Augmentez la fiabilité de votre moteur en surveillant et en réduisant la température de fonctionnement
Bien que les vagues de chaleur de l’été nous rappellent de manière poignante que « la chaleur tue », les températures élevées peuvent nuire aussi bien aux moteurs électriques qu’aux personnes. En fait, l’exploitation d’un moteur à induction à 10 C seulement au-dessus de sa température nominale peut réduire sa duré de vie de moitié. Que votre installation possède des milliers de moteurs ou juste quelques-uns, la vérification régulière de la température de service des moteurs essentiels rapporte d’énormes dividendes, car vous évitez ainsi des arrêts inopinés et prolongez la durée de vie du moteur. Voici comment procéder.
Tout d’abord, déterminez les caractéristiques thermiques du moteur à partir de sa plaque signalétique d’origine ou des caractéristiques nominales des moteurs à induction triphasés spécifiées dans la norme MG 1-2011des moteurs et générateursdu National Electrical Manufacturers Association (NEMA). Une fois que vous connaissez les caractéristiques nominales, vous pouvez mesurer la montée de température directement à l’aide de capteurs ou d’un détecteur de température à infrarouge ou indirectement à l’aide de la méthode de résistance expliquée ci-dessous.
Termes importants
De brèves définitions de quelques termes généralement utilisés facilitent le respect des diverses procédures.
La température ambiante (souvent appelée « température de la pièce ») est la température de l’air (ou d’un autre moyen de refroidissement) qui entoure le moteur. La différence entre la température ambiante et celle d’un moteur fonctionnant sous une chargeest appelée montée de la température. Dit d’une autre façon, la somme de la température ambiante et de la montée de température est égale à la température totale (ou « chaude ») du moteur ou d’un composant.
Température ambiante + montée de la température = température chaude
NEMA classe l’isolation du bobinage de par sa capacité à résister à la température totale. Un système d’isolation de classe B par exemple, est classé 130 C, tandis qu’un système de classe F est noté 155 C. Etant donné que la température ambiante maximale de NEMA est normalement de 40 C, la montée de température limite pour un système de classe B devrait être de 90 C (130 à 40 C). Toutefois, NEMA inclut un facteur de sécurité, qui tient compte principalement des pièces de bobinage du moteur qui pourraient être plus chaudes qu’à l’endroit où la température est mesurée.
Le Tableau 1 affiche les limites de montée de la température pour les moteurs électriques moyens NEMA, sur la base d'une température ambiante maximale de 40 C. Dans les classes de vitesse les plus courantes, la désignation NEMA des moteurs moyens inclut des caractéristiques nominales de 1,5 à 500 hp pour les machines de 2 et 4 pôles et jusqu’à 350 hp pour les machines à 6 pôles.
Les limites de température des gros moteurs c.-à.-d. ceux dont les caractéristiques nominales sont supérieures à celles des moteurs moyens diffèrent en fonction du facteur de service (SF). Le Tableau 2 répertorie la montée de température pour les moteurs ayant un facteur de service de 1,0 ; Le Tableau 3 s’applique aux moteurs ayant un facteur de service de 1,15 SF.
Méthode de calcul de la montée de température par la résistance
La méthode de la résistance est utile pour déterminer la montée de température des moteurs non équipés de détecteurs embarqués, p. ex. les thermocouples ou les détecteurs de température à résistance (RTD). Notez que les limites de montée de la température pour les moteurs moyens du Tableau 1 sont basés sur la résistance. La montée de température des gros moteurs peut se mesurer par la méthode de résistance ou par des détecteurs embarqués dans les bobinages comme l’illustre le Tableau 3.
Pour trouver la montée de température à l’aide de la méthode de résistance, mesurez d’abord et notez la résistance entre les fils de sortie des fils de ligne lorsque le moteur est à « froid », c.-à.-d. à température ambiante. Afin de garantir la précision, utilisez un milliohmmètre pour les valeurs de résistance de moins de 5 ohms et assurez-vous de noter la température ambiante. Faites fonctionner le moteur à la charge nominale jusqu’à ce que la température se stabilise (jusqu’à 8 heures si possible), puis mettez-le hors tension. Après le verrouillage sécurisé du moteur, mesurez la résistance « chaude » entre les fils de sortie tel que décrit ci-dessus.
Trouvez la température chaude en insérant les mesures de résistance froide et chaude dans l’équation 1. Puis soustrayez la température ambiante de la température chaude pour obtenir la montée de température.
Exemple : Pour calculer la température du bobinage chaud d’un moteur moyen abrité et non encapsulé, avec un bobinage de classe F, un facteur de service d’1,0, une résistance entre les fils de sortie de 1,21 ohms à une température ambiante de 20 C et une résistance à chaud de 1,71 ohms, procédez de la manière suivante :
La montée de température est égale à la température du bobinage chaud moins la température ambiante ou dans ce cas :
Montée de la température = 125 C - 20 C = 105 C
Comme l’illustre le Tableau 1, la montée de température calculée de 105 C dans cet exemple est égale à la limite pour un système d’isolation de Classe F (105 C). Bien que cela soit acceptable, il est important de noter que toute augmentation de charge entraînerait une montée de température supérieure à la nominale et nuirait gravement au système d’isolation du moteur. Bien plus, si la température ambiante au niveau de l’installation du moteur devait monter au-dessus de 20 C, la charge du moteur devrait réduire pour éviter de dépasser la capacité totale de température de la machine (enroulement chaud).
Déterminer la montée de température à l’aide des détecteurs
Les moteurs équipés de détecteurs de température embarqués dans les bobinages sont généralement surveillés directement à l’aide d’instruments appropriés. En principe, le centre de contrôle des moteurs dispose de panneaux à mesure qui indiquent la température du bobinage chaud sur le capteur. Si les panneaux à mesure lisent 125 C comme dans l’exemple susmentionné, les mêmes préoccupations relatives à la température générale s’appliqueraient.
Et si vous voulez déterminer la température de fonctionnement du bobinage d’un moteur qui n’est pas équipé de détecteurs embarqués? Pour les moteurs d’une capacité nominale de 600 V ou moins, il est possible d’ouvrir la boîte à bornes (en respectant toutes les règles de sécurité applicables) lorsque le moteur est hors tension et d’accéder au diamètre extérieur des feuilletages en fer du noyau du stator à l’aide d’un thermocouple (voir la figure 2). La température du feuilletage du stator ne sera pas la même que celle du bobinage, mais elle en sera plus proche que la température d’une autre pièce immédiatement accessible du moteur.
Si la température du feuilletage du stator moins la température ambiante dépasse la montée de température nominale, il est raisonnable de supposer que le bobinage fonctionne également au-dessus de sa température nominale. Par exemple, si la température du noyau du stator dans l’exemple susmentionné était de 132 C, la montée de température du stator serait de (132 C - 20 C), ou 112 C. cette mesure dépasse considérablement la limite NEMA qui est de 105 C pour le bobinage, dont on peut s’attendre à ce qu’il soit plus chaud que les feuilletages.
La limite critique pour le bobinage est la température générale ou chaude. Encore une fois, il s’agit là de la somme de la température ambiante plus la montée de température. La charge détermine largement la montée de température vu que le courant du bobinage augmente avec la charge. Un grand pourcentage des pertes du moteur et du chauffage (en principe 35% à 40%) est dû aux pertes I2R du bobinage. Le « I » de I2R est le courant du bobinage (amp) et le « R » est la résistance du bobinage (ohms). Par conséquent, les pertes du bobinage augmentent à un rythme qui varie au carré du courant du bobinage.
Réglage de la température ambiante
Un autre facteur à prendre en considération dans certaines applications de moteur est la température ambiante. Si elle dépasse la limite normale de NEMA qui est de 40 C, vous devez réduire la valeur nominale du moteur pour maintenir sa température totale dans les limites de la température générale ou du bobinage chaud. À cet effet, réduisez la limite de la montée de température en ôtant la valeur de dépassement de la température ambiante, qui est de 40 C.
Par exemple, si la température ambiante est de 48 C et la limite de montée de température du Tableau 1 est de 105 C, réduisez la limite de montée de la température de 8 C (différence de température ambiante de 48 à 40 C) à 97 C. Cela limite la température totale à la même valeur dans les deux cas : 105 C plus 40 C est égal à 145 C, de même que 97 C plus 48 C.
Quelque soit la méthode utilisée pour détecter la température du bobinage, la température totale ou du point chaud est la limite réelle et la valeur la plus basse est la meilleure. Chaque augmentation de la température de fonctionnement de 10 C réduit la durée de vie du moteur d’environ la moitié, vérifiez donc régulièrement vos moteurs sous charge. Ne laissez pas la chaleur excessive tuer vos moteurs avant le temps.
Thomas Bishop est un spécialiste de l’assistance technique à Electrical Apparatus Service Association (EASA), St. Louis, Mo.