Impacts du fonctionnement cyclique sur les moteurs électriques de grande puissance
Dans beaucoup de pays du monde les centrales de production conventionnelles doivent de plus en plus souvent exécuter des programmes de fonctionnement variables, pour permettre une intégration plus efficiente des énergies d'origine renouvelable, d'une part, et pour fonctionner dans des périodes de pointe de consommation plus intéressantes économiquement, d'autre part. Ce profil de fonctionnement cyclique, comportant deux changements de régime, fonctionnement à charge minimale, puis montée et baisse de charge rapides, est devenu tout à fait courant pour un grand nombre de centrales de production, ceci même pour des centrales en début de cycle de vie. Cette exploitation souple des centrales est essentielle pour leur rentabilité économique.
Membres
Chef de file
(IE)
J. DOYLE
E. TORTELLO (IT), T. BECKWITH (US), P. CURIAC (RO), L. LEROY (FR), H. SEDDING (CA)
Contributeurs
B. O’SULLIVAN (IE), E. FIGUEIREDO (BR)
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 :
- Revue des recherches précédentes pertinentes
- Etude générale de l'impact du fonctionnement cyclique des centrales sur les auxiliaires de centrales
- Analyse des schémas de transfert de bus et de leurs effets sur les moteurs
- Analyse des mécanismes de défaillances, thermiques, mécaniques et de dégradation d'isolation, des moteurs, qui sont attribuables au fonctionnement cyclique
- Examen des méthodes de démarrage des moteurs
- Etude des Normes et Guides d'application internationaux
- 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.
Dans le scénario 1 les charges auxiliaires sont transférées d'un transformateur d'un poste vers le transformateur de groupe lors des opérations de démarrage et d'arrêt. Un système de barres de transfert assure le transfert lors des opérations de démarrage et d'arrêt. La synchronisation du générateur se fait au niveau du disjoncteur HT (Figure 1).
Figure 1 – Configuration du système de transfert.
Dans le scénario 2, les charges des auxiliaires sont continument alimentées à partir du transformateur élévateur du groupe de production (GSUT), via le transformateur des auxiliaires du groupe, lors des phases de démarrage et de mise à l'arrêt. Un bus de transfert n'est pas nécessaire. La synchronisation du groupe avec le réseau HT se fait au niveau du disjoncteur de groupe (Figure 2). Dans le cas du scenario 2, une défaillance du transformateur GSUT ou du transformateur UNIT AUX TRAFO va provoquer l'ouverture des disjoncteurs HVCB, SYNCHRONIZING CB, et UNIT AUX TRAFO CB, conduit à l'arrêt des moteurs des auxiliaires, sans possibilité de basculement sur une autre alimentation, avec le risque de mettre en péril la mise à l'arrêt en ordre et en sécurité de la centrale.
Figure 2 – Schéma sans système de bus de transfert
Dans les deux scénarios les moteurs des auxiliaires vont connaitre un démarrage et un arrêt, mais dans le scénario 1 les moteurs vont devoir subir les effets d'un basculement d'alimentation à chaque cycle de démarrage et mise à l'arrêt. Les effets de ce basculement d'alimentation sont discutés dans la section qui suit.
Effets du basculement d'alimentation
Dans la BT on traite en détail la question des schémas de transfert d'alimentation et de leurs impacts sur les moteurs. Le transfert de bus d'alimentation implique un basculement des charges d'une source à une autre, et ceci peut se produire lors de chaque démarrage et arrêt normaux de la centrale, ainsi que dans les situations d'urgence au moment de la perte de la source primaire. Les normes internationales telles que la ANSI/NEMA C50.41-2012 “Moteur à induction polyphasés pour les Centrales de Production” et la IEEE Std. C37.96-2012 “ Guide IEEE pour la protection des Moteurs CA” sont examinées.
Figure 3 – Modèle de diagramme unifilaire de transfert d'alimentation du bus Moteur
La clause 1 de la ANSI/NEMA C50.41-2012, “Moteur à induction polyphasés pour les Centrales de Production", stipule que " les moteurs à inductions ont la capacité inhérente de développer un courant et un couple transitoires qui sont considérablement supérieurs au courant et au couple nominaux quand ils sont exposés à un basculement de sources hors synchronisme", que "l'amplitude de ce courant et de ce couple transitoires peut-être de 2 à 20 fois supérieure aux valeurs nominales…" et, ensuite, "que ceci soumet le moteur (et les enroulements du moteur) et les équipements qu'il entraîne à des forces transitoires supérieures aux valeurs d'un fonctionnement normal", pour conclure "par conséquent chaque transfert ou manœuvre de bus réduit l'espérance de durée de vie du moteur d'une valeur finie…".
Les conditions dynamiques précédant et durant le transfert sont un facteur clé, et tout particulièrement l'écart d'angle de phase et de fréquence entre le bus du moteur et la nouvelle source. Les méthodes traditionnelles de mesure des contraintes transitoires affectant le moteur pendant le basculement, telles que V/Hz, sont discutées, ainsi que d'autres indicateurs tels que le Ratio de Couple. La relation entre le Ratio de Couple et l'angle de fermeture du disjoncteur (angle entre le bus moteur et la source de secours) est examinée, en s'appuyant sur l'analyse des précédentes recherches sur ce sujet. Des conclusions en sont tirées quant à l'utilisation de V/Hz et du Ratio de Couple comme indicateurs de quantification de l'impact du basculement d'alimentation sur le moteur.
Le GT a examiné et comparé différentes méthodes de transition du transfert de bus moteur, parmi lesquelles celles des types Transition post Fermeture (fermer avant d'ouvrir) et Transition post Ouverture (ouvrir avant de fermer).
Les résultats de la modélisation du transfert avec tension résiduelle sont présentées et analysées, dans lesquelles les effets de différents angles de fermeture sur les courants et couples transitoires maximaux sont étudiés, en faisant varier la différence initiale d'angle de phase entre la source de secours et la source primaire. Les courants de moteur apparaissant lors de transfert avec tension résiduelle sont comparés aux courants normaux de démarrage et aux courants de court-circuit prévisibles des moteurs.
Effets thermiques, mécaniques, et sur l'isolation, des démarrages et arrêts des moteurs
Comme les alternateurs les moteurs peuvent connaitre toute une palette d'effets dommageables provoqués par es démarrages et des arrêts fréquents. Les variations thermiques se produisent chaque fois qu'un moteur démarre ou s'arrête et l'expansion et la contraction des constituants peuvent provoquer des jeux dans le stator et le noyau du rotor. Les dilatations différentielles entre conducteurs et isolations peuvent causer un descellement du conducteur et de son isolant. La flexion et le gonflement de la cage du rotor, provoqués par les contraintes thermiques, ont été constatés.
Le démarrage et l'arrêt d'un moteur vont se traduire par contraintes mécaniques cycliques qui augmentent la probabilité d'une défaillance des composants du rotor par fatigue mécanique à répétition lente.
Dans la TB on analyse les différents modes des dégradations et de défaillances possibles de l'isolation, provoquées par le fonctionnement cyclique, telles que les surtensions de manœuvre des disjoncteurs causant la détérioration de l'isolation entre spires, les forces électromagnétiques provoquant des dommages de l'isolation des têtes de bobine, et les vibrations d'encoche conduisant à des dommages de l'isolation.
Méthodes de démarrage des moteurs
Le mode de démarrage des moteurs devient extrêmement important dans le cas où l'exploitation cyclique des centrales de production est courante. Les méthodes Direct en ligne (DOL), commutation étoile/triangle, résistance externe et démarrage "doux", ont chacune des effets spécifiques sur le moteur, et présentent des niveaux variables de coût et de complexité à prendre en compte par leurs utilisateurs, au moment de la conception des systèmes électriques des centrales destinées à fonctionner cycliquement.
Examen des Normes et des Guides d'application Internationaux pertinents
Les normes internationales telles que CEI 60034, ANSI/NEMA C50.41-2012, et NEMA MG-1, définissent des normes minimales de conception, de construction, et d'essai des moteurs électriques. Des normes complémentaires traitent également des équipements de démarrage des moteurs, tels que les entrainements à vitesse ajustable (ASD). La norme API 541, du Petrolum Institute américain, couvre les moteurs à induction de grande puissance (>375 kW) et a été développée pour répondre aux besoins de moteurs remplissant des fonctions critiques dans les industries du pétrole, de la chimie, et autres.
Conclusions et recommandations
Un certain nombre de recommandations sont proposées aux utilisateurs, tant pour l'achat de nouveaux moteurs que pour l'exploitation des moteurs existants. Les recommandations proposées couvrent l'étape de faisabilité, la spécification, la conception, la construction et les essais des moteurs neufs destinés à une exploitation cyclique, et les équipements auxiliaires des moteurs. Des recommandations couvrent également la maintenance, l'exploitation et la surveillance de l'état des moteurs.
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