit le seuil de claquage ou
si une bille perce le film d’huile et entre en
contact avec les deux pistes de roulement.
A très petite vitesse, les roulements pré-
sentent un contact métallique car les billes
ne sont pas sur un film d’huile.
En général, l’impédance de palier dicte le
niveau de tension où le roulement com-
mence à être conducteur. Cette impédan-
ce est une fonction non linéaire de la char-
ge, de la température et de la vitesse de
rotation du roulement, et du lubrifiant
utilisé. Elle varie au cas par cas.
Prévenir les avaries liées
aux courants de palier HF
Les courants de palier HF peuvent être
maîtrisés en veillant à la qualité du câbla-
ge et de la mise à la terre, en rompant
les boucles de courants de palier et en
amortissant le courant de mode com-
mun HF. Selon le type de courants de
palier HF, on privilégiera telle ou telle
solution.
La règle de base pour prévenir tous les
types de courant HF est une bonne mise à
la terre. Les méthodes standard de mise à
la terre des équipements visent essentiel-
lement à réaliser une liaison d’impédance
suffisamment faible pour protéger le maté-
riel et les personnes des défauts du réseau.
Un entraînement à vitesse variable peut
être efficacement mis à la terre et protégé
des hautes fréquences du courant de mode
commun si certaines règles élémentaires
d’installation sont respectées :
- Utiliser uniquement des câbles moteur
symétriques. Le conducteur de terre (ter-
re de protection, PE) du câble moteur doit
être disposé de manière symétrique pour
éviter les courants de palier à la fréquen-
ce fondamentale. Cette symétrie est obte-
nue avec un conducteur PE enveloppant
tous les conducteurs de phase ou avec un
câble constitué de trois conducteurs de
phase et trois conducteurs de terre parfai-
tement symétriques.
- Définir un itinéraire court et de faible
impédance pour le retour du courant de
mode commun vers le variateur. Pour ce
faire, la méthode la plus efficace et la plus
aisée consiste à utiliser des câbles moteur
blindés. Le blindage doit être continu et
en matériau bon conducteur HF (cuivre
ou aluminium). Les raccordements aux
deux extrémités devant être faits avec une
reprise de masse sur 360°.
- Ajouter des liaisons d’équipotentialité
entre les différents équipements et les
points connus de référence à la terre, en
utilisant des fils de cuivre tressés de 50 à
100mm de large car les conducteurs de
section plate constituent un parcours de
plus faible inductance que les conducteurs
de section ronde. Ces liaisons d’équipo-
tentialité doivent être réalisées là où une
discontinuité est suspectée entre le niveau
de terre du variateur et celui du moteur.
Par ailleurs, il peut être nécessaire de réa-
liser l’équipotentialité entre les carcasses
du moteur et de la machine entraînée
pour court-circuiter la circulation de cou-
rants dans les roulements du moteur et de
la machine entraînée.
L’interruption des boucles de courants de
palier se fait dans le moteur en isolant le
ou les roulements. L’amortissement du
courant de mode commun HF côté varia-
teur peut être réalisé avec des filtres spé-
ciaux. Constructeur de variateurs et de
moteurs, ABB peut proposer la solution la
mieux adaptée à chaque cas et fournir des
instructions détaillées pour la mise à la
terre et le câblage.
Philippe Brem
Responsable produits vitesse variable
ABB Industrie
ABB Industrie Drives
15, rue Sully
69150 Décines
Tél. : [phone] - Fax : [phone]
SOLUTIONS
Mesurer les courants de palier HF
■ Si vous suspectez la présence de courants
de palier HF, des mesures peuvent être faites
sur site pour contrôler l’existence de boucles
de courant. Cette opération peut cependant
s’avérer difficile car le courant de mode com-
mun peut circuler dans des organes inhabi-
tuels, tels que les arbres en rotation. Il s’agit
de détecter les impulsions de courte durée et
rapides dans un environnement bruyant (tant
au niveau électrique que mécanique), opéra-
tion qui exige un matériel spécial et un per-
sonnel expérimenté. Pour ce faire, ABB utilise
un capteur de courant de type Rogowsky,
flexible, sans fer, de conception spéciale pour
la mesure des courants de palier HF. Le grou-
pe a acquis une certaine expérience dans ce
domaine puisqu’à ce jour, il a contrôlé plus de
900 entraînements à vitesse variable dans le
monde entier et dans des applications très
différentes. Bien entendu, il s’agissait d’instal-
lations à problème, les utilisateurs ou les ins-
tallateurs n’ayant pas respecté les règles de
l’art...
Pour limiter les courants de palier, il est recommandé d’utiliser uniquement des câbles moteur symétriques. Le
conducteur de terre (terre de protection, PE) du câble moteur doit être disposé de manière symétrique pour éviter
les courants de palier à la fréquence fondamentale. Cette symétrie est obtenue avec un conducteur PE envelop-
pant tous les conducteurs de phase ou avec un câble constitué de trois conducteurs de phase et trois conducteurs
de terre parfaitement symétriques.
Conducteur PE
Conducteur PE et blindage
blindage
CONFIGURATIONS DE CÂBLES “MOTEURS” SYMÉTRIQUES