Dimensionnement des moteurs avec variateurs

Pour les applications industrielles, l'utilisation de variateurs de vitesses implique la connaissance d'un certain nombre de contraintes techniques, en particulier celles concernant les caractéristiques des moteurs asynchrones utilisés.

Classe d'isolation et de température d'un moteur
Un moteur doit être choisi à partir de l'échauffement auquel il sera confronté vis à vis de la sévérité de l'application. Par exemple pour un broyeur où le moteur démarre fréquemment en charge, fonctionne toujours à son régime nominal et/ou encaisse des surcouples, son échauffement nominal sera beaucoup plus important que celui d'un moteur de même puissance mais animant seulement un convoyeur. A puissance égale, le moteur du broyeur sera alors choisi pour être plus robuste que celui choisi pour le convoyeur, par exemple :
* arbre moteur en acier forgé au lieu d'arbre en acier étiré,
* roulements et logements de roulements renforcés,
* nature de la carcasse, fonte plutôt qu'aluminium par exemple
* efficacité supérieure du système de refroidissement
* épaisseur de vernis sur les enroulements du moteur plus importante,
* etc.

Pour faciliter le choix du moteur, les températures maximum admissibles ont été normalisées via la CEI 85. Les classes d'isolation se déclinent selon les lettres E, B, F et H qui apparaissent sur la plaque signalétique. Elles sont directement proportionnelles aux températures que pourront supporter les enroulements. Ainsi, 4 critères entrent en ligne de compte :
* les conditions d'ambiance que sont température ambiante (généralement 40 ° maxi) et altitude (généralement 1000 m). Au delà, il est nécessaire d'appliquer des coefficients de déclassement
* la température maximale admissible par les bobinages (risque de dégradation des isolants au delà),
* l'échauffement admissible (la capacité à évacuer les calories produites essentiellement par effet Joule donc proportionnel au temps et au carré de l'intensité soit I²t)
Classes d'isolation :
* Classe B : 130 °C
* Classe F : 155 °C
* Classe H : 180 °C
Echauffement admissible :
* Classe B : 80 K (+ réserve thermique 10 K)
* Classe F : 105 K (+ réserve thermique 10 K)
* Classe H : 125 K (+ réserve thermique 15 K)

---> Ainsi, un moteur avec classe d'isolation F (155 °C) et un échauffement admissible classe B (+ 80 °C) et une température ambiante de 40 °C lui donne une "réserve thermique" de 155 - (80 + 40 ) = 25 °C et ainsi lui permettre de travailler avec une surcharge quasi permanente (mais maxi) de l'ordre de + 12 %.

Utilisation de variateurs de vitesse
La classe H offre de plus une résistance plus élevée aux fréquences de découpage car elle accepte beaucoup mieux les dv/dt qui sont typiques des variateurs de vitesse.
---> D'où la la nécessité d'utiliser préférentiellement des moteurs classe d'isolement H avec des variateurs de fréquence

Diverses causes peuvent provoquer une surchauffe :
* Surcharge mécanique prolongée
* Température ambiante trop élevée, exposition directe au soleil, altitude trop élevée
* limitation du flux d'air de refroidissement, grille de ventilation +/-obstruée, aspiration trop proche d'une paroi, ailettes de la carcasse encrassées ...
* Ventilateur défectueux, hélice endommagée ou ventilation hors service par exemple
* Vitesse trop basse (avec variateur de fréquence et sans ventilation forcée)
* Anomalie de la tension d'alimentation (surtension permanente hors tolérance, absence de phase...)
* nombre de démarrages trop fréquents (entre deux démarrages, le moteur n'arrive pas à évacuer la chaleur provoquée par les I²t des courants de démarrage)

En pièce jointe, ICIun document de synthèse du constructeur ABB "Moteurs asynchrones, 10 pièges à éviter"

Bonne lecture...

Hello Calamentran ,

Intéressant comme d'habitude.

Et puisque tu parles des classes de températures, je rajouterai quelques éléments supplémentaires :

• La durée de vie d'un appareil électrique est limité par la température à laquelle est soumise les isolants.
Plus la température est élevée, plus la durée de vie est réduite.
La durée de vie d'un appareil diminue de moitié à chaque élévation de température de 10 °C.
Un moteur qui possède une durée de vie de 8 ans à 105 °C aura une durée de vie de 4 ans à 115 °C, de 2 ans à 125 °C et de 1 an à 135 °C

• La classe d'un moteur est définie par rapport à son isolant de plus faible température.
Pour qu'un moteur satisfasse la classe H par exemple, tous ses composants (Email du fil, isolants d'encoches, isolants de fermeture de cales d'encoches, frettes de chignon, isolants des fils de sortie, isolants de la plaque à borne, etc ...) doivent être en classe H.


• Il existe d'autres classes de températures de plus en plus exigées :



La classe 200 (classe N) est de plus en plus utilisée pour les produits contraints (endurance vibrations - températures) notamment automobile.
Les classes 240 (classe S & C) sont de plus en plus utilisées pour les moteurs devant résister au feu (moteur Lucifer) et dans l'aéronautique avec des fils de type Y240 (T°C de thermoplasticité 500°C)

• Quel est l'intérêt des classes de températures élevées ?
- Possibilité de faire fonctionner un moteur à plus haute température et donc un moteur plus petit, c'est à dire avec moins de fer (circuit magnétique) et moins de cuivre (circuit électrique) donc plus économique à produire surtout pour les productions de plusieurs milliers de pièces par jour ...
- Aspect sécuritaire à la suite de la tragédie du Mt Blanc avec des moteurs devant résister au feu (moteurs Lucifer de désenfumage)
- Obligations légales sur le rendement des moteurs. Ainsi les pertes cuivre par Effet Joule et fer par courants de Foulcault pour simplifier, induisent une perte proportionnelle à la masse du moteur, à la différence de température, à la chaleur spécifique et la résistance thermique (capacité de refroidissement) du moteur suivant Q = M.C.∆T + ∆T/Rth.
Ainsi à puissance constante, un moteur plus petit fonctionnant à des températures plus élevées peut avoir un meilleur rendement qu'un moteur plus gros fonctionnant à température plus faible. La seule nécessité étant des isolants plus performants qui jusqu'à une certaine époque coûtaient moins cher que le Cu ou le Fe.

La classe H offre de plus une résistance plus élevée aux fréquences de découpage car elle accepte beaucoup mieux les dv/dt qui sont typiques des variateurs de vitesse.
---> D'où la la nécessité d'utiliser préférentiellement des moteurs classe d'isolement H avec des variateurs de fréquence

Pas tout à fait exacte dans la formulation ;
L'emploi de la classe H en variation de vitesse est obligatoire du fait de l'échauffement plus important des moteurs.
- En basse vitesse, la vitesse de rotation est faible et le moteur mal refroidi par sa ventilation de bout d'arbre. C'est pour cela que l'on rajoute souvent une ventilation séparée sur ces moteurs.
- Un variateur de vitesse est un onduleur qui travaille en PWM avec des rangs d'harmoniques élevées dont le courant est intégré en partie par le moteur avec des échauffements par pertes magnétiques (pertes tôles) et pertes cuivre (effet de peau ou skin effect)
Les isolants de classe H (principalement l'émail du fil) ont une meilleure tenue en diélectrique.
Contrairement à une légende fortement Encrée , le vernis d'imprégnation n'intervient pas dans l'isolation d'un bobinage. Le vernis ne sert qu'à immobiliser les fils émaillés (vibrations de matériel embarqué, automobile, concasseur, etc ...) et intrinsèque à la nature alternative du courant.
Lorsque l'isolant entre deux fils (émail) est endommagé ou réduit en épaisseur, le vernis d'imprégnation n'apporte aucune amélioration en isolation entre ces fils ...
- de plus en plus de moteurs sont agglomérés par le principe de collage par Effet Joule (thermo-setting bonding wires) qui permet d'imobiliser tous les fils (même ceux à coeur du bobinage qui ne sont pas imprégnés par le vernis)

La résistance aux courts-circuits ou les intensités de démarrage sont directement dépendant du mouvement des fils car les forces électro-dynamiques à ce moment sont très importantes et même très violentes.
Un fil en classe H thermo-adhérent a ainsi une bien meilleure capacité à endurer les stress de la vie moderne les stress des forts courants transitoires.

La tenue en dv/dt est liée à la nature intrinsèque de l'isolant et à son épaisseur et non pas uniquement à sa tenue en température si l'on n'envisage pas l'Effet Corona dont nous pourrions éventuellement parler.

• Paradoxalement, un gros moteur ( > 500 KW) exigera une classe de température plus faible qu'un petit (à part les moteurs Lucifer) :
un moteur de 500 KW avec un rendement de 98% aura 10 KW de pertes
un moteur de 5 KW avec un rendement de 90% aura 0,5 KW de pertes
On comprend alors qu'il est important de faire fonctionner le gros moteur à faible température bien que cela soit faussé dans l'économie globale :
pour un moteur de 500 KW il y a 1 000 moteurs de 5 KW ...


Amitiés

Ouppss !!! Petite erreur de copier/coller

Bonjour Lil

Je ne connaissait pas ces moteurs Lucifer... Bel exemple de compléments techniques et de compétences qui enrichissent un sujet...

Tu vois, quand tu veux....

Hello

Véro a écrit:

Calamentran a écrit:Tu vois, quand tu veux....

Oooooooooh ...

De toutes façons, j'vais appeler mon copain de clavardage (Sulren) à la rescousse.

Mon second prénom n'est pas Ange

et pis j'peux pas rester sérieuse trop longtemps, ça m'est contre-indiqué par la faculté

Amitiés

Bonjour

Excellent post comme toujours ,merci à vous pour cette mine de renseignement