Comprendre la fréquence électrique dans les moteurs
Fréquence électrique — également appelée fréquence du réseau, fréquence de ligne ou fréquence industrielle — correspond à la fréquence du courant alternatif fourni aux moteurs électriques et autres équipements électriques. Deux normes s’imposent à l’échelle mondiale : 60 Hz en Amérique du Nord, dans certaines régions d’Amérique du Sud et dans certains pays d’Asie, et 50 Hz en Europe, dans la majeure partie de l’Asie, en Afrique et en Australie. Ce chiffre unique détermine la vitesse synchrone de tous les moteurs à courant alternatif raccordés au réseau et génère un ensemble de forces électromagnétiques — et donc Vibrations composantes — à des multiples de la fréquence du réseau.
Dans le moteur analyse des vibrations, la fréquence du réseau et ses harmoniques, en particulier le double de la fréquence du réseau (2×f), constituent des indicateurs de diagnostic essentiels pour détecter les problèmes électromagnétiques, les défauts du stator et les irrégularités de l'entrefer. C'est en les interprétant correctement qu'un analyste peut distinguer un défaut électrique d'un défaut mécanique dans le même spectre.
1. Relation avec la vitesse du moteur
Vitesse synchrone
Pour un moteur à induction à courant alternatif, la vitesse synchrone du champ magnétique tournant est déterminée par la fréquence du réseau et le nombre de pôles :
Nsynchronisation = (120 × f) / P — où Nsynchronisation est la vitesse synchrone en tr/min, f est la fréquence électrique en Hz et P est le nombre de pôles.
The actual vitesse de fonctionnement ne parvient jamais tout à fait à atteindre la vitesse synchrone, car le rotor à induction doit glisser pour développer un couple.
Vitesses courantes des moteurs
On a 60 Hz Les vitesses synchrones sont de 3 600 tr/min pour un moteur à 2 pôles (environ 3 550 tr/min en service), de 1 800 tr/min pour un moteur à 4 pôles (environ 1 750 tr/min), de 1 200 tr/min pour un moteur à 6 pôles (environ 1 170 tr/min) et de 900 tr/min pour un moteur à 8 pôles (environ 875 tr/min). Sur un 50 Hz avec le même nombre de pôles, on obtient 3 000 tr/min (environ 2 950 tr/min en réalité), 1 500 tr/min (environ 1 450), 1 000 tr/min (environ 970) et 750 tr/min (environ 730). Les Calculateur de glissement du moteur et de régime réel convertit directement les données indiquées sur la plaque signalétique et la vitesse mesurée en ces chiffres.
Fréquence de glissement
La différence entre la vitesse synchrone et la vitesse réelle définit le fréquence de glissement:
fs = (Nsynchronisation − Nréel) / 60
- Le glissement typique est compris entre 1 et 5 % de la vitesse synchrone.
- La fréquence de glissement qui en résulte n'est généralement que de 1 à 3 Hz.
- Cela dépend de la charge : le glissement augmente à mesure que le moteur est sollicité davantage.
- C'est un élément essentiel pour diagnostiquer les défauts électriques du rotor, car les défauts sur les barres du rotor modulent les vibrations à la fréquence de passage de pôle, qui correspond au glissement multiplié par le nombre de pôles.
2. Composants de vibration électromagnétique
Deux fois la fréquence du réseau (la composante dominante)
La composante électromagnétique la plus importante se situe à 2×f — soit 120 Hz sur un réseau de 60 Hz, et 100 Hz sur un réseau de 50 Hz. Elle résulte du fait que l'attraction magnétique entre le stator et le rotor oscille deux fois par cycle électrique. Une faible amplitude est normale dans tout moteur à courant alternatif ; sa simple présence ne constitue donc pas un défaut. En revanche, une valeur 2×f élevée et en augmentation indique problèmes de stator, an uneven intervalle d'air, ou un déséquilibre magnétique.
Fréquence du réseau (1×f)
Une composante à la fréquence du réseau elle-même — 50 ou 60 Hz — présente généralement une amplitude inférieure à celle de 2×f. Elle peut révéler un déséquilibre de la tension d'alimentation et s'accompagner de défauts au niveau des enroulements du stator.
Harmoniques supérieures
Les composantes à 4×f, 6×f et au-delà (240 Hz, 360 Hz sur un système à 60 Hz) sont généralement faibles dans un moteur en bon état. Lorsqu'elles augmentent, cela peut indiquer des problèmes au niveau des enroulements ou des lamelles du noyau.
3. Importance diagnostique
Amplitude normale de 2×f
Dans un moteur acoustique, la composante 2×f est généralement inférieure à environ 10 % de la composante 1× vitesse de déplacement reste relativement constant dans le temps et se manifeste dans toutes les directions, bien qu'il soit souvent plus intense dans le sens radial. C'est en établissant ce niveau normal qu'une hausse ultérieure prend tout son sens.
La valeur élevée de 2×f et ce qu'elle signifie
- Problèmes liés aux enroulements du stator : Les courts-circuits entre spires ou les déséquilibres de phase font grimper la fréquence à 2×f au fil du temps, ce qui s'accompagne souvent d'une élévation de température et d'un déséquilibre de courant mesurable entre les phases.
- Excentricité de l'entrefer : un écart irrégulier par rapport au rotor excentricité ou usure des roulements crée un déséquilibre attraction magnétique, en élevant 2×f et le fréquences de passage des pôles ensemble — un mélange d'effets mécaniques et électromagnétiques.
- Pieds mous ou résonance du châssis : if a pied mou ou du châssis fréquence naturelle lies near 2×f, résonance structurelle amplifie les vibrations électromagnétiques ; les vibrations du châssis dépassent alors largement celles des roulements, et la solution consiste à renforcer la rigidité de la structure ou à ajouter des éléments d'amortissement.
4. Variateurs de fréquence
Un variateur de fréquence (VFD) modifie délibérément la fréquence de sortie — généralement comprise entre 0 et 120 Hz — et la vitesse du moteur suit cette variation ; ainsi, toutes les fréquences électromagnétiques, y compris les composantes 2×f et celles de passage de pôle, varient proportionnellement à la sortie du variateur plutôt que de rester fixées à 50 ou 60 Hz. Cette variabilité a des conséquences pratiques sur les vibrations :
- Fréquences de commutation : La porteuse PWM superpose des composantes de l'ordre du kHz à la fondamentale.
- Courants de roulement : Les courants à haute fréquence peuvent provoquer des piqûres et des rainures sur les roulements si l'arbre n'est pas correctement mis à la terre.
- Vibration de torsion : des pulsations de couple apparaissent à différentes fréquences.
- Excitation par résonance : Une vitesse variable en balayage peut traverser des résonances structurelles et amplifier momentanément les vibrations.
5. Exemples concrets de diagnostic
Cas n° 1 — vibration de 2×f élevée
Un moteur à 4 pôles de 60 Hz tournant à environ 1 750 tr/min présente une composante de 120 Hz à 6 mm/s, bien supérieure à son niveau de 1× la vitesse de rotation, qui est d'environ 2 mm/s. Étant donné que l'énergie est concentrée au double de la fréquence du réseau plutôt qu'à la vitesse de rotation, cela indique un problème au niveau des enroulements du stator ou une excentricité de l'entrefer plutôt qu'un problème mécanique déséquilibrer. L'imagerie thermique révèle alors un point chaud dans le stator et un déséquilibre de courant est mesuré entre les phases, ce qui confirme le diagnostic ; la mesure corrective consiste à rebobiner ou à remplacer le moteur.
Cas n° 2 — bandes latérales autour de la vitesse de fonctionnement
Des pics apparaissent à une fréquence égale à 1× ± l'espacement lié au glissement (quelques Hz), ce qui correspond à la signature typique de barres de rotor cassées. L'analyse de la signature du courant du moteur montre la même chose bande latérale Un modèle similaire dans le courant d'alimentation, ainsi que le suivi de l'amplitude de la bande latérale au fil du temps, permettent de planifier à l'avance le remplacement. Ces deux cas s'inscrivent dans la famille plus large des défauts électriques que l'analyse des vibrations est bien placée pour distinguer des défauts mécaniques.
6. Bonnes pratiques en matière de suivi
Spectrum setup
Réglez la fréquence maximale au-dessus de 500 Hz afin que l'analyse couvre 2×f et ses harmoniques, et choisissez une résolution suffisante pour distinguer les bandes latérales très proches les unes des autres — une résolution supérieure à environ 0,5 Hz est recommandée pour les travaux sur les fréquences de glissement. Effectuez des mesures dans les plans horizontal, vertical et axial, car les composantes électromagnétiques et mécaniques se répartissent différemment selon les directions.
Références et tendances
Mesurez l'amplitude 2×f lorsqu'un moteur est neuf ou vient d'être rebobiné, déterminez les niveaux normaux pour chaque type de moteur dans l'installation et définissez les seuils d'alarme — généralement deux à trois fois ligne de base pour 2×f. Ensuite, effectuez une analyse de tendance des paramètres pertinents : l'amplitude à la fréquence de ligne 2×, les composantes de passage par les pôles, les amplitudes et les profils des bandes latérales, le niveau global de vibration, ainsi que les indicateurs habituels de l'état des roulements. En observant l'évolution de ces valeurs dans le temps, grâce à une approche rigoureuse analyse des tendances, c'est ce qui permet de transformer un simple spectre en alerte précoce.
7. Mesurer sur le terrain
Pour distinguer une signature électrique d'une signature mécanique, il faut commencer par effectuer une mesure précise de l'amplitude, de la fréquence et phase sur l'appareil. Un appareil portable à deux canaux tel que le Balanset-1A permet d'enregistrer le spectre FFT et la référence synchrone nécessaires pour situer précisément ces composants par rapport à la vitesse de fonctionnement et à ses harmoniques, ce qui aide à déterminer si un pic proche de 100 ou 120 Hz est d'origine électromagnétique ou s'il s'agit simplement d'une réponse structurelle. Et une fois qu'une cause électrique a été écartée et que le balourd résiduel déséquilibrer est identifié comme le véritable générateur de la vibration 1×, ce même instrument effectue la équilibrage sur place qui permet de remédier à cela — rendant ainsi les connaissances sur la fréquence de ligne directement exploitables en atelier.
La fréquence du réseau est essentielle pour comprendre le fonctionnement d'un moteur à courant alternatif et les causes de ses défaillances. Reconnaître les composantes à la fréquence du réseau — notamment celles de 2×f — dans un spectre de vibrations, et connaître les phénomènes électromagnétiques qui les sous-tendent, permet à un analyste de faire la distinction cruciale entre les défauts mécaniques et électriques, et d'orienter ainsi le diagnostic et les mesures correctives appropriées.
