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Pourquoi et comment choisir un variateur de vitesse (partie 2/3)

Dans la première partie de cette série d’articles concernant le choix d’un variateur, j’ai abordé les questions que l’on doit se poser avant la sélection d’un variateur de vitesse (VDV). Dans cette deuxième partie, je vous expose les multiples particularités des moteurs, ainsi que le choix du moteur en fonction de l’application avec VDV et son environnement.

Considérations moteurs électriques

Quelle est la plage d’opération du moteur ainsi que le temps passé à cette vitesse? Cette information est critique afin de déterminer, surtout dans le cas d’une application à couple constante, si nous avons besoin de ventilation forcée ou non, i.e: un ventilateur branché indépendamment de l’arbre du moteur et qui procure une pleine ventilation, peu importe la vitesse du moteur.

Un bon moteur devrait être capable de nous donner la possibilité de varier la vitesse dans une plage de 10 ou 20 à 1 sans ventilation forcée (le Toshiba EQPIII par exemple permet un ratio de 20:1 sans ventilation forcée). La chaleur générée dans le moteur est ainsi directement proportionnelle au facteur I2t (courant au carré x temps passé à ce courant). Elle nous aidera aussi à déterminer si le moteur devra être surdimensionné ou non.

Quelle est la température maximale désirée à l’intérieur du moteur? Un moteur std de bâti NEMA avec une classe d’isolation F peut typiquement opérer à une température maximale de 1550C. Cette température provient de l’addition de l’augmentation de température de 1050C + 400C (ambiant) + 100C (points chauds au rotor). Il est bien entendu, qu’opérer à 1550C est possible, mais cela diminuera grandement la vie utile de l’isolation du moteur.

La plupart des spécifications de la grande industrie demandent une augmentation de température maximale de 800C à pleine charge (B rise) augmentant ainsi la vie du moteur. Certains manufacturiers tels que Toshiba proposent des gammes de moteurs pouvant avoir une augmentation de 800C, mais à une charge de 115% offrant ainsi une fiabilité accrue et une marge additionnelle pour réduire la vitesse en charge aussi. Voir l’exemple ci-dessous pour la gamme EQPIII en rouge versus NEMA.

Système d’isolation du moteur. Parlons-nous ici d’un vieux moteur ou d’un moteur neuf? Parlons-nous de plusieurs moteurs sur le même VDV ou bien de distance de câble excessive entre le moteur et le variateur? Toutes ces questions influencent directement la durée de vie de l’isolation du moteur, le choix potentiel d’un filtre de sortie au VDV donc de votre fiabilité en opération.

Est-ce que l’application requiert un contacteur de contournement? Et si oui, est-ce que le moteur est capable de démarrer la charge avec pleine tension? Cela devient important dans le cas des ventilateurs qui peuvent avoir une inertie importante et des charges qui varient avec la température ambiante.

On pourrait, par exemple, très bien démarrer avec un VDV et avoir des surprises lorsqu’on doit, en situation d’entretien ou d’urgence, redémarrer avec pleine tension. De plus, cela peut avoir des répercussions majeures si on doit démarrer le moteur à répétition. Cela pourrait aussi causer des problèmes dans le cas où un couple de démarrage important est requis et maximisé par le VDV vectoriel, mais pas par un démarrage pleine tension (LRT disponible et plus bas à pleine tension versus BDT maximisé par un VDV vectoriel).

Quelle est la vitesse maximale requise au moteur? La vitesse est souvent limitée en fonction de la charge, de la vitesse maximale des roulements et du balançage du rotor. De plus, lorsqu’on parle de moteurs de gros calibre, la force centrifuge pourrait forcer des barres de rotor ou entrer dans des zones de vitesse critique soit du moteur ou de l’équipement entraîné.

Devrait-on utiliser un moteur avec une vitesse nominale plus basse et faire de la survitesse? Si par exemple une application requérait un couple de démarrage important, il pourrait être plus économique d’utiliser un moteur de 1 200 rpm dans une application de 1 800 rpm. Cela aurait l’avantage d’offrir un couple 50% plus important au démarrage avec le même VDV. Cela pourrait aussi être fait mécaniquement en changeant le ratio des poulies et courroies ou de la boîte d’engrenage.

Quelle est la vitesse critique du moteur? Les moteurs de gros calibre en moyenne tension demandent des connaissances pour le phénomène de la vitesse critique. Les gros moteurs de 3 600 rpm sont souvent conçus avec un arbre flexible et non rigide pour pallier à ce problème potentiel. Cela veut dire que la fréquence de résonance critique se retrouve sous la vitesse nominale (typ. 25% sous le rpm nominal).

Si l’application requiert une opération près de cette vitesse critique, nous devons envisager un changement de conception de moteur ou bien le VDV doit sauter cette fréquence afin de ne pas exciter la fréquence générant des vibrations. Pour les gros HP de 1 800 rpm et moins, le moteur possède souvent un arbre rigide et la vitesse critique est souvent spécifiée à 25% au-dessus de la vitesse nominale du moteur afin d’éviter tout problème potentiel.

Si un nouveau moteur est nécessaire, plusieurs options s’offrent à vous et doivent être évaluées:

  1. Type de boîtier (TEFC, ODP, WPI, WPII, TEAAC, TEWAC, etc…)
  2. Ventilation forcée
  3. Encodeur requis
  4. Filage pour opération avec VDV
  5. Roulements isolés ou non (voir article précédemment publié sur ce sujet)
  6. Brosse de mise à la terre
  7. Frein mécanique
  8. Thermistors
  9. Klixon
  10. RTD sur le bobinage
  11. RTD sur les roulements
  12. Éléments chauffants
  13. Sondes de vibration
  14. Filtre ou non (pour WPII seulement)
  15. Manomètre pour les filtres ou détecteur de différentiel de pression
  16. Arbre spécial
  17. Balançage spécial
  18. Protection des roulements avec joint labyrinthe (IP55)
  19. Peinture spéciale pour environnement sévère
  20. Etc…

Jean-François Allard Ingénieur d’application
pour Toshiba Division Industrielle – Moteurs et Variateurs
(514) 773-9677 jeanfrancois.allard@tic.toshiba.com

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