Impacts du fonctionnement cyclique sur les moteurs électriques de grande puissance

Introduction

Les moteurs à alimentation électrique sont un élément très important des équipements auxiliaires des centrales de production, en particulier dans les cas où son action motrice sert une fonction critique dans le processus de production, comme la fourniture de l'eau de refroidissement, les pompes d'alimentation des chaudières et les ventilateurs d'injection d'air des chaudières. Pour ces systèmes moteurs de forte puissance, les puissances nominales des moteurs sont habituellement de plusieurs MW, et la fiabilité de la centrale de production dépend de l'aptitude des moteurs à démarrer et à fonctionner de manière fiable.

L'exploitation cyclique va provoquer différentes formes de détérioration des composants des moteurs électriques, qui peuvent conduire à la défaillance du moteur. La fatigue des matériaux liée aux contraintes de torsion des rotors survenant aux démarrages et aux arrêts et les forts courants de démarrage et leurs effets thermiques et électromagnétiques, sont des phénomènes à l'origine des défaillances habituellement attribuées au fonctionnement cyclique  

Les systèmes des barres omnibus grâce auxquels les tableaux de distribution des alimentations et des charges sont transférés d'une source à une autre, sont classiques dans les centrales électriques, comme dans toute installation industrielle. Les transferts de bus peuvent se produire pour diverses raisons, parmi lesquelles le basculement régulier au moment du démarrage et de l'arrêt de la centrale, ainsi que le transfert d'urgence permettant de maintenir la continuité d'alimentation des équipements auxiliaires en situation de défaut.

Domaine couvert / méthodologie

L'étude est limitée aux moteurs de plus de 250 kW. Les effets agressifs du démarrage d'un moteur sont les mêmes pour des moteurs à induction et synchrones, mais les moteurs synchrones sont habituellement démarrés en utilisant un système d'entraînement à vitesse variable (VSD) et les effets sont donc en général plus courants pour les moteurs à induction à cage d'écureuil. Dans l'étude on s'intéresse plus particulièrement aux effets du  démarrage direct en ligne (DOL) des moteurs, et aux effets sur les moteurs des schémas de transfert de source, qui sont courants dans les centrales de production.

Le Groupe de Travail (GT) a procédé à une revue générale des retours d'expérience des défaillances de moteur, ainsi que des recherches précédentes sur le sujet. Il a également analysé les normes et les directives internationales qui s'y rapportent, et il formule des recommandations visant à rendre plus performant l'usage des moteurs fonctionnant dans ces conditions.

Description de la Brochure Technique

La Brochure Technique (BT) est organisée comme suit :

1. Revue des recherches précédentes pertinentes
2. Etude générale de l'impact du fonctionnement cyclique des centrales sur les auxiliaires de centrales
3. Analyse des schémas de transfert de bus et de leurs effets sur les moteurs
4. Analyse des mécanismes de défaillances, thermiques, mécaniques et de dégradation d'isolation, des moteurs, qui sont attribuables au fonctionnement cyclique 
5. Examen des méthodes de démarrage des moteurs
6. Etude des Normes et Guides d'application internationaux
7. Recommandations

Précédentes Recherches

Parmi les précédents travaux de GT CIGRE en rapport avec le sujet on peut noter ceux-ci :

• Le GT 11.06 (1997), dans la publication “Analyse des pratiques et des spécifications des moteurs des auxiliaires des centrales de production”, a étudié le nombre acceptable de démarrages se succédant très rapidement, les conditions acceptables de tension et les courants de démarrage autorisés des moteurs.
• Le GT 11.06 (2002), a dans la publication “Surveillance de l'état des Moteurs” entrepris un examen du retour d'expérience des utilisateurs en matière de surveillance en ligne de l'état des moteurs.
•  Le GT A1.08 (2010), dans “Spécifications des moteurs de grande puissance des centrales de production dans les normes", a passé en revue les points de vue des utilisateurs en matière de normes nationales et internationales. Un aspect spécialement intéressant au plan pratique des travaux du GT A1.54 concerne l'utilisation de l'entraînement à vitesse ajustable (ASD) comme mécanisme de démarrage des moteurs, qui est particulièrement pertinent parce que cette méthode est un moyen de limiter les effets  des démarrages et arrêts fréquents.
• Le GT A1.19 (2011) dans la publication “Enquête sur les Défaillances de Moteur” analyse les défaillances de moteur pour rechercher s'il existe une corrélation entre les défaillances de moteur et les conditions d'exploitation, la fréquence des arrêts et démarrages, et la politique de maintenance des moteurs de grande puissance. Un grand nombre d'aspects sont abordés, dont la relation entre la disponibilité des moteurs et l'efficience des méthodes de démarrage, et les politiques de maintenance des moteurs.

Impact de l'exploitation cyclique des centrales de production sur les moteurs de grande puissance

Par rapport à un fonctionnement en base de centrale, le fonctionnement cyclique d'une centrale de production conduit à un accroissement des démarrages et arrêts des moteurs d'auxiliaires, et dans certains cas à des basculements d'alimentation plus fréquents. Ceci peut déclencher plusieurs mécanismes qui entraînent une détérioration des composants des moteurs électriques.    

Dans la BT deux scénarios sont envisagés en termes d'impact du fonctionnement cyclique de la centrale sur les moteurs auxiliaires.