Le sujet chaud concernant la température du moteur
par Chris Medinger, LEESON Electric Corporation

L'ennemi principale du système d'isolation du moteur électrique est la chaleur, nous voulons donc nous assurer que le moteur opère dans ces limites afin d’assurer une durée de vie prolongée de son bobinage. Le simple touché de la surface de celui-ci est pour le moins inutile et non efficace.

Qu’est-ce qu’un parent fait lors ce que son enfant lui dit, «maman, papa, je pense que je suis malade» ? Notre premier réflexe naturel est de lui touché le front. C'est une première étape logique---ont poursuit alors à une méthode de mesure plus précises que le contact humain avant de faire un diagnostic final.

Peut-être que ce réflexe naturel est une façon pour l’être humain de porter un jugement hâtif même quand il s’agit d’un moteur induction C.A. en tentant de lui toucher le front. Voici une histoire tirée de nos archives chez LEESON qui souligne les effets négatifs de porter un diagnostic de moteur basés sur la sensation seulement.

Un utilisateur de moteur a demandé conseil car il avait à installer un moteur électrique dans une partie de son usine ou il y avait un taux d’humidité élevé et il voulait avoir un moteur qui pourrait lui donner une durée de vie maximale. Nous lui avons recommandé un moteur de type washdown (à l’épreuve de l’eau), qui est conçu pour résister non seulement à l'humidité, mais également à un arrosage direct avec un jet d’eau comme dans le secteur de transformation alimentaire. Même ci son application n’était pas dans la transformation alimentaire et qu’il n’aurait aucun besoin d’arroser celui-ci, il a quand même décidé d’utiliser ce type de moteur. Donc il a installé un moteurs de type washdown, qui à également comme caractéristique une finition extérieure époxyde blanche.

Après quelques jours ce même client nous a contacté pour nous dire que le moteur washdown fonctionnait bien et ne démontrait aucun problème apparent au niveau de sa performance mais selon lui le moteur semblait être excessivement chaud. La raison principale de son inquiétude était que la surface blanche du moteur se décolorait. Après vérification, nous avons constaté que les personnes d'entretiens touchaient à la surface du moteur avec leur main seule, laissant de la saleté, de l’huile et de la graisse accumuler durant leur journée de travail sur la surface blanche du moteur. Ce problème «de moteur chaud» fut résolu avec l’usage d’un nettoyeur et un chiffon. La vérification de l’ampérage du moteur qui est sans doute une meilleure façon de vérifier le bon fonctionnement d’un moteur électrique a déterminé que celui-ci fonctionnait correctement.

Vous ne pouvez pas diagnostiquer par le contact seul

Le simple touché de la surface d’un moteur ne peut apporté un diagnostique précis de l’état du moteur. Les spécifications de température s'appliquent au point le plus chaud dans les enroulements du moteur et non pas combien chaleur est dissipé à la surface du moteur. Le transfert thermique changera considérablement d’un moteur à l’autre, elle est basé sur la taille et la masse du bâti, si le bâti est lisse ou à nervures, si il est ouvert ou fermé et d’autres facteurs de refroidissement. Même l'efficacité du moteur peut avoir peu d'effet sur la température de surface. Par exemple, un moteur haute performance, bien que ça température interne soit plus basse due principalement à une perte moindre, peut ne pas avoir une température externe plus basse également car le ventilateur externe est souvent plus petit que normal afin de réduire le plus de perte dans les enroulements. En plus la surface externe du moteur a de différents points chaud et froid qui sont déterminés selon la circulation interne de l’air dans le moteur.

À moins que vous ayez des lectures de laboratoire qui indique la température de repère en marche à un point précis sur la surface du moteur, la température externe nous indique peut sur ce qui se passe véritablement à l’intérieur de celui-ci.

Un autre point : pour votre sécurité, personne ne devraient toucher à la surface d’un moteur électriques en opération à moins que celui-ci soit conçue de façon à avoir des températures de surface sûres. Des moteurs conçus pour des affûteuses, des scies manuel et autres outils ont des surfaces qui sont touchables sans risque de brûlure. Les standards établis par Underwritters Laboratory UL pour ces types d’applications, ont déterminés les températures de surface acceptables maximal pour le métal «surface sujet au contact occasionnel» est de 70° C (158° F) après 30 minutes d'opération à une température ambiante de 25° C (77° F). Cependant, même à cette température, vous ne pouvez pas toucher la surface pour une longue période de temps.

La température de surface en mode continu sans interruption d’un moteur industriel sera facilement de 80° C (176° F) et peut même atteindre 100° C (212° F). Vous ne pouvez pas garder votre main sur une telle surface et détecter des différences de fluctuation de température sans que vous ne subissiez de graves brûlures.

Il n'y a aucune norme éditée concernant les températures de surface des moteurs, bien que UL fixe de telles normes pour les moteurs anti-déflagrants. En outre les fabricants de machines indiquent parfois des températures de surface maximale exceptionnellement basses pour certaines applications. Votre manufacturier de moteur peut vous conseillez face aux différents détails.

Même si le touché de la surface d'un moteur n'est pas une méthode de détection précise de la température et du bon fonctionnement de celui-ci, il n’en demeure pas moins que la température de l'enroulement du moteur est importante. La raison, naturellement, est l'intégrité du système d'isolation du stator du moteur. Sa fonction première est de séparer les composantes électriques entre elles mêmes, empêchant les courts-circuits et, de ce fait, les enroulements brûlés et défaillance de ce même moteur. Dans des la plupart des moteurs NEMA, la composante principale d'isolation est la couche protectrice du fil aimanté, qui isole les fils entre eux dans un enroulement, les fentes et isole également les phases. Des feuilles en général de haute résistance fait de polyester sont installées dans des fentes du stator pour assurer la protection de la phase à la mise à terre; également un vernis isolant dans lequel le stator est plongé pour fournir une résistance à l'humidité et une isolation supérieur.

La plupart des personnes qui travaillent avec des moteurs ont entendu que le principe de base commun qu'une élévation de 10° C coupe la durée de vie de l'isolation de moitié et une diminution de 10° C double la durée de vie de l'isolation. Ce principe de base ne signifie pas que vous pouvez opérer un moteur à des températures basses afin de maintenir un moteur plus frais et qu’il durera pour toujours, parce qu'il y a plus à un moteur que juste ses enroulements. En autre, l'isolation peut avoir d'autres ennemis tels que l'humidité, la vibration, les produits chimiques et substances abrasives dans l’atmosphère qui peuvent écourté sa duré de vie.

Le point le plus important ici est la température à laquelle les bobinages du moteur ont été conçus, car ils doivent en principe durés pour une période de vie de 20.000 heures ou plus. L'Association Nationale de Fabricants de Matériel Électrique (NEMA) fixe des normes spécifiques de température pour les différents types de boîtiers de moteur à différent service facteur. Ces normes sont basées sur des classes d'isolation thermique différentes---les plus communes sont A, B, F et H. Le tableau qui suit indique les normes à laquelle le bobinage du moteur peut atteindre en température maximale et maintenir une durée de vie normale pour l’isolation. Ces valeurs indique la température totale, basées sur une température ambiante maximale de 40° C (104° F), plus la chaleur produite par l’opération du moteur (élévation de la température). Une température ambiante plus élevé que 40° C peut exiger des considérations spéciales d'application ou une conception spéciale du moteur.

Les températures indiquées ci-dessous sont pour des moteurs ayant un service facteur de 1.0. Beaucoup de moteurs industriels ont des service facteurs de 1.15 ou plus qui indique une tolérance de surcharge plus élevée et qui signifie qu’il pourrait fonctionner à des températures plus élevées. Mais pourquoi en profiter? Employer ces valeurs et vous ne vous tromperez pas.

De nos jours les classes d'isolation B et F sont les plus communes dans l’usage de moteur industriel. En général les moteurs inférieurs à 5 HP ont une classe d’isolation B. De 5 à 10 HP les classes d’isolation sont en majorité F. Cette classe d’isolation est également associée aux moteurs qui sont de haute performance et les moteurs utilisés avec un variateur de fréquence. En général les moteur de 10 HP et plus sont de classe F. La majorité des manufacturiers de moteur électrique conçoivent leurs moteurs afin que les températures d’opérations demeurent sous les températures de leur classe d’isolation. Par exemple, un moteur pourrait avoir une classe d'isolation F mais avoir une élévation de température de la classe B. Ceci donne une marge thermique supplémentaire. Les classes d'isolations H sont rarement utilisés dans les moteurs d’usages générales, mais plutôt dans des applications spéciales ou de lourde charge sont à déplacer, ou des températures ambiantes sont élevées et ou en altitude élevé. L'isolation de classe A n'est pas employée sur les moteurs industriels de nos jours mais ont la retrouve plus souvent dans les moteurs qui sont destinés aux appareils ménager.

L'isolation classe A était, cependant, standard sur les moteurs industriels construits avant les années 60 ---on les retrouvaient sur les anciens bâti NEMA-U contrairement aux bâti NEMA-T utilisés de nos jours. Puisque l'isolation de la classe A a une valeur de température basse, les anciens moteurs avaient des températures d’opération de loin inférieurs aux classes d’isolations B et F utilisées aujourd’hui.  Ceci explique en raison pourquoi les utilisateurs de moteur de longue date perçoivent les moteurs courrant comme opérant chaud. En fait, la comparaison se fait en rapport avec les anciens moteurs NEMA-U, mais la comparaison d’isolation est de loin supérieure de nos jours que la fiabilité et la longévité des nouveaux moteurs est égales ou supérieurs aux anciens moteurs. Les anciens moteurs avaient pour avantages d’avoir une température d’opération plus fraîche mais leur bâti était plus gros et en retour utilisait beaucoup plus de matériel pour leur fabrication. De meilleur classe d'isolation ont permis à des manufacturiers de moteur de mettre plus de puissances en chevaux dans de plus petit bâti pour une rentabilité maximale.

Si vous avez fait l’achat d’un moteur d'un manufacturier de bonne réputation, correctement sélectionné, appliqué et installé et qui fonctionne dans les conditions pour lesquelles il a été construit, vous avez peut de raison à vous inquiétez de la surchauffe  de celui-ci. Cependant, des changements de l'environnement, vieillissement de l'équipement, abus et d'autres facteurs peuvent soumettre le moteur à des conditions pour lesquels il n’a pas été conçu.

Des moteurs munis de protections ---tel que thermostats, thermocouples, ou dispositifs à résistance sensible à la température (RTDs)-- ou l’installation de dispositif de protection dans le contrôle du moteur électrique peuvent contribuer à mettre hors circuit le moteur avant que le bobinage soit endommagé. Les  protections et les thermostats sont des dispositifs généralement très fiables, si un moteur est mis hors circuit constamment cela indique que celui-ci surchauffe. La protection du moteur est recommandée dans n'importe quelle application. Votre fournisseur de moteur peut vous aider dans votre sélection.

Une bonne méthode de vérification est de mesurer à l’aide d’un ampèremètre le courrant que le moteur utilise durant sont opération. Si le courant est inférieur ou égal à celui indiqué sur la plaque signalétique, vous pouvez alors être assuré que le moteur fonctionnera adéquatement pour l’application déterminé.

Méthode de résistance. Une méthode plus précise pour déterminer la température de l'enroulement est la méthode de résistance. Cette méthode exige un ohm mètre  capable de mesurer une résistance très basse. Pour des moteurs jusqu'à 2 HP l’échelle sélectionné devrait être 0.1 ohm ; de 2 à 20 HP l’échelle sélectionné devrait être 0.01 ohm ; et pour 25 HP et plus l’échelle sélectionné devrait être 0.001 ou mieux encore .000001 ohm.

Le moteur étant débranché de la tension d’entrée, utilisez d'abord le ohm mètre pour déterminer la résistance entre chaque fils sur un moteur au repos. Ensuite brancher le moteur et le faire fonctionner dans des conditions de charge normales jusqu'à ce que la température courante soit stable. Cela peut prendre de 3 à 4 heures et possiblement plus selon la taille du moteur. Débrancher le moteur de la tension d’entrée et aussi rapidement que possible, effectuer la lecture de résistance. Inscrivez alors les lectures de résistance à froid et à chaud dans la formule suivante pour déterminer la température de l’enroulement.

T_t = T_c + (R_h - R_c)/R_c x (T_c + 234.5)
Là où:
T(t)=Température totale de l’enroulement
T(c)=Température du moteur à froid (température ambiante)  
R(h)=Résistance du moteur à chaud
R(c) =Résistance du moteur à froid
234.5 =constante pour les enroulements de cuivre

Dans un environnement de laboratoire, où tel comme les manufacturiers de moteur utilisent, l'essai de résistance est souvent fait en même temps que les essais de corrélation impliquant des thermocouples placés dans les enroulements et aux endroits spécifiques sur la surface du moteur. Cette procédure produit un profil de chaleur en marche pour un modèle de moteur en particulier. C’est seulement en se rapportant à une telle procédure que les données spécifiques peuvent êtres comparée entre les températures de surface et de l’enroulement

Protéger contre la surchauffe

Les manufacturiers de moteur ne sont pas parfaits. Parfois un moteur peut surchauffer en raison d'un défaut de fabrication ou de conception. Mais  plus souvent qu’autrement, les problèmes de surchauffe du moteur sont directement relier à une mauvaise application. La surcharge est la cause principale. Ceci indique l’utilisation d’un moteur trop petit, une situation qui peut devient de plus en plus commune de nos jours car la conservation énergétique met l'emphase afin d’éliminer les moteurs surdimensionnés en opérations. Employez 80% de charge en tant que guide. La plupart des moteurs électriques atteignent leur efficacité maximale à cette charge, et une marge confortable de surcharge est disponible. Voici d'autres causes communes de  surcharge : une charge qui saisis, entraînant une condition de rotor bloqué sur le moteur, la déviation d'alignement d’une transmission et une augmentation de demande en couple pour l’alimentation d’une charge.  

Les conditions environnementales peuvent avoir comme conséquence une surchauffe du moteur car la température ambiante augmente ou une opération à haute  altitudes. Au-dessus de 3.300 pieds, l'air a moins de capacité de refroidissement. Dans ces conditions, il se peut que vous ayez à sélectionner un moteur plus gros pour répondre à votre application. Un autre souci environnemental est la saleté et les fibres, qui peuvent obstruer les ouvertures de ventilation, qui à pour cause d’augmenter la chaleur du boîtier du moteur et peut causer une variété de problèmes mécaniques. S'il y a de la saleté, utilisez un moteur totalement fermé versus un moteur ouvert.

Le problème d'alimentation en tension est une autre cause de surchauffe. L’opération d’un moteur à une tension d’entrée basse aura pour effet d’augmenter le courrant afin de fournir la force (HP) indiqué sur la plaque signalétique et plus le courrant est élevé plus la température à l’enroulement du moteur est élevé. Une diminution de 10% de la tension d’entrée pourrait causer une élévation de la température considérable.

Une tension excessive ou soutenue aura pour effet de saturer le noyau du moteur et causera une surchauffe également. Dans les moteurs triphasés, le déséquilibre des phase peuvent causer des courants élevés et une chaleur excessive, Une perte de tension complète dans une phase si le moteur n,est pas protégé adéquatement aura pour effet de brûler celui-ci.

Une autre cause de surchauffe est le nombre d’arrêt et de départ dans une période donnée. Tout en démarrant, un moteur typique consomme de cinq à six fois le courant nominal indiqué sur la plaque signalétique FLA. Ce courant de départ élevé accélère la surchauffe nettement. La plupart des moteurs ont un cycle d’opération en continu et cela veut dire exactement cela en continu--- fonctionnez sans interruption. Bien que de diverses dispositions soient prises relativement au chargement et temps de repos, NEMA limite essentiellement un moteur triphasé de service en continu à deux départs en succession avant d'accorder suffisamment de temps pour que le moteur puisse se stabiliser à sa température de fonctionnement continue maximal. Dans certaines applications à cycle de démarrage élevé, il est fortement conseiller de vérifier avec le manufacturier du moteur afin de vérifier si ce moteur est fait pour rencontrer vos besoins. La fabrication d’un moteur spécial peut être recommandé.

Finalement, une attention particulière est de mise pour les moteurs qui sont opéré avec un variateur de fréquence, particulièrement si vous branchez un variateur de fréquence à un moteur qui date de plusieurs années. Le variateur de fréquence simule une forme de tension AC qui augmente la chaleur du moteur. Cependant, les progrès technologiques continuent d’améliorer la signal de sortie généré et ressemble de plus en plus à une sinusoïdale de tension C.A. Une considération spéciale est de mise lors ce que l’on utilise un moteur avec un variateur de fréquence à une vitesse d’opération basse (moins de 50% de sa vitesse nominale) pour une longue période de temps, une ventilation forcé serait recommandé dans de telle circonstance.  

Les moteurs pour usage avec variateurs de fréquence ont une isolation plus élevée que les moteurs d’usages multiples afin de compenser les fluctuations de température qu’un variateur de fréquence peut produire. Cependant, dans des cas extrêmes, une source de refroidissement secondaire peut être exigée.

Chris Medinger, National Service Manager, LEESON Electric Corporation