LEESON IRIS™ - Système d'isolation pour variateur de fréquence

Les moteurs électriques industriels sont notés, en règle générale, pour être des produits de qualité qui fournissent une longue période d’opération sans problème. Cette affirmation est d’autant plus vraie aujourd'hui qu’elle ne l’a jamais été. La différence est qu’aujourd'hui de plus en plus de moteur à induction C.A. sont employé dans des application ou un variateur de fréquence est utilisé afin de varier la vitesse de celui-ci et cela engendre des inquiétudes concernant un danger potentielle au niveau des enroulements du moteur. Le danger est les pointes de tension subites induites par les contrôles à modulation par impulsion de largeur (PWM), ou variateur de fréquence qui utilisent tout deux une sortie de puissance transistorisé  IGBT. Cette inquiétude grandissante est principalement axée sur l'isolation du moteur, parfois l'isolation même du fil de bobinage émaillé ainsi que le système d’isolation entier.

L'approche de LEESON, avec IRIS™ (système d’isolation propre à LEESON) est clairement de se concentrer sur le système entier, principalement sur le produit principale qui est le moteur - du concept initial du département de l’ingénierie à  l'étape finale de fabrication et même plus. Ceci inclut les essais intensifs de toutes les composantes, séparément et en collaboration avec les fabricants de ces composantes. En plus, tous les stators sont vérifiés pour assurer la qualité de leurs fabrication, et les essais sur leur durés de vie sont faite afin de servir de guide pour le développement futur.

Le but de cet article est de vous expliquez les éléments du système d’approche de LEESON. L'information et définitions additionnelles des principaux termes utiliser son inclus dans l'annexe à la fin de l'article.

Élément No. 1 d'IRIS™ - fil résistant aux pointe de tension (fil émaillé)

Est l’un des sujets les plus discuté de nos jour, cependant nous verrons que ce n’est qu’une partie du succès du système IRIS™. La différence entre le fil normal et le fil de type résistant aux pointes de tension est la surface ou la couche qui enduit le fil de cuivre. En ajoutant différents matériaux organiques et inorganiques au produit qui enduit le fil, celle-ci peut être conçu pour résister à la rupture de l’effet couronne  (détérioration due à l'ozone, au produit de la décharge de l’effet couronne). Les diagrammes suivant expliquent tout. La force diélectrique et la tension auxquelles l’effet couronne débute pour la plupart des fils employé dans de petit moteur ou de taille moyenne est semblables. En augmentant l'épaisseur de l'enduit et en ajoutant plusieurs couches on augmente la force diélectrique et par le fait même l'épaisseur du fil. MAIS, la vie du fil quand la tension excède la création d’effet couronne est tout à fait différente. Les essais démontrent que les enduits faits spécialement pour résister à cette rupture dure beaucoup plus longtemps que le simple fait de rajouter plusieurs couches d’enduit au fil standard. Ceci nous mène donc à penser que la solution unique de créer un moteur résistant au pointe de tension serait de changer le fil. La vérité est que ce n’est pas si simple. Voici quelques facteurs qui compliques la situation:

MESURE DE TENSION À L'INTÉRIEUR DU MOTEUR. Tandis que les contrôles ont des tensions plus élevées, de 400 à 600 volts, ces tensions peuvent causer des pointes de tension élevé aux bornes du moteur, l’amplitude et le nombre de ces pointes transitoires dépende du variateur de fréquence et de son application. Toutefois, la tension que le fil émaillé perçoit et non pas la tension appliquée aux bornes est d’une importance critique. Des essais sont habituellement faits en appliquant une tension élevée à deux fils qui sont tordu sur eux même. Dans la conception d’un moteur cette situation ne devrait jamais se produire dans l’enroulement de celui-ci. Les tensions sur les bornes du moteur se divisent parmi plusieurs enroulements de fil à l'intérieur du moteur, qui se divisent alors (bien qu'inégalement) parmi plusieurs tours dans chaque enroulement. Le but dans la conception du moteur est de s'assurer que la tension entre deux fils quelconques est en dessous des niveaux sécuritaires tout en considérant leur isolation.

FIL DIFFÉRENT DE DIFFÉRENTS MANUFACTURIERS. Non seulement le fil est différent, mais les manufacturiers présentent de nouvelles versions ou de nouvelles générations de fil. Pour compliquer les choses, il n'y a aucune norme établie pour les essais, les évaluations ou même l’isolation du fil pour l'usage sur des variateurs de fréquence. LEESON travail étroitement avec des manufacturiers de fil en développant des produits de nouvelle génération afin de s’assurer qu'ils fonctionnent bien avec d'autres matériaux et procédés de fabrication. LEESON réalise également ses propres essais afin de vérifier les données des manufacturiers de fil.

ÉCHECS DE PREMIER TOUR. Il y a beaucoup de discussion au sujet de distribution inégale de tension aux enroulements de tour à tour, ou le premier tour ou échec du moteur lorsque alimenté avec un variateur de fréquence. Les essais ainsi que  l'expérience de LEESON on démontrée que cette situation n’est pas problématique lorsqu’il s’agit de petit moteur ou de taille moyenne, mais dans quelques occasion quelque chose peut arriver mais dans la majorité des cas rien ne se passe. Même les échecs de moteur qui sont perçu originalement comme étant un échec de tour à tour, après une analyse plus approfondit qui est effectué, on trouve souvent une autre cause qui est à l’origine de l’échec du moteur. Sur les moteurs à haute puissance cette situation est problématique. Ici, presque tous les manufacturiers de moteur ont une façon de traiter ce problème.

POURQUOI CERTAINS MANUFACTURIERS INDIQUES T-IL DES AMÉLIORATIONS MAJEURES AVEC LES NOUVEAUX TYPES DE FIL ? Comme le démontre les graphiques précédents, l'avantage du « nouveau » fil est dans les situations où le fil est soumis aux pointes de tension élevées du variateur de fréquence. Un système d'isolation, conçu correctement, réduit au minimum l'exposition du fil à cette haute tension. Le fil conçu pour usage avec un variateur de fréquence devrait prolonger la vie du moteur lorsque utilisé avec un contrôle dans un système d'entraînement. Il devrait également fournir une marge de sécurité. Cependant, il ne devrait pas être considéré comme étant la seule source de protection contre les pointes de tension éventuelles. En fait, si le changement du fil à lui seul améliore significativement la durée de vie du moteur, ce pourrait être une indication qu'un problème plus sérieux réside dans la conception et les méthodes de fabrication de celui-ci.

Élément No. 2 d'IRIS™ - insertion du fil dans le noyau du stator

Les techniques et procédés utilisés dans l’insertion et le bobinage du fil dans le noyau du stator ont plus d’importance que le type d’enduit utilisé sur le fil. L'enduit ne peut être efficace s'il est grafigné ou entaillé. Une attention particulière doit être prêtée non seulement à l'équipement et aux procédés utilisés à la fabrication de moteur électrique mais également les différences à considéré en développant de nouveaux enduits de fil. Un équilibre doit être réalisé en considérant la résistance d’effet couronne, la flexibilité, et la résistance aux éraflures.

MÉTHODES D'ENROULEMENT. Puisque la tension est divisée parmi les tours du fil, il est important que l'enroulement soit ordonné et ne pas avoir des fils croiser aléatoirement au-dessus de l'un l'autre. Il y a plusieurs façons d'accomplir ceci en utilisant divers types machine à bobiner, machine d’insertion d’enroulement et même des procédés à la main. La différence ici est la position du fil versus les dommages causés au fil. LEESON eu utilise des machines à bobinés et à insertions automatiques fabriquées selon nos spécifications pour la production de nos petits moteurs. Les moteurs de puissance plus élevée sont bobinés à la main ou à la machine selon leur conception. Dans chaque cas, un soin particulier est pris afin d’assurer la meilleure qualité. Une formation spéciale est donnée pour tout les employés impliqués dans la production de moteur pour variateur de fréquence.

Certains utilise les avantages des machines à bobinée directement dans « la fente ». Dans cette méthode d'enroulement, le fil passe au travers des « aiguilles » qui alimente directement le fil dans la fente étroite du stator. Le fil doit toutefois parcourir dans les deux sens la longueur du stator et autour des doigts sur chaque extrémité pour chaque tour. On pourrait comparer ceci à un fil qui se déroule d’une bobine pour ensuite s’enrouler sur une forme et par la suite s’insérer l’enroulement fini dans la fente directement. Il y a définitivement des avantages. L'une des avantage est que l’enroulement directement dans la fente offre la possibilité (en théorie) de «positionner automatiquement» ou étendre le fil dans la fente par couches, tout en gardant le début et la fin de l'enroulement aussi loin d’un de l’autre que possible. En pratique, parce que le fil est libre pour se déplacer, les enroulements ne seront pas parfaits. Et, comme nous l’avons mentionnés auparavant, le but premier est d’obtenir un enroulement ordonné peut importe la méthode utilisé.

Le point est, qu’il n’y a là aucune «meilleure façon » claire d'enrouler des stators dans une production journalière. S'il y en avait une, tous l'emploieraient. La clef du succès est de choisir une méthode prouvée, de concevoir avec elle, et de la perfectionner. Les résultats parleront pour eux-mêmes.

MATÉRIAUX D'ISOLATION. Le meilleur bobineur ne peut compenser pour les noyaux de stator ou l'isolation de fente qui son mal assemblés et non approprié à l'application. LEESON emploie une variété de matériaux d'isolation de qualité (les films de polyester et isolation stratifié tel que le DMD et le NMN) spécifiquement conçus en fonction du procédé de fabrication et de la classe d'isolation.

Élément No. 3 d'IRIS™ - isolez tous les endroits critiques

GAINE. Il est critique que des fils de bobine soient convenablement gainés selon leur endroit et la tension aux quels ils seront exposés. Ces fils de bobine peuvent devoir fonctionner au travers des enroulements de d'autres phases avec des différences de tension plus élevée. Se fier seulement à l'enduit du fil est une erreur. Afin de protéger adéquatement ces fils, il est nécessaire à la gaine du fil de commencer à partir de la fente du stator jusqu’à la connections.

ISOLATION DE PHASE. L'isolation de phase peut être la partie la plus difficile du procédé entier de l'enroulement du stator et est d’une importance critique. C'est la seule composante d'isolation spécifiquement conçue pour séparer les enroulements et les fils de différentes phases (où les différences de tension les plus élevées sont présentes). Dans le passé c'est la section où les manufacturiers coupaient les coins ronds. Des matériaux d’isolations plus minces (ou sans aucune isolation) ou une  isolation de phase mal placée peuvent passer inaperçu sur des moteurs à basse tension ou d’usage résidentielle. Mais aujourd'hui, plus de moteurs sont utilisés avec des variateurs de fréquence. Tandis que quelques manufacturiers rajoutaient tout simplement de l'isolation entre les phases dans les moteurs qui n’en avaient pas, LEESON eu était à rechercher des façons d’améliorés l’isolation de phase déjà en place.

ISOLATION DE RACCORDEMENT. Il y a plusieurs façons de faire et isoler les connections entre les terminaux du moteur et le bobinage du stator ou les enroulements. LEESON met en application et continu d’être à la recherche de novelles méthodes pour améliorées le procédé. Mais pour l’instant, les raccordements continuent d’être gainés ou attachés avec du ruban adhésif afin de mieux protéger les connections, fournissant un niveau élevé de protection contre les  forces électrique et mécanique. L’exposition des connections au travers de l’isolation de raccordement est une des raisons principale d’échec de fonctionnement du moteur avec un variateur de fréquence, mais cette situation n’est pas de mise avec les moteurs LEESON.

Élément No. 4 d'IRIS™ - Contrôle du vernis

Le vernis doit pénétrer dans les fentes et entre les fils afin d’être efficaces. Dans le cas des moteurs pour variateur de fréquences, le vernis remplace l'air entre et entourant les fils. Ceci minimise la quantité d'air capable d'ioniser ou devenir ozone, et maintient l'air le plus loin que possible du fil. Un vernis d’apparence plus épais sur l'extérieur de l'enroulement ne signifie pas nécessairement qu'il a pénétré dans l'enroulement. Il est également nécessaire de choisir le bon vernis pour le type de fil utilisé. Des vérifications on démontrées que certains vernis réduisent même la durée de vie des fils pour usage avec variateur de fréquence, ou n’améliore aucunement la durée de vie autant que d'autres vernis, bien qu'ils soient compatibles chimiquement.

La conclusion est que IRIS™ représente un système d'isolation fait de composantes de classe F et de classe H de qualité conçus pour travailler ensemble et mis en application correctement. C'est un système qui est conçu pour les variateurs de fréquence et plus encore.

ANNEXE

Définitions utiles

Contrôle : Le variateur de fréquence ou convertisseur est un dispositif électronique qui convertit l’alimentation d’entrée C.C. ou C.A. en une tension ou un courant C.A. contrôlé (comme défini dans les normes NEMA et IEEE).

Corona : Une décharge lumineuse produite dans l’entourage d'un conducteur, sans toutefois le surchauffer, causé par l'ionisation de l’air entourant le conducteur provoqué par une hausse de tension dépassant une certaine valeur critique.

Création de tension corona : La valeur la plus basse ou le début à laquelle la tension corona se produit en continue.

Réducteur : L'équipement utilisé pour convertir la puissance électrique en puissance mécanique appropriée au fonctionnement d'une machine. C’est une combinaison de  contrôle de puissance, de moteur et tout autre équipement installé sur le moteur (tel que défini dans les normes NEMA et IEEE).

dV/dt : C’est tout simplement le (changement) de la tension Delta qui est divisé par le (changement) du temps Delta. C'est la pente ou le rendement de la tension sur le temps d’une impulsion de tension ou une forme d'onde. Il est normalement mesuré en volts par micro seconde (V/µs). Une contrôleur IGBT moderne aura une valeur de 6000 à 9000 V/µs.

IGBT (transistor bipolaire d'isolement)  : Une composante de puissance utilisés dans les contrôles PWM moderne ou variateur de fréquence.

Nanoseconde (NS) : Un milliardième de seconde.

Ozone : Un gaz sans couleur, avec une odeur apparente. Une forme d’oxygène, d'O³. (Ce gaz réagit avec certaines matières organiques.)

Tension maximale : La valeur de pointe instantanée maximale, Habituellement la valeur de tension maximale.

PWM (largeur d'impulsion modulée) : Une méthode de contrôle qui varie la largeur d'impulsion pour produire une forme d'onde désirée.

Temps de montée : L'intervalle de temps entre l’instant ou la valeur atteint une limite inférieure et supérieure indiquée. Celle-ci peut être de 10% à 90% (normalement) de la valeur maximale, ou de la valeur équilibrée. Les deux définitions sont employées, ce qui porte à confusion. NEMA emploie la valeur équilibrée. Des valeurs de 70-100 NS (nanosecondes) sont communes pour les contrôles IGBT modernes ; sur des systèmes plus anciens des valeurs de 200-300 NS sont plus fréquent.

Pointe de tension : Une déformation (habituellement reconnu pour être de haute  tension) dans une impulsion de tension qui est de courte durée superposée à une forme d'onde régulière ou désirée.

Explication de la physique du raccordement d’un moteur utilisé avec un variateur de fréquence

La version simple du fonctionnement d’un variateur de fréquence C.A. PWM est comme suit. Électroniquement le contrôle prend la tension d’entrée et la modifie (ou la rectifie) de C.A. en tension C.C.. Puis, à l'aide de composantes de puissance tels que les transistors ou les thyristors, le contrôle produit une série d’impulsions afin de  « simulez » une tension et une fréquence désirées. La figure à la droite indique une sinusoïdale généré par une tension C.A. qui est superposée au signal de sortie d’un variateur de fréquence, ou une tension C.A. « simulé ». Le nombre et la largeur d'impulsions varie ou est modulé (par le contrôle PWM) de sorte que si vous faites la moyenne (calcul RMS) des impulsions, vous obtiendriez la même valeur que le signal sinusoïdale. Il est à noter que les impulsions sont de la même hauteur. Cette situation est correcte car la tension C.C. que le contrôle génère pour faire ces impulsions est presque toujours constant, ceci est vrai seulement si le courant alternatif à l’entré du variateur est une valeur constante.

Maintenant regardez la figure de droite, vous voyez une lecture prise sur un oscilloscope qui indique les impulsions d'un variateur de fréquence. Les impulsions du bas sont celles qui sont générées par le variateur de fréquence. Elles sont de formes carrées. Les impulsions du dessus sont toutefois très différentes. Elles indiquent à quoi elles peuvent ressembler au raccordement du moteur. Le dépassement, ou les hautes tensions transitoires se produisant au branchement du moteur sont la source principale d'ennui pour les systèmes d'isolation.

La cause de cette situation peut être expliquée de plusieurs façons. Il peut être considéré comme réponse électrique du « circuit » comprenant l'inductance, la résistance et la valeur capacitive du moteur et du câble à l'impulsion. Où nous pourrions même considérer que ces une interaction des impulsions provenant du moteur à celles qui proviennent du variateur de fréquence. D'une façon ou d’une autre, le résultat est une tension de pointe maximale approximativement deux fois  (parfois même plus élevé) que l'impulsion généré par le variateur de fréquence au départ, avec l'ajout de la haute fréquence qui elle aussi entre en jeu.