CAUSES ET ANALYSE DES DÉFAILLANCES DE STATORS ET DE ROTORS DES MOTEURS À INDUCTION À COURANT ALTERNATIF

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1 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 B. Électriques 1. Vieillissement 1. Milieu diélectrique 2. Surcharge 2. Cheminement 3. Instabilité 3. Effet de couronne 4. Transitoires C. Mécaniques D. Environnementales 1. Mouvement de bobines 1. Humidité 2. Contact rotor-stator 2. Produit chimique 3. Divers 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. Couple de fonctionnement 2. Force dynamique déséquilibrée 3. Vibrations de torsion et couples transitoires 4. 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) 10. Contrainte thermique causée par l expansion d une barre axiale 11. 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

2 Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors des moteurs à induction à courant alternatif Fiche technique n o 31 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 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. 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 matériaux isolants de Classe F, la longévité thermique se verrait prolongée de 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 ) 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. 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. TN31-2

3 Fiche technique n o 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 d heures à 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. TABLEAU 1 :TEMPÉRATURE AMBIANTE CONTRE LA LONGÉVITÉ DE L ISOLEMENT Ambiante (C ) Durée de vie de l isolement (heures) 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 Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors des moteurs à induction à courant alternatif certains matériaux présentent une plus grande endurance à la tension que d autres. On peut diviser ces contraintes en trois groupes distincts : 1. entre phases 2. entre spires 3. de spire à mise à la terre 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. Une petite piqûre ou fuite se crée entre le conducteur de cuivre et l air libre. 2. 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. 3. 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 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. des décharges internes qui se créent dans les cavités d un milieu diélectrique; 2. des décharges de surface qui se manifestent à la surface des bobines; 3. 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

4 Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors des moteurs à induction à courant alternatif Fiche technique n o 31 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. 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. 2. 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. 3. 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. 4. 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. 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 l ouverture des contacts dans un vide, sans arc pour maintenir le courant. 6. 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. 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. 8. 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. 9. 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. TN31-4

5 Fiche technique n o 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 ) 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. Tension nominale TABLEAU 2 : LIMITES DE TENSION TRANSITOIRE TYPE Max. supporté tension (Vm) en kv Taux d élévation max. en kv / seconde 600 3,9 0, , , , , ,6 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. 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. 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 Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors des moteurs à induction à courant alternatif 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. défaillance d un palier 2. déviation de l arbre 3. désalignement rotor-stator 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. Desserrement des charges d équilibrage du rotor qui viennent percuter le stator. 2. Desserrement des ailettes de ventilateur du rotor qui viennent percuter le stator. 3. Écrous et boulons desserrés qui frappent le stator. 4. Particules étrangères qui pénètrent dans le moteur par le système de ventilation et qui heurtent le stator. 5. Rotor défectueux (dont les barres sont ouvertes) qui peut faire surchauffer le stator et provoquer son bris. 6. 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. 7. 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

6 Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors des moteurs à induction à courant alternatif Fiche technique n o 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. 2. Défaillance prématurée des paliers due à de fortes contraintes localisées. 3. 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. 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. Mode de défaillance 2. Profil de défaillance 3. Apparence 4. Application 5. 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. 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. 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. TN31-6

7 Fiche technique n o 31 Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors des moteurs à induction à courant alternatif 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. La figure 7 montre le même stator que celui de la figure 6. On peut voir le véritable défaut de mise à la terre. 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. Symétrique 2. À phasage simple 3. Asymétrique avec mise à la terre 4. 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. 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

8 Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors des moteurs à induction à courant alternatif Fiche technique n o 31 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. Le bobinage est-il propre? 2. Quels corps étrangers se trouvent en présence? 3. Y a-t-il des signes d humidité? 4. 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. Quelles sont les caractéristiques de charge des pièces d équipement menées? 2. Y avait-il des charges cycliques ou pulsatoires? 3. Un certain risque de blocage complet? 4. Quelle était la tension? Était-elle équilibrée? 5. Le moteur se trouvait-il alimenté par un circuit à fréquence variable? 6. Y a-t-il des signes de tension transitoire passée ou présente? 7. Est-ce que d autres moteurs sont tombés en panne dans le cadre de cette application? Dans l affirmative, de quelle façon? 8. Depuis combien de temps le moteur tournait-il, ou est-il tombé en panne dès son démarrage? 9. Quel était le temps d accélération? 10. 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? 11. Dans quel état se trouvait la commande du moteur? 12. De quel genre de protection de moteur le système est-il équipé et quel élément a été déclenché? 13. Dans quel environnement le moteur évolue-t-il? À l intérieur ou à l extérieur en proie aux intempéries? 14. Y avait-il présence de pluie, de neige ou de foudre juste avant la défaillance? 15. 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. 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. 2. 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? 3. La résistance du bobinage et le courant se trouvaient-ils bien équilibrés? 4. Les rapports d entretien précédents indiquent-ils des faiblesses comme des craquelures ou un vieillissement du système d isolation? 5. 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 TN31-8

9 Fiche technique n o 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

10 Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors des moteurs à induction à courant alternatif Fiche technique n o 31 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. Nombre anormal de démarrages successifs qui portent les barres ou la bague d extrémité à une température excessive. 2. Calage du rotor en raison d une charge de démarrage élevée. 3. Défaut d accélérer jusqu à pleine vitesse dû à une intersection entre la charge et la courbe de couple de vitesse du moteur. 4. Frottement du rotor contre le stator provoqué par une défaillance de palier, un déplacement du rotor ou des vibrations anormalement élevées. 5. Barres d induit brisées en raison d une fatigue causée par le mouvement des barres ou l expansion thermique d une bague d extrémité. 6. Ventilation insuffisante due à des filtres ou des conduits obstrués. 7. 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. 2. Transfert de chaleur inégal entre les barres et le noyau du rotor. 3. Flexion du rotor causée par des changements inégaux des pressions d empilement associés aux cycles thermiques. 4. 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. 5. Points chauds sur la surface du rotor formés par des laminations usées ou un frottement du rotor. 6. 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. Usure des laminations dans la cannelure ou sur la surface du rotor. 2. Courts-circuits irréguliers des barres du rotor aux laminations dans la zone de la cannelure. 3. Piètre empilement des laminations : trop lâche, bavures excessives ou manque de symétrie. 4. Différents serrages d ajustement entre barres et laminations. 5. Répartition non uniforme des pertes dans les laminations causée par un recuit inapproprié ou un contrôle insuffisant au cours du processus de lamination. TN31-10

11 Fiche technique n o Concept de laminations inadéquat. 7. 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. Test de grognard 2. Test de rotation monophase 3. Test de saturation sans charge 4. Test de fonctionnement pour trouver des barres d induit ouvertes ou brisées 5. Peintures sensibles à la température 6. Test d ultrasons 7. 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. Inspection de l ensemble du rotor; recherche de laminations bleuies, etc. 2. Frapper les barres avec un maillet. Les barres brisées ou desserrées produisent un son distinct. 3. Pulsations de courant quand le moteur est sous charge. 4. Test du grognard (voir figure 8). 5. Test de rotation monophase (voir figure 9). TN31-11

12 Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors des moteurs à induction à courant alternatif Fiche technique n o Test de déplacement d angle de phase. 7. Bruit entendu (cliquetis) durant le cycle de démarrage. 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 courant du rotor (I 2 ) 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 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 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 et 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. 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. TN31-12

13 Fiche technique n o 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. D.E. de rotor excentrique à l axe de rotation 2. Alésage de stator excentrique 3. Rotor et stator ronds (profil plein), mais ne présentant pas le même axe de rotation 4. Rotor et stator ronds, mais n ayant pas le même axe 5. 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. 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. 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. 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

14 Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors des moteurs à induction à courant alternatif Fiche technique n o 31 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 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. porosité dans le coulage; 2. laminations desserrées; 3. pièces usées par la fatigue ou brisées; 4. ajustement inapproprié entre l arbre et le noyau; 5. piètre géométrie du rotor/stator; 6. perte d entrefer; 7. arbre de rotor courbé; 8. défaillance d un palier; 9. désalignement; 10. matériaux inadéquats; 11. 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. mode de défaillance; 2. profil de défaillance; 3. apparence; 4. utilisation; 5. 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. arbres; 2. paliers; 3. laminations; 4. cage d écureuil; 5. système de ventilation; 6. stator; 7. 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 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 TN31-14

15 Fiche technique n o 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. thermique; 2. magnétique; 3. résiduelle; 4. dynamique; 5. mécanique; 6. 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. Est-ce que le rotor comporte un corps étranger? 2. Y a-t-il des signes de voies d aération obstruées? 3. 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. Quelles sont les caractéristiques de charge des pièces d équipement menées? 2. Y avait-il des charges cycliques ou pulsatoires? 3. Un certain risque de blocage complet? 4. Quelle était la tension? Était-elle équilibrée? 5. Le moteur se trouvait-il alimenté par un circuit à fréquence variable? 6. Y a-t-il des signes de tension transitoire passée ou présente? 7. Est-ce que d autres moteurs sont tombés en panne dans le cadre de cette application? Dans l affirmative, de quelle façon? 8. Depuis combien de temps le moteur tournait-il ou est-il tombé en panne dès son démarrage? 9. Quel était le temps d accélération? 10. 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? 11. Dans quel état se trouvait la commande du moteur? 12. De quel genre de protection de moteur le système est-il équipé et quel élément a été déclenché? 13. Dans quel environnement le moteur évolue-t-il? À l intérieur ou à l extérieur en proie aux intempéries? 14. Y avait-il présence de pluie, de neige ou de foudre juste avant la défaillance? 15. Quelle était la température ambiante? 16. La base de montage est-elle adéquate pour soutenir convenablement le moteur? 17. 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. Depuis combien de temps le moteur est-il en service? 2. A-t-on relevé des défaillances du moteur par le passé? De quelle nature étaient-elles? 3. Quelles défaillances ont connu les pièces d équipement menées? 4. Quand a-t-on procédé au dernier entretien? 5. Quelles étaient les conditions de fonctionnement (température, vibrations, bruit, etc.) juste avant la défaillance? 6. Quels commentaires le responsable de l équipement a-t-il émis au sujet de la défaillance? 7. Depuis combien de temps le moteur se trouvait-il remisé ou hors service avant son démarrage? TN31-15

16 Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors des moteurs à induction à courant alternatif Fiche technique n o 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) 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 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 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 TN31-16

17 Fiche technique n o 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 Origine - vibrations externe ou interne - barres de rotor desserrées interne - frottement du rotor externe ou interne - couple transitoire externe - vitesse excessive externe - contrainte cyclique 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

18 Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors des moteurs à induction à courant alternatif Fiche technique n o 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 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 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 TN31-18

19 Fiche technique n o 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 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. 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. 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. TN31-19

20 Causes et analyse des défaillances de stators et de rotors des moteurs à induction à courant alternatif Fiche technique n o 31 ANNEXES ANNEXE I Consulter l annexe des articles IEEE PCIC 87-2 et PCIC pour obtenir plus de détails sur les sujets suivants : 1. Sommaire des défaillances de rotors types et apparence évidente. 2. Martelage des rotors au serrage des barres. 3. 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. 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/ , conférence sur l industrie des pâtes et papiers. 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 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 : 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 TN31-20