causes et analyse des défaillances de stators et de rotors

CAUSES ET ANALYSE DES DÉFAILLANCES DE
STATORS ET DE ROTORS DES MOTEURS À INDUCTION
À COURANT ALTERNATIF
Par Austin H. Bonnett, compagnon IEEE
Conseiller EASA, Technologie et Formation, St. Louis, Missouri
Par George C. Soukup, Membre IEEE
U.S Electrical Motors, Division de Emerson Electric, St. Louis, Missouri
SOMMAIRE
Le moteur à induction à cage constitue la bête de somme
de l’industrie en raison de sa robustesse et de sa
polyvalence. Il comporte cependant des limites qui,
lorsqu’elles se trouvent dépassées, entraîneront une
défaillance prématurée du stator ou du rotor.
La raison d’être de la présente fiche technique consiste à
identifier les différentes causes de défaillances des stators
et des rotors. Nous proposons une méthodologie spécifique
visant à favoriser une analyse exacte de ces bris. Bien que
cet article porte principalement sur les moteurs à induction à
cage d’écureuil triphasés, une grande partie de son contenu
s’applique également à d’autres types d’appareils à courant
alternatif.
Puisque l’isolement entre les spires du fil de bobinage est
habituellement affecté par la plupart des défaillances
d’enroulement et ce, quelle que soit la cause, nous
porterons une attention particulière à cet élément.
Le présent document se veut une mise à jour et un
abrégé de bon nombre d’articles rédigés précédemment par
les auteurs. À titre de référence, il comporte une
bibliographie qui offre une présentation plus détaillée de la
matière traitée.
INTRODUCTION
La majorité des défaillances de stators et de rotors
s’avèrent provoquées par une combinaison de contraintes
qui agissent sur les deux composants.
Dans le cas du stator, ces contraintes peuvent se
regrouper comme suit :
A. Thermiques
1. Vieillissement
2. Surcharge
3. Instabilité
4. Transitoires
B. Électriques
1. Milieu diélectrique
2. Cheminement
3. Effet de couronne
C. Mécaniques
1. Mouvement de bobines
2. Contact rotor-stator
3. Divers
D. Environnementales
1. Humidité
2. Produit chimique
3. Abrasion
4. Corps étranger
Quant au rotor, les contraintes se retrouvent dans des
groupes plus élargis. Ces contraintes sont d’ordre :
A. Thermique
B. Électromagnétique
C. Résiduel
D. Dynamique
E. Environnemental
F. Mécanique
Les contraintes imposées au rotor se révèlent le résultat
des forces et des conditions suivantes :
1.
2.
3.
4.
Couple de fonctionnement
Force dynamique déséquilibrée
Vibrations de torsion et couples transitoires
Forces résiduelles de coulage, soudage, usinage
et ajustements (radiaux, axiaux, autres)
5 . Force magnétique créée par le flux d’une fuite de
cannelure, vibrant à deux fois la fréquence du
courant du rotor
6 . Force magnétique créée par l’excentricité de
l’entrefer
7 . Force centrifuge
8 . Contrainte thermique provenant de la surchauffe
de la bague d’extrémité
9 . Contrainte thermique provenant de la différence de
température dans les barres au démarrage (effet
pelliculaire)
1 0 . Contrainte thermique causée par l’expansion d’une
barre axiale
1 1 . Force axiale exercée par le biais d’une barre de
rotor
D’aucuns pourraient avancer que cette classification des
contraintes n’est pas tout à fait exacte. Les auteurs le
reconnaissent volontiers et mentionnent qu’ils la présentent
ainsi uniquement pour les besoins de leurs explications.
Si le moteur est conçu, fabriqué, installé, utilisé et
entretenu de façon appropriée, ces contraintes demeureront
dans des limites acceptables et le moteur fonctionnera
comme prévu durant de nombreuses années. Toutefois,
puisque chacun de ces facteurs (du concept à l’entretien)
varie d’un utilisateur à un autre, la durée de vie utile du
moteur variera également.
CAUSES ET ANALYSE DES DÉFAILLANCES DE
STATORS
Cette section porte sur les relations entre les diverses
contraintes et la façon dont elles influent sur la longévité du
stator et contribuent à provoquer des défaillances
prématurées.
TN31-1
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
CONTRAINTES THERMIQUES
A. Vieillissement
On peut utiliser les procédés d’essais IEEE 117 et
IEEE 275 dans le but de déterminer les effets de la
température sur le système d’isolation du bobinage. Par
cette méthode, on établit une longévité minimale de
l’isolation à 20 000 heures pour les échantillons de tests,
notamment une motorette ou un modèle à l’échelle d’un
enroulement de bobine de stator, dans les conditions
d’essai prescrites (voir figure 1). En règle générale, chaque
augmentation de température de 10°C réduit de moitié la
longévité thermique de l’isolement. Le graphique ci-dessous
montre la relation entre les différentes catégories d’isolation
et les températures de fonctionnement.
o
Fiche technique n 31
matériaux isolants de Classe F, la longévité thermique se
verrait prolongée de 100 000 heures (voir figure 1).
B. Surcharge thermique
1. Variations de tension
Au cours des dernières années, les fabricants ont conçu
des moteurs de plus en plus puissants logés dans des bâtis
aux dimensions données, ce qui a pour résultat de rendre
les moteurs beaucoup plus susceptibles de s’endommager
en raison des variations de tension. Ces variations affectent
la performance du moteur ainsi que la température du
bobinage.
Les moteurs sont conçus conformément à la norme
NEMA (MG 1-12.44) pour fonctionner de façon satisfaisante
avec une variation de tension de ± 10 %. Le fait de
fonctionner
hors
de
cette
plage
peut
réduire
considérablement la vie utile du moteur.
2. Tension entre phases déséquilibrée
Un léger déséquilibre de tension provoquera une hausse
de température excessive du bobinage. Généralement, pour
chaque déséquilibre de tension de 3-1/2 % par phase, la
température de l’enroulement augmentera de 25 % dans la
phase qui présente le courant le plus élevé. Voilà pourquoi il
faut tout mettre en œuvre pour maintenir une alimentation
de tension triphasée équilibrée.
À moins que la température de service ne soit
extrêmement élevée, l’effet habituel du vieillissement
thermique ne fait que rendre le système d’isolation
vulnérable à d’autres facteurs ou contraintes d’influence qui
sont, en fait, les véritables responsables de la défaillance.
Une fois que le système d’isolation a perdu son intégrité
physique, il n’est plus en mesure de résister aux contraintes
normales
d’ordre
diélectrique,
mécanique
et
environnemental. Soulignons ici que toute contrainte qui se
fait suffisamment grave pourra causer un bris
d’enroulement, et ce, quel que soit le degré de
vieillissement thermique. En examinant l’effet de la
température sur le vieillissement thermique, on constate
qu’il existe deux manières évidentes de prolonger la
longévité thermique : abaisser la température de
fonctionnement et accroître la qualité des matériaux isolants
utilisés.
À titre d’exemple : si un moteur fonctionnait à des
températures de Classe B (130°C max.) et qu’il était doté de
TN31-2
3. Instabilité
Au moment du démarrage, un moteur commande de cinq
à huit fois la quantité de courant normale nécessaire à son
fonctionnement sous charge. Lorsqu’on le soumet à des
démarrages répétés dans un court laps de temps, la
température de l’enroulement augmente rapidement. Selon
son utilisation particulière, chaque moteur présente ses
propres limites. Prenons par exemple deux moteurs
identiques : installons le premier sur un volant de haute
inertie et l’autre sur une pompe à eau centrifuge. Le moteur
utilisé pour activer la pompe pourrait démarrer bien plus
souvent à chaque heure que celui relié au volant et malgré
tout fonctionner dans des limites sécuritaires. Quant à
savoir combien de fois il est possible d’effectuer des
démarrages de façon sécuritaire, mieux vaut consulter le
fabricant du moteur. Question de gagner du temps,
s’assurer de mentionner au fabricant les constituants de la
charge (inertie, poids, courbe vitesse-couple de la charge
au démarrage, cycle de démarrage, etc.).
Autre effet d’affaiblissement causé par l’instabilité,
l’expansion et la contraction du système d’isolation : sur une
période prolongée, les matériaux auront tendance à se
fragiliser et à craqueler. Le concepteur de l’isolement doit
s’assurer que les matériaux utilisés soient assez souples
pour supporter ce mouvement sans se briser, mais pas
suffisamment flexibles pour provoquer une défaillance
imputable aux forces mécaniques. (Lire le texte sous
« Contraintes mécaniques »).
4. Surcharge
Les fabricants prévoient généralement une certaine
marge pour leurs moteurs. Pour ce faire, ils conçoivent
l’appareil de façon à ce qu’il fonctionne sous les limites
normales d’un système d’isolation donné ou bien ils utilisent
un système pouvant supporter des températures bien
supérieures à celle du fonctionnement du moteur.
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
o
Fiche technique n 31
Dans les plus récentes caractéristiques nominales
NEMA, on accomplit cela par l’utilisation d’un système
d’isolation de Classe F jumelé à des températures de
fonctionnement de Classe B. À l’intérieur de certaines
limites, on peut estimer que l’échauffement du bobinage
augmentera au carré de la charge, soit (T C2). En utilisant
ce rapport conjointement avec la figure 1 qui met en relation
température et longévité, il est possible d’évaluer l’effet de
la charge sur la durée de vie de l’enroulement. À titre
d’exemple : un moteur de 100 HP dont l’échauffement est
de 64°C sous pleine charge fonctionnera à 85°C sous une
surcharge de 15 %. (On présume ici que la température
ambiante est de 40°C sous les deux charges). Dans ce cas,
la longévité thermique chutera de 1 000 000 d’heures à
160 000 heures.
5. Obstruction de la ventilation
La chaleur produite dans le rotor et le stator se dissipe
par conduction, convection et radiation. Tout obstacle au
débit d’air à l’intérieur ou au-dessus du moteur ou qui
entrave le processus de radiation de la chaleur de ses
pièces entraînera une hausse de température du bobinage.
De là l’importance de garder le moteur propre à l’intérieur
comme à l’extérieur et de s’assurer que le débit d’air ne soit
pas restreint. À titre de conseil pratique, s’il se révèle
nécessaire de faire fonctionner un moteur surchauffé pour
une raison donnée, on peut envisager la possibilité de créer
un refroidissement supplémentaire en augmentant le débit
d’air qui passe au-dessus du moteur. On peut réaliser cette
opération à l’aide d’un appareil de ventilation portatif.
S’assurer que le jet d’air soit dirigé de façon à favoriser
l’aération normale du moteur et non à lui nuire. Lorsqu’il
s’avère peu commode de maintenir le moteur propre, on
devrait en tenir compte à l’étape de la conception. Encore
une fois, cela peut s’effectuer par la restriction de
température du bobinage ou l’installation d’un système
d’isolation de qualité supérieure.
certains matériaux présentent une plus grande endurance à
la tension que d’autres. On peut diviser ces contraintes en
trois groupes distincts :
1.
2.
3.
Il incombe au concepteur de bien comprendre l’utilisation
à laquelle on destine le moteur, de bien choisir les
matériaux et de proposer des concepts de bobines capables
d’assurer la longévité de l’ensemble.
B. Cheminement
On a constaté, particulièrement dans le cas des moteurs
dont la tension de service est supérieure à 600 volts, la
manifestation possible d’un phénomène connu sous le nom
de « cheminement » dans le bobinage lorsque le système
d’isolation ne se trouve pas lui-même isolé de
l’environnement. Le processus de défaillance est le suivant :
1.
2.
3.
TABLEAU 1 :TEMPÉRATURE AMBIANTE CONTRE LA
LONGÉVITÉ DE L’ISOLEMENT
Ambiante (C°)
Durée de vie
de l’isolement (heures)
30
250 000
40
125 000
50
60 000
60
30 000
CONTRAINTES ÉLECTRIQUES
Au moment d’aborder le sujet des défaillances de
bobinage dues à des contraintes électriques, il est essentiel
de posséder une connaissance de base des matériaux
isolants et de leurs propriétés. L’espace réservé au présent
article ne nous permettant pas d’approfondir cette
connaissance, nous nous contenterons d’effectuer un survol
des points importants et d’indiquer certaines situations où
des problèmes pourraient survenir.
A. Milieu diélectrique
Il existe une relation bien définie entre la durée de vie de
l’isolement et les contraintes de tension qui s’exercent sur
les matériaux isolants. De plus, force est de constater que
entre phases
entre spires
de spire à mise à la terre
Une petite piqûre ou fuite se crée entre le conducteur
de cuivre et l’air libre.
Une combinaison d’humidité et d’un corps étranger
vient former un pont à haute résistance entre le
conducteur et la mise à la terre.
En raison de la différence potentielle, un faible
courant passe à la terre, causant ainsi de petits
points de brûlure dans le système d’isolation. À
mesure que cette situation progresse, l’isolement à
la terre se détériore au point de provoquer un bris.
Une pratique commune visant à minimiser cette
condition consiste à maintenir le moteur propre et
sec. Quand cela s’avère difficilement réalisable, bon
nombre d’utilisateurs demandent aux fabricants de
moteurs de leur fournir un bobinage dont le système
d’isolation se révèle capable de réussir le test
d’immersion de moteur scellé, tel que le décrivent les
normes NEMA MG 1-20.49 et IEEE 429. Il n’est pas
recommandé d’effectuer ce test sur des modèles de
production.
C. Effet de couronne
L’effet de couronne peut devenir un sérieux problème,
surtout dans le cas de bobinages qui fonctionnent dans une
plage supérieure à 5kV ou d’une source d’alimentation à
inverseur. Cet effet se manifeste sous forme de décharge
localisée qui est le résultat d’une ionisation gazeuse
transitoire dans un système d’isolation où la contrainte de
tension a dépassé une certaine valeur-seuil. Il existe trois
types fondamentaux de décharges :
1.
2.
3.
des décharges internes qui se créent dans les
cavités d’un milieu diélectrique;
des décharges de surface qui se manifestent à la
surface des bobines;
des décharges de pointe dans un puissant champ
électrique autour d’une aspérité ou d’un rebord.
Les facteurs qui influent sur l’effluve d’un effet de
couronne sont : fréquence, épaisseur du milieu diélectrique,
matériau, vide, contrainte de tension, géométrie, humidité,
contrainte mécanique et température. Le mécanisme de
défaillance est la chaleur, l’érosion ou une réaction chimique
qui détériore l’isolement du bobinage. Il est de la
responsabilité première du fabricant de maintenir l’effluve
TN31-3
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
d’effet couronne en deçà de certaines limites afin d’assurer
au moteur une longévité appropriée. Par contre, l’utilisateur
peut également apporter sa contribution en maintenant le
moteur propre et frais autant que possible. L’utilisateur
devrait aussi apprendre à identifier ce type de défaillance.
D. Tensions transitoires
Au cours des dernières années, une preuve substantielle
a été cumulée que de nombreux moteurs se trouvent
exposés à des tensions transitoires ou à une alimentation
de tension à surface d’onde prononcée, ce qui entraîne une
longévité de bobinage réduite ou des bris prématurés (soit
de spire à spire, soit de spire à mise à la terre). Ces
tensions transitoires peuvent provenir de n’importe quelle
des sources suivantes :
1.
2.
3.
4.
Défauts de phase à phase, phase à mise à la
terre, phases multiples à la terre ou de terne qui
provoquent des tensions excessives pouvant
atteindre 3-1/2 fois leurs valeurs-seuils normales
dans des temps d’échauffement extrêmement
courts.
Rétablissements à répétition par lesquels le
système se trouve coupé de la mise à la terre, ce
qui crée une mise à la terre intermittente du
circuit, source d’oscillations de haute tension et de
multiplication.
Coupe-circuit limiteur de courant par lequel il y a
interruption
de
courant
quand
l’énergie
emmagasinée d’un champ magnétique dans
l’inductance du circuit n’est pas égale, ce qui
entraîne des oscillations de tension et une
certaine résonance.
Transferts rapides de barre omnibus. À la suite
d’un transfert, le bobinage d’un moteur peut subir
la différence de vecteur entre la tension de
réserve de la barre et la tension décroissante
produite.
La tension nette sera fonction de l’angle de phase entre
la tension de la barre omnibus et celle du moteur au
moment de la nouvelle coupure. La tension efficace
maximale obtenue peut être de 200 %. L’angle de phase
entre le rotor et la barre omnibus de réserve se voit modifié
continuellement à mesure que la fréquence entre le moteur
désalimenté chute lors du ralentissement.
5.
TN31-4
Ouverture et fermeture de disjoncteurs. Cette
surtension de démarrage demeure présente en
permanence. Il peut y avoir production d’une onde
de choc qui circulera dans le circuit à un rythme
donné lorsque, à la fermeture d’un contact de
disjoncteur, il se forme un arc en raison d’une
différence de potentiel aux contacts du
disjoncteur. Cet arc influera sur l’onde de tension
qui pénétrera dans le circuit du moteur. Des
surtensions peuvent aussi survenir quand les
disrupteurs ne s’engagent pas simultanément et
qu’il y a rebondissements ou vibrations, pour créer
une onde de tension irrégulière de type surtension
(similaire aux rétablissements à répétition).
L’utilisation de dispositifs de commande de
moteurs à haute vitesse, comme des contacteurs
à vide, provoque des surtensions prononcées
lorsqu’il y a « hachure de courant » due à
o
Fiche technique n 31
6.
l’ouverture des contacts dans un vide, sans arc
pour maintenir le courant.
Commutation de condensateur. En présence de
condensateurs utilisés en vue d’améliorer la
puissance, il peut y avoir création de surtensions
quand ces derniers sont constamment mis hors
circuit et en circuit. Les surtensions surviennent à
mi-cycle après l’interruption, au moment où les
contacts d’ouverture de l’interrupteur présentent
deux fois la tension de phase de pointe normale.
Puisque la tension du condensateur tient bon durant le
premier instant, la tension du système passera outre celle
du condensateur et une oscillation haute fréquence
débutera.
Des extracourants à tension extrêmement élevée
peuvent se manifester lorsque, par exemple, un moteur et
un condensateur sont mis simultanément hors circuit et se
trouvent coupés de la source d’alimentation. L’ampleur de la
surtension est fonction de la valeur de la capacité. Des
condensateurs activés avec un moteur sont source
d’excitation aux bornes du moteur et il y a induction de
tensions élevées. Ce problème se fait généralement
important dans les circuits à haute inertie où la réduction de
vitesse constitue un facteur d’excitation continue.
7.
8.
9.
Défaillance d’isolement. Lorsqu’un bris ou une
perforation de l’isolement d’un système électrique
survient à des endroits autres qu’au moteur, des
surtensions de choc peuvent se créer. Un bris de
cette nature dans les modèles à haute tension
peut provoquer des surtensions de plus de trois
fois la tension phase-terre normale dans un
système qui ne se trouve pas solidement mis à la
terre.
Surtension atmosphérique. La foudre peut
provoquer une surtension par un contact direct ou
par induction d’un coup de foudre à proximité. Ces
ondes de tension se propagent le long du circuit
avec les magnitudes de pointe du courant de la
foudre et les temps d’échauffement qui dépendent
de l’impédance de surtension du système.
Circuits à fréquence variable. Selon la particularité
du concept, il est possible de produire des pointes
de tension durant les démarrages/arrêts ou même
pendant la commutation de chaque demi-cycle.
L’annexe II indique la forme d’onde recommandée
pour de telles utilisations.
On estime que l’ampleur de ces diverses surtensions
varie normalement de deux à cinq fois la tension de pointe
phase à phase normale avec des temps d’échauffement de
0,1 à 1 microseconde. Les défaillances de bobinage
causées par ces transitoires se manifestent normalement
sous forme de défauts spire à spire ou spire à mise à la
terre. On confond souvent cette cause de bris avec un autre
mode de défaillance.
Le fabricant ne dispose généralement pas de
renseignements suffisants sur l’utilisation future du moteur
pour déterminer l’ajout d’une protection contre la surtension
et la foudre. Par contre, il est en mesure d’évaluer les
limites de surtension que le moteur peut supporter pour
offrir une longévité satisfaisante.
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
o
Fiche technique n 31
En règle générale, on établit ces limites comme suit :
La magnitude maximale de la surtension transitoire ne
doit pas excéder 1,25 x la tension de pointe de l’essai
diélectrique standard de 1 minute à 60 Hz.
Exemple : Vm = 1,25 2 (2VL + 1 000)
Le rapport d’échauffement de la tension transitoire (Vm)
ne doit pas dépasser un taux fondé sur l’atteinte Vm en
moins de 10 microsecondes.
Exemple : Vm ÷ 10 = volts/ì secondes
Il incombe à l’ingénieur électricien responsable de
concevoir le système de répartition de puissance de
s’assurer de prendre les mesures nécessaires pour
maintenir ces tensions transitoires dans des limites
sécuritaires. Les recommandations des divers fabricants de
moteurs varient quelque peu en ce qui concerne les limites
acceptables.
Le tableau 2 présente les valeurs générales types des
fabricants.
TABLEAU 2 : LIMITES DE TENSION
TRANSITOIRE TYPE
Tension
nominale
Max. supporté
tension (Vm) en kV
Taux d’élévation max.
en kV / seconde
600
3,9
0,6
2 400
10
1,0
4 160
16
1,6
4 800
19
1,9
6 600
25
2,5
6 900
26
2,6
démarrage et fait vibrer les bobines à deux fois la fréquence
normale. Ces dernières décrivent alors un mouvement
radial et tangentiel. Ce mouvement peut causer des
dommages considérables à l’isolement des bobines,
desserrer les « topsticks » et endommager les conducteurs
en cuivre. Les grands moteurs à haute vitesse se révèlent
généralement plus affectés par le mouvement des bobines
que les petites versions à basse vitesse. Plus les rallonges
de bobines sont longues, plus le problème se fait grave. En
outre, plus la fréquence est grande au démarrage et plus
grand est le temps d’accélération, plus il y a risque d’affaiblir
le système d’isolation.
B. Contact rotor-stator
Il existe plusieurs raisons pour lesquelles un rotor peut
entrer en contact avec un stator. Voici les trois plus
communes :
1.
2.
3.
Lorsqu’il y a contact entre le rotor et le stator, plusieurs
scénarios peuvent se présenter. Si le contact se produit
seulement pendant les démarrages, la force du rotor peut
finir par provoquer la perforation de l’isolement de la bobine
par les laminations du stator et causer la mise à la terre de
la bobine. Certains moteurs peuvent parfois fonctionner des
années dans cette condition, selon la fréquence des
démarrages et l’importance du contact entre le rotor et le
stator. Si le contact s’effectue lorsque le moteur tourne à
pleine vitesse, il en découle normalement une mise à la
terre très prématurée de la bobine dans la cannelure du
stator causée par une chaleur excessive produite au point
de friction.
C. Divers
Voici certaines des diverses causes mécaniques les plus
fréquentes de défaillances de bobinages :
1.
Dans le cas d’applications pour lesquelles les valeurs
indiquées dans le tableau 2 se trouvent dépassées, on
recommande l’utilisation d’un système d’isolation spécial qui
présente une résistance diélectrique accrue de spire ou de
mise à la terre, ou de condensateurs de surtension et d’un
parafoudre. Cette dernière option s’avère généralement la
plus économique.
2.
Un parafoudre limite l’ampleur d’une pointe de tension
transitoire. Pour ce faire, le dispositif conduit à la terre
lorsque la tension atteint une certaine valeur. La raison
d’être des condensateurs de surtension est de limiter le
rapport d’échauffement de la tension ou les contraintes
phase à phase. Par ce procédé, le condensateur absorbe
momentanément l’énergie initiale, ce qui a pour effet de
ralentir le front d’onde ou de diminuer son amplitude.
6.
CONTRAINTES MÉCANIQUES
A. Mouvement de bobines
Le courant à l’intérieur de l’enroulement du stator exerce
une force sur les bobines qui se veut proportionnelle au
carré du courant (F I2).
Cette force atteint son maximum durant le cycle de
défaillance d’un palier
déviation de l’arbre
désalignement rotor-stator
3.
4.
5.
7.
Desserrement des charges d’équilibrage du rotor qui
viennent percuter le stator.
Desserrement des ailettes de ventilateur du rotor qui
viennent percuter le stator.
Écrous et boulons desserrés qui frappent le stator.
Particules étrangères qui pénètrent dans le moteur
par le système de ventilation et qui heurtent le stator.
Rotor défectueux (dont les barres sont ouvertes) qui
peut faire surchauffer le stator et provoquer son bris.
Raccordement de piètre qualité des connexions
entre les conducteurs du moteur et ceux de la ligne
d’entrée qui entraîne une surchauffe et une
défaillance.
Dents de laminations brisées qui donnent contre le
stator en raison de la fatigue.
CONTRAINTES ENVIRONNEMENTALES
La contamination est un autre terme servant à désigner
les contraintes environnementales. Une des interventions
les plus importantes que l’utilisateur puisse effectuer pour
assurer un fonctionnement à long terme sans problème d’un
moteur est de le maintenir propre, à l’intérieur comme à
l’extérieur. La présence d’un corps étranger dans le moteur
produit les effets suivants :
TN31-5
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
1.
2.
3.
o
Fiche technique n 31
Réduction de dissipation de la chaleur qui fait
augmenter la température de fonctionnement et, par
conséquent, réduit la durée de vie utile de
l’isolement.
Défaillance prématurée des paliers due à de fortes
contraintes localisées.
Rupture du système d’isolation qui cause des courtscircuits et des mises à la terre.
Lorsqu’il s’avère difficile de garder le moteur propre et
bien au sec, la solution de rechange consiste à choisir
l’enveloppe ou le système d’isolation qui offrira la meilleure
protection contre les contaminants en présence. Une fois
l’application bien comprise, il est généralement possible
d’opter pour un moteur dont la longévité sera satisfaisante.
Nous pourrions élaborer longuement sur les effets de
l’humidité, des produits chimiques et des particules
étrangères sur la longévité des enroulements, mais l’espace
dont nous disposons ici ne nous le permet pas. Aussi,
contentons-nous de mentionner qu’aucun effort ne devrait
être ménagé pour minimiser ces facteurs et pour
communiquer au concepteur du moteur toute condition
anormale susceptible de produire des effets indésirables sur
les matériaux et les designs normalement utilisés.
Un problème commun digne de mention est la
condensation qui se forme sur le bobinage du stator. Quand
cette condition s’accentue, elle causera souvent la mise à la
terre du bobinage du stator par la cannelure. Une mesure
de prévention courante consiste à assécher l’enroulement à
l’aide d’un dispositif de chauffage durant les temps d’arrêt.
De longues périodes de fonctionnement au ralenti ou
d’entreposage aggravent les problèmes liés à la
condensation.
Au moment d’analyser des défaillances de bobinages, il
s’avère difficile de déterminer lequel des facteurs ci-dessus
est à l’origine du problème et lequel est sa résultante.
Illustrons ce point à l’aide d’un simple exemple.
Dans la figure 3, le profil se veut symétrique; chacune
des bobines de chaque phase a subi une surchauffe. Le
mode de défaillance est un court-circuit multiple de spire à
spire. La cause du bris est une surchauffe excessive
provoquée par une surcharge.
ANALYSE DES DÉFAILLANCES DE BOBINAGES
La présente section vise à identifier les divers modes et
profils de défaillances et de les associer à la cause probable
d’un bris.
Facteurs importants à analyser
Les cinq facteurs suivants doivent être pris en
considération, puis reliés entre eux dans le but d’établir un
diagnostic précis de la cause d’une défaillance de bobinage.
1.
2.
3.
4.
5.
Mode de défaillance
Profil de défaillance
Apparence
Application
Dossier d’entretien
Voici un bref survol de chacun de ces facteurs.
A. Mode de défaillance
Quelle que soit la cause d’un bris, le véritable mode de
défaillance peut être classé dans une des cinq catégories
suivantes, comme le montre la figure 2.
TN31-6
Dans la figure 4, le profil est une phase simple; une
phase complète a surchauffé et mené à une défaillance due
à un court-circuit de spire à spire. Un phasage simple était
donc à l’origine du bris.
o
Fiche technique n 31
La figure 5 présente un profil asymétrique sans mise à la
terre; plusieurs groupes de bobines ont subi une surchauffe.
Le mode de défaillance se veut aussi un court-circuit
multiple de spire à spire. Un conducteur endommagé était la
cause du bris.
La figure 6 montre un profil asymétrique avec mise à la
terre; une bobine se trouve mise à la terre et il y a un courtcircuit multiple de spire à spire. Le bris a été provoqué par
une paroi de cellule endommagée.
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
Un moteur à activation aléatoire subit de fréquents
démarrages et, en raison du mouvement excessif des
bobines, maintient un faible court-circuit spire à spire à
l’intérieur d’une bobine. À mesure que cette situation
progresse, la bobine court-circuitée produit une surchauffe
excessive qui entraîne une détérioration de l’isolation et
finalement une mise à la terre partielle par la chemise de la
cannelure. Selon le type de protection du moteur, ce dernier
peut continuer de fonctionner. Une chaleur de plus en plus
intense sera produite dans la zone affectée jusqu’à
destruction de l’isolement de phase ou de mise à la terre. À
ce stade, un défaut direct phase à phase ou de mise à la
terre se manifeste et le moteur dépérit rapidement.
Bien qu’une inspection puisse révéler ces cinq modes de
défaillances, la condition entre spires constitue la source du
problème et toutes les autres ne sont que ses résultantes. Il
est généralement très difficile de reconnaître une défaillance
de spire à spire en raison de la nature destructive du défaut
final.
B. Profil de défaillances
Étroitement lié au mode de défaillance, mais devant être
pris en considération séparément, le profil d’une défaillance
peut faire partie d’un des quatre groupes suivants :
1.
2.
3.
4.
Symétrique
À phasage simple
Asymétrique avec mise à la terre
Asymétrique divers sans mise à la terre
Le fait de combiner le mode et le profil de défaillance
peut fournir de précieux indices quant à la cause du bris.
Les exemples présentés dans les figures 3 à 7 proviennent
d’unités endommagées sous conditions contrôlées dans un
centre d’essais de moteurs électriques aux États-Unis.
Dans chaque cas, le défaut a été délibérément provoqué.
On a ensuite alimenté le stator pour observer la défaillance
et la consigner sur pellicule.
La figure 7 montre le même stator que celui de la
figure 6. On peut voir le véritable défaut de mise à la terre.
Le point essentiel à retenir est qu’il se révèle absolument
nécessaire d’associer ensemble le mode et le profil de la
défaillance afin de pouvoir établir un diagnostic précis. Dans
TN31-7
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
chacun des cas ci-dessus, le mode de la défaillance était de
spire à spire, mais la cause se voulait différente. C’était le
profil de la défaillance qui indiquait le plus clairement la
cause du bris.
C. Apparence
Lorsqu’on la relie au mode et au profil d’une défaillance,
l’apparence générale d’un moteur donne généralement un
indice sur la cause possible d’un bris. La liste de
vérifications suivante s’avère utile.
1.
2.
3.
4.
Le bobinage est-il propre?
Quels corps étrangers se trouvent en présence?
Y a-t-il des signes d’humidité?
Y a-t-il des traces de frottement ou de déplacement
du rotor?
5. Dans quel état est le rotor? Montre-t-il des signes de
surchauffe? Y a-t-il des signes d’arrêt ou de blocage
du rotor?
6. Est-ce que le rotor semble avoir tourné lorsque la
défaillance est survenue?
7. Les « topsticks », les bobines et les supports de
bobines sont-ils desserrés?
8. Les roulements tournent-ils librement? Y a-t-il des
traces de contamination par humidité à l’intérieur du
bâti ou dans les corps de paliers?
9. Y a-t-il des pièces manquantes qui auraient pu venir
percuter le bobinage, comme des écrous, des
rondelles,
des
boulons
ou
des
charges
d’équilibrage? Les ailettes ou les ventilateurs de
refroidissement du rotor sont-ils intacts?
10. Les voies de refroidissement du moteur sont-elles
libres de tout débris susceptible de les obstruer? Du
côté libre ou du côté entraînement? Si le moteur est
installé à l’horizontale, où se situe la défaillance dans
le sens des aiguilles d’une montre? Le bris touche
quelle(s) phase(s)? Quel groupe de bobines a
défailli? Le bris se trouve-t-il dans la première spire
ou dans la première bobine?
Au moment d’analyser les défaillances de bobinages, il
s’avère commode d’effectuer un croquis de l’enroulement et
d’y indiquer l’endroit où la défaillance est survenue.
D. Application
La plupart du temps, il est difficile de reconstituer
exactement les conditions de fonctionnement qui
prévalaient au moment d’une défaillance. Par contre, une
certaine connaissance des conditions de service générales
s’avère utile. On devrait tenir compte des éléments
suivants :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Quelles sont les caractéristiques de charge des
pièces d’équipement menées?
Y avait-il des charges cycliques ou pulsatoires?
Un certain risque de blocage complet?
Quelle était la tension? Était-elle équilibrée?
Le moteur se trouvait-il alimenté par un circuit à
fréquence variable?
Y a-t-il des signes de tension transitoire passée ou
présente?
Est-ce que d’autres moteurs sont tombés en panne
dans le cadre de cette application? Dans
TN31-8
o
Fiche technique n 31
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
l’affirmative, de quelle façon?
Depuis combien de temps le moteur tournait-il, ou
est-il tombé en panne dès son démarrage?
Quel était le temps d’accélération?
Est-ce que le moteur démarre « across-the-line », à
tension réduite ou à bobinage à mi-temps? Quel était
le réglage de la minuterie de démarrage?
Dans quel état se trouvait la commande du moteur?
De quel genre de protection de moteur le système
est-il équipé et quel élément a été déclenché?
Dans quel environnement le moteur évolue-t-il? À
l’intérieur ou à l’extérieur en proie aux intempéries?
Y avait-il présence de pluie, de neige ou de foudre
juste avant la défaillance?
Quelle était la température ambiante?
E. Dossier d’entretien
Une bonne compréhension de la performance du moteur
par le passé peut se révéler un bon indicateur de la cause
du problème. Ici encore, une liste de vérifications s’impose :
1.
2.
3.
4.
5.
Depuis combien de temps le moteur est-il en
service? S’il est tombé en panne dès son démarrage
initial, des facteurs tels que la contamination, les
transitoires, le mouvement de bobines et le
vieillissement thermique peuvent généralement être
éliminés de la liste des causes potentielles.
Au cours des premières heures de service du
moteur, a-t-on pu observer certains phénomènes
inhabituels? La charge a-t-elle accéléré comme il se
doit? Le moteur a-t-il porté la charge à vitesse et
caractéristiques thermiques normales?
La résistance du bobinage et le courant se
trouvaient-ils bien équilibrés?
Les rapports d’entretien précédents indiquent-ils des
faiblesses comme des craquelures ou un
vieillissement du système d’isolation?
Le dossier de service du moteur présente-il des
relevés de défectuosité de l’isolement ou de
problèmes antérieurs associés à l’humidité ou à des
contaminants?
MÉTHODOLOGIE
Le sommaire qui suit regroupe les différentes causes de
défaillances de bobinages selon les profils de pannes :
A. Profil de claquage symétrique où toutes les phases
ont surchauffé
Dans chaque cas, une chaleur excessive a été produite
de manière symétrique dans tout le bobinage. La chaleur
provenait d’un excès de courant ou de l’incapacité du
moteur à dissiper la chaleur normalement produite.
1. Causes possibles
a) Basse ou haute tension
b) Charge excessive
c) Nombre de démarrages excessifs
d) Ventilation insuffisante
e) Lourdes conditions ambiantes
f) Rotor défectueux
g) Défaillance complète d’un palier, responsable d’un
arrêt indésirable
o
Fiche technique n 31
2. Apparence du bobinage (profil)
En général, chaque groupe de bobines présentera des
signes de surchauffe mis en évidence par une décoloration
et une déficience de l’isolement, selon l’intensité de chaleur.
3. Mode de défaillance
Le véritable bris survient habituellement en raison d’une
combinaison
de
courts-circuits
et
de
coupures.
L’enroulement peut aussi se trouver mis à la terre en raison
d’une chaleur extrême dans la cannelure du stator ou le
conducteur du moteur.
B. Profil de défaillance monophase (symétrique)
Ces défaillances sont souvent les plus faciles de toutes à
identifier de par leurs profils distinctifs. La figure 4 en est un
exemple type.
1. Causes possibles
a) Commandes monophasées ou source d’alimentation
b) Conducteur ou fil de bobinage coupé
c) Mauvaise connexion
d) Source de tension déséquilibrée
2. Apparence du bobinage (profil)
Selon que la connexion soit disposée en étoile ou en
triangle, une ou deux phases peuvent surchauffer et, la
plupart du temps, tomber en panne en raison de courtscircuits de spire à spire dans les phases qui ont surchauffé.
3. Mode de défaillance
Si la cause est interne au bobinage, la ou les phases qui
n’ont pas chauffé présenteront un circuit ouvert.
Généralement, on remarquera des traces de courts-circuits
multiples de spire à spire.
Note : Les commandes et l’équipement de protection du
moteur, ou un autre élément du système de distribution,
peuvent également montrer des signes de fonctionnement
monophasé.
C. Profil de claquage asymétrique où le bobinage se
trouve mis à la terre
Selon le type de protection de moteur utilisé, une
défaillance de mise à la terre peut s’avérer la plus
destructrice de toutes les défaillances. Non seulement le
bobinage est détruit, mais aussi, dans certains cas, les
laminations se trouvent sérieusement endommagées par de
forts courants de défaut.
Ce type de bris présente également le potentiel le plus
élevé de chocs électriques et de risques pour le personnel
d’exécution.
1. Causes possibles
a) Frottement du rotor contre les laminations du stator; au
démarrage ou en cours de fonctionnement.
b) Isolement endommagé; embouts de cannelures ou
conducteurs.
c) Tension transitoire; surtension de commutation ou coup
de foudre.
d) Contamination; humidité, produits chimiques ou corps
étrangers.
e) Détérioration de l’isolement par cheminement de basse
tension ou effet de couronne.
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
f) Surchauffe dans la cannelure du stator due à un courant
excessif ou à une mauvaise dissipation de chaleur.
g) Mouvement de bobines; dans la cannelure ou les
embouts.
2. Apparence du bobinage (profil)
La défaillance de bobinage se limite normalement à
certains points de la cannelure du stator et, sauf dans le cas
de la cause (f), ne prend pas l’apparence d’une surchauffe
générale.
3. Mode de défaillance
Le mode primaire se situe au niveau bobine à mise à la
terre. Toutefois, on peut relever des traces de courts-circuits
spire à spire et phase à phase.
D. Divers profils de claquage asymétrique (à l’exception
des mises à la terre)
Bon nombre de causes mentionnées ci-dessus,
responsables de défaillances de mise à la terre, peuvent
également entraîner une défaillance de spire à spire. Le
facteur déterminant se veut directement lié à la résistance et
à la faiblesse du système d’isolation. Par exemple, quand
un stator se trouve exposé à un milieu extrêmement
humide, la défaillance surviendra au point le plus faible du
système d’isolation du moteur. Si, par le passé, un
mouvement de bobines dans les têtes d’enroulement a
provoqué certains dommages, le mode de défaillance serait
de spire à spire. Si l’isolement de la cannelure du stator
s’est vu affaibli davantage par ce même mouvement de
bobines, le mode serait alors de bobine à mise à la terre. Le
mode de défaillance peut également se révéler de phase à
phase ou de bobine à bobine. La plupart de ces types de
bris se limitent à certains points précis du bobinage sans
présenter de profil particulier, exception faite des
défaillances causées par des tensions transitoires ou à
ondes très prononcées. Dans ce cas, la défaillance survient
au début ou à la fin d’une phase.
1. Cause possible
Même que celle d’un stator mis à la terre, sauf le
frottement du rotor.
2. Apparence du bobinage (mode et profil)
Elle sera généralement mise en évidence par des courtscircuits et coupures entre spires, sans présenter un aspect
de surchauffe. On remarquera toutefois des signes de
chaleur excessive à proximité de la zone affectée et,
souvent, un défaut entre phases surviendra au moment
d’arrêter le moteur.
CAUSES ET ANALYSE DES DÉFAILLANCES DE
ROTORS
Cette section porte sur les relations entre les diverses
contraintes et la façon dont elles influent sur la longévité du
rotor et contribuent à provoquer des défaillances
prématurées.
CONTRAINTES THERMIQUES
A. Surcharge thermique
Une surcharge thermique peut survenir en cours
d’accélération, de fonctionnement ou en état de calage. Il
faut garder à l’esprit que, du point de vue thermique,
certains moteurs comportent des « limites de stator » et
d’autres des « limites de rotor ». Quand ils tournent à plein
TN31-9
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
régime, la plupart des moteurs se trouvent limités par le
stator. L’état de calage présente pour sa part le grand
potentiel d’endommagement du rotor dans le plus court laps
de temps, en plus de s’avérer le plus difficile à éviter
lorsqu’on compte sur une protection thermique. La majorité
des dispositifs de captage thermique sont installés dans le
stator. De par le temps qu’ils mettent à détecter la chaleur
produite dans le rotor, il pourrait déjà être trop tard.
Les périodes de calage sécuritaires varient de quelques
secondes à quelques minutes, selon le design. Il est
souhaitable de connaître ce renseignement au moment de
prévoir une protection du moteur contre les surcharges.
Bien qu’il soit préférable que les temps de calage se
révèlent plus longs que les temps d’accélération, ce n’est
pas toujours possible, ni même nécessaire. La meilleure
façon de protéger un moteur contre les surcharges
thermiques consiste à utiliser des capteurs de courant qui
détecteront les courants élevés associés aux démarrages et
aux périodes de calage. On a aussi recours à des
interrupteurs à vitesse zéro pour assurer une protection
contre l’état de calage lorsque le temps d’accélération
dépasse la période de calage sécuritaire. Les causes les
plus fréquentes de défaillances par surcharge thermique
sont les suivantes :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Nombre anormal de démarrages successifs qui
portent les barres ou la bague d’extrémité à une
température excessive.
Calage du rotor en raison d’une charge de
démarrage élevée.
Défaut d’accélérer jusqu’à pleine vitesse dû à une
intersection entre la charge et la courbe de couple de
vitesse du moteur.
Frottement du rotor contre le stator provoqué par une
défaillance de palier, un déplacement du rotor ou des
vibrations anormalement élevées.
Barres d’induit brisées en raison d’une fatigue
causée par le mouvement des barres ou l’expansion
thermique d’une bague d’extrémité.
Ventilation insuffisante due à des filtres ou des
conduits obstrués.
Tensions de phases déséquilibrées et courants
inversés correspondants associés à la surchauffe de
la surface du rotor.
Les défaillances de rotors relatives à des surcharges
thermiques peuvent être décelées par l’inspection de la
cage (barres d’induit et bague d’extrémité). On remarquera
souvent des signes de surchauffe, cette dernière parfois si
intense qu’elle fait fondre le matériau de la cage.
Fréquemment, le stator se trouvera également endommagé
par la fonte de la cage ou le brasage du matériau.
B. Déséquilibre thermique
Un déséquilibre thermique peut être provoqué par l’effet
des démarrages ou les conditions de service. Il peut
également provenir du design même ou du processus de
fabrication du rotor, ou se produire à la suite d’une utilisation
qui excède ses limites. Voici les causes les plus fréquentes
de défaillances par déséquilibre thermique :
1.
Démarrages fréquents qui créent une différence de
température entre les barres d’induit due au
phénomène d’effet pelliculaire.
TN31-10
o
Fiche technique n 31
2.
3.
4.
5.
6.
Transfert de chaleur inégal entre les barres et le
noyau du rotor.
Flexion du rotor causée par des changements
inégaux des pressions d’empilement associés aux
cycles thermiques.
Perte d’ajustement entre le noyau du rotor et l’arbre
entraînée par une expansion thermique durant le
démarrage à l’origine de vibrations instables.
Points chauds sur la surface du rotor formés par des
laminations usées ou un frottement du rotor.
Gradients de température obtenus par des courants
de circulation inégaux. Ils peuvent être produits soit
par un isolement défectueux, soit par des courtscircuits dans les barres du rotor.
Ces conditions se rencontrent plus fréquemment dans les
moteurs à haute vitesse qui présentent d’importants
rapports longueur-diamètre du rotor. Le problème vient se
combiner au fait que les vibrations peuvent se révéler
acceptables lors d’essais sans charge et ne se manifester
que lors des démarrages sous charge. Pour cette raison,
certains fabricants incluent des essais sous charge de
moteurs haute vitesse dans leurs procédés de contrôle de la
qualité. Le lien avec ce problème se veut difficile à établir,
car le déséquilibre à chaud ne se répète pas constamment.
Voilà pourquoi un équilibrage précis du moteur quand il est
chaud peut ne pas rectifier la situation. Au fil des ans, les
fabricants ont tenté d’apporter de nombreux remèdes à
cette condition comme le traitement à la chaleur, les chocs
à froid, le réusinage et le soulagement des contraintes du
noyau.
Notons que d’autres facteurs peuvent provoquer des
déséquilibres thermiques ou du moins qu’il existe de
nombreuses théories quant à leurs causes.
Donc, bien qu’il soit relativement facile d’identifier les
moteurs qui présentent des problèmes de vibrations
sensibles à la température, il s’avère extrêmement difficile
d’en déterminer la cause exacte. Lorsque ce genre de
problème survient, mieux vaut consulter le fabricant du
moteur puisqu’il est logiquement celui qui en connaît le plus
long sur son produit et aussi le plus apte à le réparer.
C. Points chauds et pertes excessives
Bon nombre de variables de conception, de fabrication
ou de réparation du rotor peuvent être à l’origine de pertes
imprévisibles et de points chauds.
Certaines des variables à l’origine de ces conditions sont
les suivantes :
1.
2.
3.
4.
5.
Usure des laminations dans la cannelure ou sur la
surface du rotor.
Courts-circuits irréguliers des barres du rotor aux
laminations dans la zone de la cannelure.
Piètre empilement des laminations : trop lâche,
bavures excessives ou manque de symétrie.
Différents serrages d’ajustement entre barres et
laminations.
Répartition non uniforme des pertes dans les
laminations causée par un recuit inapproprié ou un
contrôle insuffisant au cours du processus de
lamination.
o
Fiche technique n 31
6.
7.
Concept de laminations inadéquat.
Mauvaises connexions barre-bague d’extrémité.
Les fabricants de moteurs, par leurs procédés de
contrôle de la qualité et d’essais, sont en mesure de
détecter la plupart de ces problèmes. Cette détection
devient plus difficile lorsque le moteur est mis en service.
Toutefois, bon nombre de tests s’avèrent utiles, comme les
suivants :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Test de grognard
Test de rotation monophase
Test de saturation sans charge
Test de fonctionnement pour trouver des barres
d’induit ouvertes ou brisées
Peintures sensibles à la température
Test d’ultrasons
Contrôle de courant sur des appareils à haute
vitesse
Bien sûr, le fait de contrôler sous charge des éléments
comme le bruit, les vibrations, la température, le courant, les
watts et le glissement contribue à s’assurer que le moteur
ne présente aucun défaut.
D. Décharge disruptive du rotor
Il existe plusieurs causes potentielles à une décharge
disruptive d’un rotor façonné. Certaines sont de nature non
destructive, tandis que d’autres peuvent mener à une
défaillance du rotor.
Une décharge disruptive non destructive se produit
durant le fonctionnement normal du moteur. On ne décèle
généralement pas cette décharge en raison de sa faible
intensité ou parce que l’enveloppe du moteur ne permet pas
son observation. On entend par fonctionnement normal les
conditions durant lesquelles tout moteur peut se voir soumis
à des chutes de tension, fluctuations de charge,
perturbations de commutation et ainsi de suite. Outre les
raisons déjà mentionnées, aucune décharge disruptive n’est
normalement observée durant le fonctionnement à pleine
charge, et ce, pour plusieurs raisons. À pleine charge, la
force centrifuge est habituellement plus grande que les
forces électromagnétiques qui s’exercent sur les barres, dû
au courant de charge nominal. Elle a aussi tendance à
déplacer radialement la barre et à la maintenir dans la
cannelure. De plus, la fréquence du circuit de rotor s’avère
très faible (égale à la fréquence de glissement). Cette basse
fréquence correspond à une faible impédance du circuit de
cage du rotor, pour confiner essentiellement tout le courant
du rotor dans la cage elle-même. Par conséquent, on
n’observe normalement aucune décharge disruptive en
cours de service à pleine charge et à pleine vitesse, bien
que le contraire soit possible
Cependant, durant certains démarrages, le courant dans
la cage du rotor est entre cinq et huit fois supérieur à la
normale. Ce fort courant, jumelé à une impédance plus
élevée de la cage (due à la fréquence du courant du rotor
qui varie depuis la fréquence de ligne à l’immobilisation),
provoquera une chute de tension le long de la barre de plus
de huit fois sa valeur de base. C’est cette tension qui a
tendance à envoyer du courant dans les laminations. Bref,
au cours du démarrage, il y a en réalité deux circuits
parallèles, soit un dans les barres du rotor et l’autre dans les
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
laminations.
Les forces magnétiques créées par le fort débit de
courant au démarrage provoquent la vibration des barres
d’induit à une fréquence décroissante, qui débute à 60 Hz,
pour produire une force de 120 vibrations à la seconde. Ces
vibrations radiales primaires dans les limites de la fente du
rotor provoquent des interruptions de courant intermittentes
entre les barres et diverses parties des laminations qui se
soldent par des arcs visibles.
Les procédés de conception et de fabrication des rotors
prévoient des mesures destinées à éliminer les décharges
disruptives. Par contre, matériaux et tolérances, combinés
aux effets d’une expansion thermique différentielle et des
cycles thermiques, empêchent tout moteur de vraiment
fonctionner « sans étincelles ». Même des moteurs
identiques présenteront des degrés d’intensité de décharge
différents, car tous les composants ont des tolérances et
sont soumis à des cycles thermiques en cours de
fonctionnement.
Les décharges disruptives que l’on peut observer dans
l’entrefer sont en réalité de minuscules particules de barre
ou d’armature, chauffées jusqu’à incandescence par le
courant qui circule à la limite armature-barre. Les bavures
de perforation initiale et les particules de barres enlevées
pendant l’installation diminueront vraisemblablement après
plusieurs démarrages. Toutefois, les particules produites
par des décharges disruptives intermittentes ne diminueront
pas durant la vie utile du moteur.
La brève période de décharge intensifiée qui peut se
produire au démarrage n’affecte pas vraiment la longévité
du moteur. Des moteurs en service depuis plus de 20 ans
qu’on a démontés n’ont révélé qu’une faible attaque aux
barres de rotor à certains points de contact avec l’armature.
Ceci dit, des décharges disruptives destructives peuvent
survenir dans bien des circonstances, dont la plus fréquente
est une barre brisée ou une connexion barre-bague
d’extrémité défectueuse.
Le point de bris habituel de la barre se situe dans la zone
où la barre se lie à la bague d’extrémité. Le bris est précédé
de craquelures radiales à partir de la partie supérieure ou
inférieure de la barre. Bien que, dans le cas des décharges
disruptives causées par la fatigue, la défaillance de la barre
de rotor soit généralement plus importante en intensité que
celle mentionnée plus tôt, elles demeurent difficiles à
détecter visuellement car la majorité des enveloppes de
moteurs empêchent l’observation de l’entrefer par un
« regard ».
Les méthodes les plus répandues pour déterminer si les
décharges disruptives sont provoquées par les barres ou
par les connexions aux bagues d’extrémité sont les
suivantes :
1.
2.
3.
4.
5.
Inspection de l’ensemble du rotor; recherche de
laminations bleuies, etc.
Frapper les barres avec un maillet. Les barres
brisées ou desserrées produisent un son distinct.
Pulsations de courant quand le moteur est sous
charge.
Test du grognard (voir figure 8).
Test de rotation monophase (voir figure 9).
TN31-11
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
6.
7.
Test de déplacement d’angle de phase.
Bruit entendu (cliquetis) durant le cycle de
démarrage.
o
Fiche technique n 31
la cannelure du rotor.
Les moteurs dotés d’un rotor coulé ou de barres ajustées
ou recourbées pour empêcher ce mouvement se sont
montrés capables d’effectuer entre 50 000 et 100 000
démarrages sans présenter de défaillance.
B. Force portante magnétique déséquilibrée
Une force portante magnétique déséquilibrée constitue
un problème potentiel pouvant faire courber le rotor qui
frappera le bobinage du stator. Dans le cas d’un moteur
« idéal », le rotor se trouve centré dans l’entrefer et les
forces magnétiques s’équilibrent en directions opposées, ce
qui évite toute flexion du rotor. Dans la vraie vie, les rotors
ne sont pas parfaitement centrés dans l’entrefer. Des
facteurs comme l’excentricité, le poids du rotor, l’usure des
paliers, les charges de courroie et l’alignement de moteur
influent tous sur la position hors centre du rotor.
R.L. Nailen décrit le processus de déplacement comme
suit : « Lorsque cela se produit, l’entrefer entre le rotor et le
stator décroît d’un côté et s’accroît de l’autre. Dans un
champ magnétique alternatif, une réduction d’entrefer vient
créer une plus grande force d’attraction dans tout l’écart.
La prévention d’un degré avancé de décharge disruptive
du rotor se veut le résultat d’un concept approprié de
fabrication et d’utilisation du moteur.
CONTRAINTES MAGNÉTIQUES
A. Effet électromagnétique
L’action du débit de fuite de la cannelure, résultat du
courant des barres, produit des forces électrodynamiques.
Ces dernières se veulent proportionnelles au carré du
2
courant du rotor (I ) et unidirectionnelles. Elles ont tendance
à déplacer la barre radialement entre les parties supérieure
et inférieure de la cannelure. Ces forces font vibrer la barre
à deux fois la fréquence du courant du moteur. Ainsi, elles
exercent une contrainte de flexion ou de courbure dans la
barre. Si la flexion s’avère suffisamment importante, il en
résultera une défaillance par fatigue dans la barre. On peut
démontrer que la force radiale qui agit sur une barre du
rotor provoquera une flexion au démarrage qui se révélera
plus prononcée que le permet le confinement normal de la
cannelure. Théoriquement, la barre vient se camper au
centre de la cannelure pour exercer une contrainte plus
élevée du connecteur d’extrémité au joint de barre que peut
le supporter le mouvement d’une barre dans une cannelure.
On présume ici que le courant demeure constant en
cours d’accélération et que le temps d’accélération à pleine
tension est d’environ 11 secondes; dans le pire des cas cidessus, un moteur moyen pourra subir approximativement
4 000 démarrages avant de tomber en panne. Ce chiffre
semble confirmé par des documents qui portent sur des
moteurs en service pour lesquels aucune mesure n’a été
prise dans le but de confiner le mouvement de la barre dans
TN31-12
En d’autres termes, la « réluctance » de cheminement du
flux magnétique, son opposition au passage du flux, se voit
diminuée. Le même courant magnétisant du bobinage est
susceptible de produire un flux plus important dans
l’entrefer, entraînant une force portante encore plus grande.
Au même moment, l’entrefer augmente du côté opposé du
moteur. La réluctance se fait plus grande à cet endroit, si
bien que le flux et la force portante magnétique sont réduits.
À ce stade, le déséquilibre des forces commence à agir sur
le rotor. La plus grande force sur le côté qui présente le plus
petit écart d’entrefer aura tendance à déplacer le rotor dans
cette direction, ce qui réduira l’écart encore davantage. Le
processus peut se poursuivre ainsi jusqu’à écart zéro et le
rotor entre en contact avec le stator.
Si une certaine excentricité du rotor est toujours à
prévoir, pourquoi ce déplacement ne se produit-il pas plus
souvent? La réponse est que le mouvement du rotor se voit
restreint par la rigidité de l’arbre. Plus le mouvement est
important, plus l’arbre résiste à la courbure ».
Les concepteurs de moteurs contrent ce problème en
limitant l’entrefer minimal et en établissant des limites
relatives à l’excentricité acceptable de l’entrefer. Ces
dernières sont de l’ordre de 10 à 20 % de l’entrefer, selon la
taille du moteur. Conjointement à ces limites, on choisit la
taille de l’arbre en fonction de son aptitude à résister aux
forces de courbure (rigidité de l’arbre). Le potentiel de
déplacement du rotor peut être considéré comme fonction
de l’entrefer, concentricité, longueur d’empilage, densité du
flux d’entrefer et circuits de bobinage du stator.
Le risque d’un déplacement du rotor est habituellement
plus élevé durant le cycle de démarrage lorsque les
ampères-spires sont aussi plus élevés. Au moment où le
rotor percute le stator, on peut généralement l’entendre.
Selon l’importance du contact, il y aura ou non un
endommagement des pièces des deux composants.
L’inspection des pièces se révèle la meilleure façon de
confirmer l’existence d’une telle condition et d’évaluer la
gravité de la situation.
o
Fiche technique n 31
La méthode corrective la plus répandue implique
l’amélioration de la géométrie de l’entrefer par alésage du
stator et tournage ou centrage du diamètre extérieur du
rotor. Au fil des ans, on a démontré que les circuits multiparallèles exercent une influence positive à réduire la
tendance du rotor à se déplacer. Lorsque ce déplacement
représente un problème potentiel, on devrait éviter de munir
le moteur de connexions à ligne simple.
C. Bruit et vibrations électromagnétiques
Outre les problèmes de déplacement, une excentricité de
l’entrefer peut provoquer du bruit et des vibrations. La force
radiale produite par les harmoniques du stator se combine à
celles provenant des harmoniques du rotor pour créer du
bruit et des vibrations électromagnétiques. Cinq types
fondamentaux d’excentricité d’entrefer peuvent survenir :
1.
2.
3.
4.
5.
D.E. de rotor excentrique à l’axe de rotation
Alésage de stator excentrique
Rotor et stator ronds (profil plein), mais ne
présentant pas le même axe de rotation
Rotor et stator ronds, mais n’ayant pas le même axe
N’importe quelle combinaison des conditions cidessus
Ces conditions peuvent provoquer ou non un degré élevé
de bruit et de vibrations. À pleine charge, le bruit se fait
généralement plus intense que sans charge.
Les vibrations causées par l’excentricité varient en
fonction de la tension aux bornes. Dans son article intitulé
« Effect of Air-Gap Eccentricity on Motor Sound Level »,
John Courtin a élaboré la courbe illustrée à la figure 10 pour
indiquer la relation entre l’excentricité de l’entrefer et le bruit
établie à la suite d’une batterie de tests effectués sur des
moteurs abrités aux dimensions NEMA.
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
CONTRAINTES RÉSIDUELLES
Des contraintes résiduelles peuvent s’exercer sur
n’importe quel plan, soit radial ou axial. Elles ne sont
généralement pas susceptibles d’endommager le rotor, à
condition de ne pas causer de modifications importantes à
sa géométrie. Certaines des contraintes résiduelles les plus
courantes sont le résultat du coulage, du brasage, du
soudage, de l’empilage et de l’utilisation du moteur. Dans
les moteurs plus volumineux, il est pratique courante de
libérer l’arbre du rotor de ses contraintes avant de procéder
à l’usinage final.
Certains fabricants ont même tenté une stabilisation pour
réduire les contraintes résiduelles de la cage de rotor. Si
une de ces contraintes vient modifier la géométrie du rotor,
elle le fera au cours de la transition entre le ralenti et les
conditions thermiques à pleine charge et pourra causer des
problèmes de vibrations qui pourront ne pas être décelés
lors d’un fonctionnement sans charge. Dans le cas des
moteurs haute vitesse, la plupart des fabricants procurent
un moyen de raffiner l’équilibre qui permet également
l’équilibrage à chaud, si nécessaire.
Comme c’est le cas pour une contrainte thermique, tout
problème de cette nature devrait être soumis au fabricant.
CONTRAINTES DYNAMIQUES
Certaines des contraintes dynamiques les plus
fréquentes associées au design du rotor se trouvent
énumérées ci-dessous. Bon nombre de ces contraintes se
veulent des fonctions du procédé de service et peuvent
excéder les limites de conception normales.
A. Couples d’arbre
L’arbre de rotor est conçu pour supporter des couples
supérieurs à ceux que l’on retrouve normalement dans les
moteurs sous pleine charge. Tout couple supérieur à ces
derniers se veut généralement de courte durée et
surnommé couple transitoire. Les couples transitoires se
rencontrent normalement durant les démarrages, les
transferts de bus ou les refermetures hors phase. Ils
peuvent aussi être produits par une charge dynamique en
provenance d’une pièce d’équipement menée, par
fonctionnement ou par une source d’alimentation à
inverseur.
Par exemple, il est possible de développer des couples
d’arbre 20 fois supérieurs à ceux de moteurs sous pleine
charge par un transfert de bus hors phase. Il s’avère
important de consulter le fabricant au moment d’effectuer
des transferts avant que la constante de temps du circuit
ouvert du moteur soit écoulée. Les utilisations qui impliquent
des charges dynamiques, telles que les déchiqueteuses,
doivent également être mentionnées afin de prévoir une
marge appropriée pour le rotor.
Bien que les nombres finis puissent ne pas s’avérer
représentatifs de tous les moteurs, ils démontrent
néanmoins l’ampleur du problème et suggèrent un remède
possible pour les moteurs qui émettent un bruit
électromagnétique. L’expérience a démontré que les
moteurs qui présentent une très importante excentricité
d’entrefer (plus de 25 %) ajouteront de 2 à 3 dba à leur bruit
normal de fonctionnement.
On peut aussi rencontrer des couples élevés dans des
conditions normales de fonctionnement, s’il survient une
résonance de torsion. Une telle condition se vérifie surtout
dans le cas de moteurs haute vitesse. Les moteurs peuvent
normalement accélérer de façon plutôt suffisante dans le
premier système, mais nécessiteront une analyse plus
poussée si on les utilise avec un inverseur et qu’un
fonctionnement continu à différentes vitesses est possible.
TN31-13
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
B. Forces centrifuges
Normalement, un rotor est conçu pour pouvoir tourner à
des vitesses excessives dans les limites de conception
NEMA (20 % pour les moteurs bipolaires et 25 % pour les
versions à vitesses moindres).
Même à ces vitesses, on doit faire preuve de prudence si
le moteur se trouve activé dans des conditions comme
l’utilisation d’un inverseur ou d’éoliennes. La raison pour se
montrer prudent est que les pièces de composants comme
le noyau du rotor à l’ajustement d’interférence de l’arbre
doivent désormais subir à la fois des contraintes centrifuges
et thermiques. En cas de perte de cet ajustement, de fortes
vibrations peuvent se manifester, avec l’effet destructeur
qu’on leur connaît. Évidemment, on doit aussi surveiller les
forces centrifuges supérieures aux limites de survitesse car
elles peuvent poser des problèmes potentiels relatifs aux
contraintes exercées sur la bague d’extrémité ou sur les
laminations et la retenue des pales de ventilateur ou des
charges d’équilibrage.
On pourrait comparer cette situation à un clapet de
retenue coincé ou défectueux dans une pompe de puits
dans laquelle la charge de liquide force la pompe à refouler
en sens inverse et à faire tourner le rotor à une vitesse
excessive.
C. Contraintes cycliques
L’arbre du rotor peut se voir soumis à une contrainte
cyclique susceptible d’aboutir à une défaillance par fatigue.
Une contrainte cyclique peut être causée par l’utilisation,
comme un désalignement entre les pièces d’équipement
menantes, des courroies trop serrées ou des poulies aux
dimensions inappropriées dans le cas de charges
déportées. Il serait préférable d’analyser les charges
cycliques de cette nature, question de s’assurer que les
limites de fonctionnement sécuritaire soient respectées.
Toute concentration de contrainte, comme un changement
dans le diamètre de l’arbre, doit faire l’objet d’une analyse
dans le but de se voir minimisée. Une détente de
contraintes de l’arbre pourrait s’avérer nécessaire pour
s’assurer que les contraintes relatives au soudage ou à
l’usinage soient maintenues dans des limites acceptables.
CONTRAINTES ENVIRONNEMENTALES
Par
souci
de
commodité,
toute
condition
environnementale affectant la longévité du rotor répond à la
définition de contrainte. Des corps étrangers, souvent à
l’origine d’abrasion ou d’obstruction de conduits d’aération,
peuvent constituer une contrainte, tout comme les produits
chimiques ou l’humidité qui peuvent s’attaquer aux
matériaux du rotor et les endommager. Par exemple, une
forte concentration d’une solution hautement caustique qui
détériore une cage de rotor en aluminium ou les vapeurs de
soufre qui détruisent l’alliage brasé du rotor. Les moteurs à
entrefer réduit (0,010 à 0,040 po) ont en réalité eu de
l’oxydation du rotor aux laminations du stator en présence
d’une grande quantité d’humidité. La corrosion s’avère aussi
à l’origine du desserrement des charges d’équilibrage et
d’une « élingue » dans le bobinage du stator avec des
résultats très peu désirables. Lorsque les conditions
environnementales se font rigoureuses, il est de bon ton de
signaler au fabricant le type d’environnement auquel le
moteur se verra exposé. Certains fabricants enduisent leurs
TN31-14
o
Fiche technique n 31
rotors d’un revêtement en vue de leur procurer une
protection supplémentaire.
CONTRAINTES MÉCANIQUES
Outre les défaillances associées aux contraintes déjà
mentionnées, il existe une autre grande catégorie de
défaillances que l’on peut regrouper sous l’appellation
contraintes mécaniques. Certaines des plus communes sont
les suivantes :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
porosité dans le coulage;
laminations desserrées;
pièces usées par la fatigue ou brisées;
ajustement inapproprié entre l’arbre et le noyau;
piètre géométrie du rotor/stator;
perte d’entrefer;
arbre de rotor courbé;
défaillance d’un palier;
désalignement;
matériaux inadéquats;
résonance des dents.
ANALYSE DES DÉFAILLANCES DE ROTORS
À partir de la même méthodologie proposée dans le cas
du stator, il existe cinq points importants à retenir et à relier
entre eux dans le but d’effectuer un diagnostic précis de la
cause d’une défaillance de rotor. Ces points sont :
1.
2.
3.
4.
5.
mode de défaillance;
profil de défaillance;
apparence;
utilisation;
dossier d’entretien.
Ce qui suit se veut une brève description de chacun des
points ci-dessus.
A. Modes de défaillances
Sans tenir compte de la cause d’une défaillance, les
catégories réelles de bris peuvent se regrouper comme
suit :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
arbres;
paliers;
laminations;
cage d’écureuil;
système de ventilation;
stator;
n’importe quelle combinaison des éléments cidessus.
Au moment d’analyser une défaillance, il s’avère ardu de
déterminer lequel de ces facteurs est responsable du
problème initial et lequel est sa résultante.
Illustrons ce point par un simple exemple. Un moteur de
500 HP pouvant tourner à 3 600 tr/min présente un arbre
courbé qui provoque de fortes vibrations, en plus
d’endommager les paliers. Il en découle une perte d’entrefer
lorsque le moteur se trouve en service. Le rotor donne
contre le stator, ce qui provoque une surchauffe du rotor et
des laminations du stator ainsi que des bobinages primaire
et secondaire. La barre d’induit en aluminium fond et se voit
o
Fiche technique n 31
projetée à l’intérieur du bobinage du stator pour provoquer
un défaut de ligne à ligne qui fait tomber le moteur en
panne.
Bien qu’une inspection puisse révéler six différentes
catégories de défaillances, l’arbre défectueux est la cause
du problème initial; les autres ne sont que ses résultantes.
Malheureusement, de par la nature destructive d’une telle
défaillance, il se révèle souvent difficile de distinguer la
cause de son effet.
B. Profils de défaillances
Étroitement lié au mode de défaillance, mais devant être
pris en considération séparément, le profil d’une défaillance
peut faire partie d’une des contraintes suivantes :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
thermique;
magnétique;
résiduelle;
dynamique;
mécanique;
environnementale.
Le fait de combiner la catégorie et le profil d’une
défaillance peut fournir des indices quant à la cause du bris.
C. Apparence
Lorsqu’on la relie au mode et au profil d’une défaillance,
l’apparence générale d’un moteur donne généralement un
indice sur la cause possible d’un bris. La liste de
vérifications suivante s’avère utile :
1.
2.
3.
Est-ce que le rotor comporte un corps étranger?
Y a-t-il des signes de voies d’aération obstruées?
Les laminations, les barres d’induit ou les surfaces
peintes présentent-elles des signes de
surchauffe?
4. Y a-t-il eu frottement des laminations du rotor ou
de l’arbre? Noter tous les endroits de contact du
rotor.
5. Y a-t-il des signes de blocage ou de verrouillage
du rotor?
6. Le rotor tournait-il au moment où est survenue la
défaillance?
7. Quel était le sens de rotation et ce dernier était-il
pertinent à la disposition du ventilateur?
8. Y a-t-il des pièces mécaniques manquantes,
comme des charges d’équilibrage, des boulons,
des dents de rotor, des pales de ventilation, etc.
Où y a-t-il eu contact?
9. Les paliers peuvent-ils tourner librement comme
prévu?
10. Y a-t-il présence d’humidité dans l’ensemble
rotatif ou contamination du lubrifiant?
11. Y a-t-il des signes de mouvement entre le noyau
du rotor et l’arbre ou entre les barres d’induit et les
laminations?
12. Est-ce que le système de lubrification est intact ou
y a-t-il eu fuite de lubrifiant?
Au moment d’analyser les défaillances de rotors, il
s’avère commode d’effectuer un croquis de l’enroulement et
d’y indiquer l’endroit où la défaillance est survenue.
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
D. Application
La plupart du temps, il est difficile de reconstituer
exactement les conditions de fonctionnement qui
prévalaient au moment d’une défaillance. Par contre, une
certaine connaissance des conditions de service générales
s’avère utile. On devrait tenir compte des éléments
suivants :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
Quelles sont les caractéristiques de charge des
pièces d’équipement menées?
Y avait-il des charges cycliques ou pulsatoires?
Un certain risque de blocage complet?
Quelle était la tension? Était-elle équilibrée?
Le moteur se trouvait-il alimenté par un circuit à
fréquence variable?
Y a-t-il des signes de tension transitoire passée
ou présente?
Est-ce que d’autres moteurs sont tombés en
panne dans le cadre de cette application? Dans
l’affirmative, de quelle façon?
Depuis combien de temps le moteur tournait-il ou
est-il tombé en panne dès son démarrage?
Quel était le temps d’accélération?
Est-ce que le moteur démarre en ligne, à tension
réduite ou à bobinage à mi-temps? Quel était le
réglage de la minuterie de démarrage?
Dans quel état se trouvait la commande du
moteur?
De quel genre de protection de moteur le système
est-il équipé et quel élément a été déclenché?
Dans quel environnement le moteur évolue-t-il? À
l’intérieur ou à l’extérieur en proie aux
intempéries?
Y avait-il présence de pluie, de neige ou de foudre
juste avant la défaillance?
Quelle était la température ambiante?
La base de montage est-elle adéquate pour
soutenir convenablement le moteur?
Le système d’alimentation comporte-t-il des
circuits à fréquence variable?
E. Dossier d’entretien
Une bonne compréhension de la performance du moteur
par le passé peut se révéler un bon indicateur de la cause
du problème. Ici encore, une liste de vérifications s’impose.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Depuis combien de temps le moteur est-il en
service?
A-t-on relevé des défaillances du moteur par le
passé? De quelle nature étaient-elles?
Quelles défaillances ont connu les pièces
d’équipement menées?
Quand a-t-on procédé au dernier entretien?
Quelles étaient les conditions de fonctionnement
(température, vibrations, bruit, etc.) juste avant la
défaillance?
Quels commentaires le responsable de
l’équipement a-t-il émis au sujet de la défaillance?
Depuis combien de temps le moteur se trouvait-il
remisé ou hors service avant son démarrage?
TN31-15
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
8. Quelles étaient les conditions d’entreposage?
9. À quelle fréquence le moteur démarre-t-il?
10. A-t-on testé le moteur au mégohmmètre avant sa
mise en service?
11. A-t-on utilisé des procédés de lubrification
adéquats?
MÉTHODOLOGIE
La discussion suivante propose un moyen d’identifier la
cause précise d’une défaillance de rotor selon son profil :
thermique, magnétique, dynamique, mécanique ou
environnemental. Remarquons que toutes les autres
défaillances sont regroupées sous l’appellation « divers »,
plutôt que de devoir les traiter comme des éléments à part.
Pour accéder à un sommaire des défaillances et
apparences évidentes de rotors, consultez l’annexe I de
l’article PCIC-87-2 rédigé par l’auteur.
A. Défaillances thermiques
Les défaillances thermiques se veulent facilement
identifiables de par l’apparence du rotor. La véritable cause
du bris, par contre, peut se révéler difficile à déceler de
façon précise.
1. Causes possibles
a) surcharge thermique
b) déséquilibre thermique
c) perte excessive du rotor
d) points chauds
e) sens de rotation inadéquat
f) rotor bloqué (voir figure 11)
o
Fiche technique n 31
bobinage. Souvent, il est possible de déterminer une
température excessive en observant la couleur des surfaces
peintes.
3. Catégorie de défaillance
La plupart des défaillances thermiques présenteront un
profil inégal sur l’ensemble du rotor, le tout pouvant
s’accompagner
d’aluminium
fondu
provenant
des
cannelures ou de la bague d’extrémité. Dans le but de
réduire les options de causes possibles, on doit noter
certains profils supplémentaires. Un rotor verrouillé
présentera généralement une agglomération d’aluminium au
bas du bobinage, tandis que dans le cas de surcharges
thermiques, de pertes excessives du rotor et de rotation
inappropriée, l’aluminium se retrouvera autour du bobinage
ou sur la surface du rotor.
Pour les rotors à conduits d’aération, des barres fondues
dans les passages d’air indiquent une surchauffe due à un
blocage, un défaut d’accélération ou une fréquence de
démarrage excessive. Des barres fondues dans les
pochettes des laminations accusent une surchauffe en
cours de fonctionnement. Des points chauds ou un
déséquilibre thermique présentent un profil de surchauffe
inégale à la surface du rotor et peuvent se solder par des
changements d’amplitude des vibrations contre le temps
écoulé entre un démarrage à froid et des conditions de
fonctionnement à chaud.
Dans les cas plus graves, les rotors qui ont courbé en
raison d’une instabilité thermique montreront souvent des
signes de frottement sur leur surface à un endroit ou une
usure correspondante de 360° sur le stator ou sur un côté
de l’arbre ainsi qu’une usure de 360° du chapeau de palier
ou du joint d’étanchéité d’huile.
B. Défaillances magnétiques
Les défaillances magnétiques peuvent se révéler
évidentes ou extrêmement difficiles à déceler. En raison des
dommages secondaires, un examen minutieux se veut
nécessaire pour identifier précisément la cause ultime de la
défaillance.
1. Causes possibles
a) déplacement du rotor
b) traction magnétique non uniforme
c) saturation des laminations
d) courants de circulation
2. Apparence du rotor
Une surchauffe extrême du rotor se fera visible. Il peut
s’agir d’un bleuissement isolé causé par des points chauds
ou d’aluminium fondu, soit sur le rotor, soit dans le
TN31-16
2. Apparence du rotor
Les preuves visibles de contraintes magnétiques
s’avèrent relativement limitées. Un frottement du rotor peut
se présenter sous forme d’une usure localisée sur le D.E.
du rotor et sur le D.I. du stator ou d’une usure localisée sur
le D.I. du stator et un D.E. de rotor complètement usé. Les
défaillances dues à des contraintes magnétiques où le rotor
n’est pas entré physiquement en contact avec le stator ne
présentent généralement aucun profil visible. On peut
seulement les détecter par la mesure des pièces connexes
(flasques, bâtis, arbres, etc.) et l’analyse des forces
magnétiques dans des conditions de service réelles (tension
de fonctionnement, fréquence, etc.).
Les preuves audibles de contraintes magnétiques sont
plus courantes. Des barres d’induit desserrées produisent
généralement un bruit ou des étincelles au démarrage. Elles
o
Fiche technique n 31
peuvent aussi se solder par des points chauds ou des bris
de barres, lesquels peuvent aisément être observés au
démontage.
On peut détecter une rupture de barres du rotor sans
démontage par l’application d’une tension monophase de 5
à 10 % de la tension nominale à deux conducteurs de
moteur et par le tournage du rotor lentement à la main en
observant le courant de ligne à l’aide d’un ampèremètre
amovible. Une barre brisée provoquera une fluctuation de
courant à chacun de ses passages sous une paire de pôles.
Les lectures de courant différentes de 5 % ou plus indiquent
généralement une rupture de barres (voir figure 9).
3. Catégorie de défaillance
Un déplacement du rotor peut s’accompagner ou non
d’un contact avec le stator. S’il y a contact, la première
preuve peut être du bruit, des vibrations ou une défaillance
catastrophique du bobinage. Dans le cas contraire, cette
preuve peut se limiter au bruit ou aux vibrations.
Un déplacement excessif et prolongé entraînera une
charge radiale sur les paliers avec réduction proportionnelle
de longévité de ces derniers. Tout rapport de courte durée
de vie utile des paliers ou de combinaison de défaillances
de paliers et de frottement du rotor peut être considéré
comme un problème potentiel de déplacement. Un
frottement du rotor dû à l’excentricité montre habituellement
une usure avancée d’une petite partie du D.E. du rotor et
sur tout le pourtour de l’alésage du stator. Une force
portante magnétique inégale révèle quant à elle des traces
de frottement sur une petite partie du stator et sur tout le
pourtour du D.E. du rotor. Le tout provient d’un axe de
rotation différent de l’axe magnétique du bobinage.
Des mesures précises s’avèrent nécessaires pour
détecter cette condition. Saturation et courants de
circulation aboutiront à une piètre performance du moteur.
Ces conditions peuvent être détectées par le fabricant qui
se trouve en meilleure position que quiconque pour
solutionner les problèmes relatifs au rendement du moteur.
Les défaillances magnétiques sans contact peuvent se
manifester par du bruit ou des vibrations. Les noyaux de
rotors non concentriques (surtout ceux des moteurs
bipolaires) présenteront un rythme pulsatoire à la fréquence
de glissement, tandis que les moteurs à basse vitesse
produiront des vibrations. Ces forces magnétiques peuvent
se voir aisément éliminées, car elles disparaissent lorsqu’on
enlève la tension. Les barres de rotor brisées peuvent
causer des problèmes de vibrations, sauf que, dans les cas
les plus graves, la barre se faufile hors de la cannelure et
entre en contact avec le noyau du stator ou le bobinage. Un
cliquetis entendu au démarrage ou sous charge peut trahir
la présence de barres de rotor brisées ou lâches.
C. Défaillance dynamique
À quelques exceptions près, les défaillances dynamiques
proviennent généralement de forces extérieures au moteur.
Les contraintes de cette nature doivent être identifiées, puis
corrigées ou prises en considération à l’étape de conception
des composants / du système, si l’on désire éviter les
défaillances à répétition.
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
1. Causes possibles
- vibrations
- barres de rotor desserrées
- frottement du rotor
- couple transitoire
- vitesse excessive
- contrainte cyclique
Origine
externe ou interne
interne
externe ou interne
externe
externe
externe
2. Apparence du rotor
Les contraintes cycliques, de vibrations ou de couples se
soldent généralement par des bris d’arbres ou des
défaillances de paliers. Une vitesse excessive se voit par
des pales de ventilateur abîmées, un noyau de rotor
déplacé, de fortes vibrations et un endommagement ou une
distorsion des pièces installées sur l’arbre (ventilateurs,
accouplements, etc.). Un examen des pièces défectueuses
peut souvent mener à l’identification de la défaillance. À titre
d’exemple, une défaillance de torsion de l’arbre indique un
mouvement contraire au sens normal de rotation et peut
indiquer l’origine d’une défaillance due à un transfert de bus
hors phase ou à une nouvelle coupure. Les défaillances
dynamiques causent souvent des dommages considérables
à l’ensemble du moteur. Les défaillances de palier
permettent habituellement au rotor de venir en contact avec
le stator, ce qui entraîne par la suite une perte de bobinage.
La survitesse peut endommager toutes les parties d’un
moteur.
3. Catégorie de défaillance
Il s’avère souvent extrêmement difficile de reconstituer la
séquence exacte des événements qui ont mené à une
défaillance. Bon nombre de défaillances dynamiques
proviennent de forces extérieures impossibles à analyser
après le retrait du moteur. Une inspection en règle des
pièces des composants, des accouplements, etc., se veut
obligatoire. L’analyse du dossier d’entretien ou des
caractéristiques de fonctionnement du moteur et la
discussion avec les personnes responsables en service au
moment où est survenue la défaillance sont toutes aussi
importantes.
D. Défaillance mécanique
La cause exacte d’une défaillance mécanique est
souvent difficile à identifier parce que l’apparence de la
pièce défectueuse se veut très similaire à celles d’autres
causes
de
défaillances
(contraintes
dynamiques,
défaillances thermiques, etc.). Par contre, une analyse en
profondeur révélera souvent une preuve physique d’un
problème mécanique.
1. Causes possibles
a) variation dans le coulage (vides)
b) laminations ou barres d’induit desserrées
c) ajustement arbre-noyau incorrect
d) fatigue ou bris de pièces
e) géométrie rotor-stator inappropriée
f) déviations de matériaux
g) assemblage inapproprié ou résonance de l’arbre
h) design ou procédés de fabrication inappropriés
TN31-17
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
2. Apparence du rotor
Le rotor peut présenter n’importe quel des profils
mentionnés auparavant : points chauds, usure, fractures,
mouvement, etc. Une certaine forme de dommage physique
est souvent associée à ce type de défaillance.
3. Catégorie de défaillance
À l’instar de la plupart des défaillances, il s’avère
extrêmement important d’inspecter toutes les pièces du
moteur et non seulement le rotor pour déterminer la
catégorie ou le mode d’une défaillance. Le frottement du
noyau de rotor ou de l’arbre se voit fréquemment en raison
du mouvement de l’axe de rotation du rotor hors du centre
magnétique par des pièces de composants mal installées
ou défectueuses ou un désalignement des charges
déportées. Des barres d’induit ou des laminations lâches
produisent normalement un bruit au démarrage et en cours
de fonctionnement. Le mouvement de ces pièces peut
mener à une défaillance par fatigue, des points chauds
locaux, une courbure de l’arbre, un frottement du rotor et
une défaillance du bobinage ou d’un palier, etc. Une
défaillance par fatigue d’un arbre ou de composants doit
faire l’objet d’une analyse visant à déterminer si une
défaillance cyclique à long terme ou à court terme est
survenue. Même l’apparence des composants externes
(graisse sur les courroies d’entraînement) peut en dire long
sur l’origine d’une défaillance.
E. Défaillances environnementales
Les contraintes environnementales comptent parmi les
plus faciles à identifier. Il est particulièrement important de
consulter les dossiers d’entretien et de connaître les
conditions de fonctionnement ambiantes pour bien cerner
tout le contexte entourant la défaillance.
1. Causes possibles
a) contamination
b) abrasion
c) particules étrangères
d) ventilation restreinte
e) température ambiante excessive
f) forces externes inhabituelles
2. Apparence du rotor
Une aération restreinte due à la présence de dépôts dans
les voies d’air ou conduits ou des températures ambiantes
excessives présenteront un profil général de surchauffe sur
le rotor et les pièces des composants. D’autres profils
comprennent l’attaque chimique du rotor ou de diverses
surfaces en aluminium, les dépôts de rouille, les balafres
localisées sur la surface du rotor et du stator, les surfaces
« passées au jet de sable » et le corps étranger présent
dans le bobinage.
3. Catégorie de défaillance
Les défaillances environnementales proviennent plus
souvent d’une mauvaise utilisation ou d’un entretien
insuffisant. Poussières et autres substances peuvent venir
obstruer les filtres, voies d’aération ou conduits d’air et
provoquer une surchauffe générale. Les moteurs fermés
peuvent se retrouver couverts d’un manteau formé de divers
matériaux qui empêche un transfert de chaleur approprié ou
une circulation d’air acceptable. Les produits chimiques et
TN31-18
o
Fiche technique n 31
l’eau peuvent pénétrer à l’intérieur du moteur et s’attaquer à
la surface du rotor. Dans le cas des moteurs à faible
entrefer (jusqu’à 0,040 po), le rotor peut se voir solidement
relié au D.I. du stator par la rouille. Des particules
étrangères peuvent pénétrer dans le rotor, briser les pales
de ventilateur et endommager les surfaces.
Une recherche de détérioration thermique ou de
contaminants dans les paliers ou le lubrifiant pourrait
déterminer la cause de défaillances inattendues. Par
exemple, l’ajout d’une quantité si infime soit-elle d’humidité
dans le lubrifiant réduit considérablement la résistance des
paliers à la fatigue, ce qui pourrait produire des effets
désastreux dans le cas de moteurs à très lourdes charges,
tout comme l’utilisation d’huiles ou de graisses
incompatibles qui réduit la résistance de la pellicule de
lubrifiant.
F. Divers
Les défaillances de cette catégorie n’entrent pas
facilement dans des secteurs clairement définis. Elles
présentent des caractéristiques appartenant à chacune des
défaillances mentionnées précédemment et doivent être
analysées soigneusement pour en déterminer la cause.
1. Causes possibles
a) concentration de contraintes
b) contrainte de barres non uniforme
c) mauvaise utilisation
d) piètre design
e) variations de fabrication
f) entretien insuffisant
g) fonctionnement inapproprié
h) assemblage inadéquat
2. Apparence du rotor
L’ensemble (ou aucun) des profils que nous avons vus
précédemment peut se retrouver dans cette catégorie. Il
peut aussi exister de nouveaux profils qui aideront à
identifier la cause d’une défaillance.
3. Catégorie de défaillance
Selon la cause spécifique, différentes catégories de
défaillances peuvent être en présence. Un entretien
insuffisant, excessif ou inapproprié peut entraîner une
surchauffe ou une défaillance de palier. Une utilisation
inadéquate peut provoquer une défaillance ou un bris de
pièces. Les conséquences d’un concept médiocre de
système ou de moteur peuvent aller d’un piètre rendement à
une défaillance catastrophique.
Afin d’effectuer cette analyse, il est nécessaire de
consigner la séquence de fonctionnement exacte pour
tenter d’isoler l’origine de la défaillance.
À titre d’exemple de ce type d’analyse, on a envoyé au
centre de service un moteur de 3 600 tr/min qui présentait
un bobinage défectueux, un frottement excessif du noyau
de rotor et de l’arbre, des paliers défectueux et un alésage
de ventilateur usé côté extérieur. Ce moteur était installé
dans une station de pompage sans surveillance; on l’a retiré
du circuit par le biais du système de protection contre les
défauts de mise à la terre. Il avait fonctionné plus de neuf
mois sans problème avant de tomber en panne. Bien que la
plupart des composants aient lâché, on a déterminé que
o
Fiche technique n 31
l’origine de la défaillance provenait d’un clapet de retenue
défectueux. Ce qui suit venait confirmer cette conclusion.
L’analyse de l’arbre à la hauteur du ventilateur endommagé,
ainsi que l’emplacement du ventilateur côté intérieur, a
révélé que toutes les pièces étaient dans les limites de
tolérance. Les pales de ventilateur présentaient une légère
courbure, élément reproduit en poussant un nouveau
ventilateur à une vitesse excessive d’environ 5 000 tr/min.
Une enquête plus approfondie a démontré que l’embout de
plastique du déflecteur d’air utilisé pour pressuriser le palier
extérieur était usé du côté opposé au sens normal de
rotation.
On en a conclu à un mauvais fonctionnement du clapet
de retenue de la station de pompage qui a forcé le moteur à
tourner à une vitesse excessive en sens inverse au moment
où il ne se trouvait pas alimenté. Ce qui a eu pour effet une
perte d’ajustement du ventilateur extérieur qui, en
descendant le long de l’arbre, est entré en contact avec
l’embout du déflecteur. Lorsqu’on a remis le moteur en
marche, l’alésage du ventilateur s’est usé dans le sens de la
rotation, causant une surchauffe locale et finalement une
défaillance de palier. Le rotor abaissé est venu frotter contre
le stator pour mener à la défaillance du bobinage. Afin de
prévenir ce genre d’incident dans l’avenir, il a été
recommandé de réparer le clapet de retenue défectueux
avant de remplacer le moteur.
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
CONCLUSION
De par la nature destructive de la plupart des
défaillances, il est difficile, voire parfois impossible, de
déterminer la cause primaire du bris. En procédant par
élimination, il s’avère généralement possible d’identifier
correctement la cause d’une défaillance.
Durant ce processus d’élimination, le point le plus
important à retenir est d’utiliser les étapes de base
d’analyse des modes et profils de défaillances, de noter
l’apparence générale du moteur, d’identifier les conditions
de fonctionnement qui prévalaient au moment où est
survenue la défaillance et de consulter le dossier d’entretien
et d’utilisation du moteur.
Le fait d’omettre une de ces étapes peut facilement
mener à une conclusion erronée quand à la cause réelle du
bris. Le cas échéant, les mesures qui s’imposent peuvent
ne pas être prises et il y a fort à parier que d’autres
défaillances de même nature surviendront dans l’avenir.
Notons qu’aucune mention n’a été faite des effets du
vieillissement thermique ou résiduel sur le rotor. Cette
omission peut s’expliquer comme suit.
À moins que la température de service s’avère
extrêmement élevée, le vieillissement thermique a
normalement pour effet de rendre les matériaux qui
composent le rotor vulnérables à d’autres facteurs
d’influence ou contraintes que ceux qui ont effectivement
provoqué la défaillance. Une fois que le rotor a perdu son
intégrité physique, il n’est plus en mesure de résister aux
contraintes dynamiques, magnétiques, mécaniques et
environnementales normales.
Bien sûr, si n’importe quelle de ces contraintes se fait
suffisamment importante, une défaillance surviendra sans
tenir compte du vieillissement thermique. Ce type de
défaillance s’identifie normalement par des modifications
lentes, à long terme, des vibrations et peut être neutralisé
par frappage du rotor.
TN31-19
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
o
Fiche technique n 31
ANNEXES
ANNEXE I
Consulter l’annexe des articles IEEE PCIC 87-2 et PCIC
85-24 pour obtenir plus de détails sur les sujets suivants :
1.
2.
3.
Sommaire des défaillances de rotors types et
apparence évidente.
Martelage des rotors au serrage des barres.
Barres en aluminium contre barres en cuivre.
Ces articles renferment également une bibliographie
complète de divers ouvrages portant sur les rotors qui
peuvent s’avérer utiles au moment d’analyser des
défaillances.
La bibliographie des articles IEEE PCIC 76-7, PCIC 77-4
et PCIC 78-2 se veut aussi des plus pratiques.
ANNEXE II
National Electrical Manufactures Association (NEMA)
MG 1, parties 30 et 31, établit les normes suivantes quant
aux applications d’inventeurs.
Partie 30 : « Application Considerations for Constant
Speed Motors Used on Sinusoidal Bus with Harmonic
Content and General Purpose Motors Used on Variable
Voltage or Fre¬quency Power Supplies ».
Niveau maximal de contrainte de tension :
a)
Moteur de 600 volts ou moins
Pointe de tension < 1kV
Temps d’élévation > 2tsec
b)
Moteur de plus de 600 volts
Pointe de tension < 2,5pu
Temps d’élévation > 1tsec
Ces six documents constituent l’abrégé du présent article
ainsi qu’une occasion de mise à jour des articles originaux
en fonction des plus récentes données.
Pour plus de renseignements sur les défaillances de
paliers, consulter l’article IEEE CH3331-6/93/0000-0036,
conférence sur l’industrie des pâtes et papiers.
Partie 31 : « Application Considerations for Constant
Speed Motors Used on Sinusoidal Bus with Harmonic
Content and General Purpose Motors Used on Variable
Voltage or Frequency Power Supplies ».
Niveau maximal de contrainte de tension :
TN31-20
a)
Moteur de 600 volts ou moins
Pointe de tension < 1,6kV
Temps d’élévation > .1tsec
b)
Moteur de plus de 600 volts
Pointe de tension < 2,5pu
Temps d’élévation > 1tsec
Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
o
Fiche technique n 31
BIBLIOGRAPHIE
Les références ci-dessous donnent des renseignements
plus détaillés sur ce très vaste sujet.
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530-PWR.
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Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors
des moteurs à induction à courant alternatif
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Fiche technique n 31
Insérez cette fiche technique au chapitre 3 de votre Manuel technique
EASA pour consultation future. Noter son emplacement au chapitre 15,
« Fiches techniques à venir ».
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