La surveillance basée sur l'état de l'appareil ouvre de nouvelles perspectives

Le variateur moderne est un bricoleur intelligent

La surveillance conditionnelle est la collecte continue ou périodique de données sur l'état d'une machine ou d'un système afin de (pouvoir) détecter les signes précoces d'usure, de défauts ou de déviations. Les variateurs de vitesse à courant alternatif ont donné un coup de fouet à cette méthode. D'un "compteur de vitesse glorifié" pour les moteurs électriques, l'appareil est devenu un point de mesure intelligent qui surveille en permanence l'état du moteur et du système et détecte les écarts à un stade précoce.

24 mars 2026

Avec la maintenance conditionnelle, l'entretien n'a lieu que lorsque les données d'analyse le justifient, et non plus à des intervalles de temps fixes. Dans ce cas, la maintenance conditionnelle joue le rôle de collecteur de données. L'EFV moderne a considérablement simplifié la collecte des données (surveillance) et la prise de mesures en fonction de ces données (maintenance).

Point de mesure intelligent

Un convertisseur de fréquence ou un variateur de fréquence (ci-après: VFD) est un appareil qui convertit la tension secteur à fréquence fixe en une forme adaptée à l'entraînement d'un moteur électrique. C'est précisément parce qu'un VFD calcule et surveille l'état électrique et mécanique interne du système d'entraînement qu'il est en mesure de détecter lui-même les écarts. C'est pourquoi les variateurs de fréquence sont de plus en plus utilisés dans les applications industrielles telles que les lignes de production et les systèmes de convoyage, ainsi que dans les installations commerciales, par exemple les ascenseurs et les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation. Il s'agit d'un point de mesure intelligent qui surveille en permanence l'état du moteur et de l'installation et signale rapidement les écarts.

Polyvalent

Un VFD moderne a depuis longtemps cessé d'être un "compteur de vitesse glorifié" pour les moteurs: le contrôleur surveille en permanence les performances, détecte les déséquilibres et les surcharges, signale l'usure précoce et la cavitation, et accède aux données opérationnelles des systèmes SCADA et IoT à des fins de surveillance, d'analyse et d'optimisation des processus.

Mesure des tensions et des puissances

Les données collectées par les capteurs sont converties en données numériques via des circuits électroniques et un microcontrôleur. À l'aide d'algorithmes mathématiques, le contrôleur en calcule la puissance (tension × courant), le cos φ - une mesure de l'efficacité avec laquelle l'énergie électrique est utilisée - et la fréquence. Sur la base de ces valeurs, la tension et la fréquence sont ajustées proportionnellement selon le principe de la commande V/f: en maintenant constant le rapport entre la tension (V) et la fréquence (f), le flux magnétique dans le moteur reste constant et le couple souhaité est maintenu sur une large plage de vitesse.

Analyse des courants de moteur

Les courants de moteur mesurés en continu sont comparés à des modèles mathématiques de moteur et à des valeurs de référence par l'intermédiaire d'un microprocesseur interne. Ceci peut être fait avec des stratégies de contrôle telles que:

• Contrôle orienté champ (FOC): contrôle le couple et le flux séparément via la transformation vectorielle des courants du moteur.
• Contrôle direct du couple (DTC): calcule le couple et le flux statorique directement à partir des courants et des tensions mesurés, ce qui permet une réponse très rapide du couple.

Les anomalies du signal indiquent une surcharge, un déséquilibre ou une usure. Le variateur utilise ces informations pour contrôler le couple avec précision, économiser de l'énergie et détecter rapidement les défaillances.

Un variateur de vitesse est un outil, pas une solution en soi

Analyse des modèles de vibration

De petites déviations dans les signaux du moteur, tels que le courant et la tension mesurés par le variateur, peuvent indiquer un déséquilibre, une usure ou des problèmes de roulements qui se manifestent par des modèles de vibrations caractéristiques. L'EFV utilise des capteurs internes et le traitement numérique des signaux pour analyser ces variations; les techniques couramment utilisées à cette fin sont l'analyse de Fourier et l'analyse par ondelettes. De cette manière, des fréquences spécifiques deviennent visibles, une sorte d'empreinte électrique pour certains types de défauts. Cela permet d'effectuer une maintenance prédictive et d'éviter les temps d'arrêt imprévus.

Surveillance de la température

Pour ce faire, des capteurs mesurent, par exemple, les enroulements du moteur (souvent via des résistances PTC ou NTC) ou la température ambiante (via un capteur NTC ou PT100). Les valeurs mesurées sont lues en permanence et comparées à des limites prédéfinies. Si un niveau critique est atteint, l'EFV ralentit automatiquement le moteur, voire l'arrête, afin d'éviter tout dommage. Certaines commandes utilisent des algorithmes intelligents qui prévoient le développement de la chaleur. Cela permet d'intervenir avant même qu'un problème ne survienne.

Si un variateur de vitesse présente un inconvénient, c'est qu'il n'est pas en mesure d'établir un diagnostic complet par lui-même dans toutes les situations

Détection d'un déséquilibre ou d'une surcharge

Grâce à la mesure continue du courant et de la tension du moteur, le déséquilibre et la surcharge peuvent également être détectés

• en cas de déséquilibre, par exemple lorsqu'une phase consomme un courant plus élevé que l'autre, la charge inégale du moteur est détectée et signalée par le VFD;
• en cas de surcharge, le variateur détecte que le courant ou la puissance reste plus longtemps au-dessus de la limite de sécurité.

Ces données sont traitées par des algorithmes internes qui émettent immédiatement des avertissements ou arrêtent le moteur.

Signalisation de l'usure des roulements et/ou de la cavitation

Outre le courant et la tension, le variateur de vitesse analyse également la puissance et la fréquence. Les vibrations mécaniques ne peuvent être mesurées qu'à l'aide d'un capteur de vibrations externe. Des anomalies telles que des changements dans le spectre des vibrations, des courants pulsés ou des pics de puissance soudains peuvent indiquer des problèmes tels que l'usure des roulements ou la cavitation. Des algorithmes avancés comparent le schéma actuel avec un profil de référence ou prédisent les tendances, ce qui facilite la détection précoce et la maintenance proactive.

Fusée à trois étages
Un variateur de fréquence convertit la tension du réseau en une tension et une fréquence de sortie réglables.
- Étape 1: l'appareil reçoit du réseau un courant alternatif standard (CA) à une fréquence fixe, généralement 50 ou 60 Hz. Ce courant est converti en courant continu (CC) à l'aide d'un redresseur.
- Étape 2: le courant continu ainsi obtenu passe par ce que l'on appelle un bus CC ou une liaison CC, un système électrique ou électronique destiné à tamponner l'énergie électrique. Ce système fournit un courant continu pur et stable à la phase 3.
- Étape 3: via un onduleur, le courant continu est reconverti en une tension modulée en largeur d'impulsion (PWM) avec une fréquence et une tension variables. La fréquence de sortie de l'onduleur détermine ainsi la vitesse du moteur.

Traitement des données

Avec un variateur de vitesse, toutes les mesures de base - y compris le couple du moteur, la vitesse du moteur et le courant du moteur - et l'analyse ont lieu dans le variateur lui-même (edge computing) plutôt que dans le nuage. Un filtrage interne a ensuite lieu, au cours duquel les données

• sont débarrassées du bruit et des erreurs;
• sont agrégées en moyennes utilisables ou en valeurs RMS (une mesure statistique, souvent utilisée pour calculer l'amplitude moyenne ou la force d'un signal);
• préparées, le cas échéant, pour l'analyse des tendances ou la détection des alarmes.

Les données traitées sont ensuite regroupées en informations utiles sur, par exemple, la consommation d'énergie, la charge ou affichées sous forme de codes d'erreur. Via des protocoles de communication intégrés, le contrôleur transmet ces données à une plateforme SCADA ou IoT, où elles sont stockées, visualisées et analysées à l'aide de tableaux de bord et d'algorithmes. Les données de mesure peuvent éventuellement être envoyées ultérieurement vers le cloud ou vers un système central. Cela ouvre la possibilité de surveiller simultanément plusieurs installations ou d'effectuer des analyses supplémentaires.

Rôle

Les fonctions CBM intégrées jouent un rôle de plus en plus important dans les variateurs de vitesse modernes pour la surveillance, l'analyse et l'optimisation du système d'entraînement. Quelques exemples concrets:

Surveillance de l'état des enroulements du stator du moteur

Les défauts dans les enroulements des moteurs commencent par un petit court-circuit dans un enroulement, ce qui provoque un échauffement supplémentaire. Les dommages qui en résultent s'étendent progressivement jusqu'à un niveau tel que la protection contre les surintensités se déclenche et que le fonctionnement est interrompu. Dans les variateurs de vitesse avancés, les défauts d'isolation naissants peuvent être détectés sans capteur dans les conditions suivantes: situation stable + mesures précises.

Dans la phase initiale, une alarme et un enregistrement suivent (le moteur continue de tourner). Si le courant de fuite augmente, l'entraînement à fréquence variable peut effectuer un arrêt temporaire spécifié et, si la situation devient critique, un arrêt complet du système s'ensuit afin d'éviter tout dommage et/ou danger (supplémentaire).

Surveillance des vibrations mécaniques

Il s'agit de l'analyse des vibrations de la machine. Elle se concentre sur

• le décalage temporel (tendances): en surveillant les tendances, il est possible de détecter rapidement les petites déviations;
• l'accélération/décélération: les fortes vibrations peuvent indiquer un déséquilibre, une usure ou des pièces desserrées et donner une idée de la charge et de l'état de la machine;
• les transitoires: vibrations brèves et fortes qui indiquent souvent une défaillance spécifique. Dans le même ordre d'idées, l'entraînement à fréquence variable peut régler ce qu'on appelle les fréquences de saut, de sorte que l'entraînement ne fonctionne pas pendant de longues périodes dans une plage de fréquences où se produisent des vibrations et une charge supplémentaire.

De cette manière, l'usure accélérée peut être évitée, tandis que les données collectées fournissent également des informations sur les conditions de fonctionnement réelles, telles que le fonctionnement stable, la suralimentation, l'état de la charge ou la vitesse.

Surveillance des condensateurs de liaison CC

Cette fonction permet de mesurer et de surveiller la dégradation de la liaison CC des condensateurs à l'aide de capteurs présents dans le variateur:

• mesure continue de la tension et du courant dans les condensateurs. Les écarts peuvent indiquer une perte de capacité ou une augmentation de la résistance interne;
• analyse des caractéristiques de la tension alternative des condensateurs, à partir de laquelle l'impédance et l'angle de phase peuvent être déterminés. L'augmentation de la résistance série équivalente (ESR) ou la diminution de la capacité indiquent une dégradation;
• l'enregistrement de la température de fonctionnement des condensateurs (sensibles à la température), afin de faire des prévisions sur la durée de vie restante.

Grâce aux paramètres susmentionnés, l'entraînement à fréquence variable peut émettre des alertes prédictives et ainsi prévenir certains types de défaillance des condensateurs.

Si l'entraînement à fréquence variable présente un inconvénient, c'est qu'il ne peut pas effectuer un diagnostic complet de lui-même dans toutes les situations. Dans certaines situations, des capteurs externes ou une surveillance spécialisée peuvent s'avérer nécessaires. C'est le cas, par exemple, des systèmes mécaniques complexes comportant plusieurs roulements ou boîtes de vitesses, ainsi que des environnements exigeant une maintenance prédictive élevée (processus critiques). Un variateur de vitesse est donc un outil et non une solution en soi.

En collaboration avec Lenze, Nidec Netherlands et Nord Drive Systems.