Comme nous l'avons vu, la pression croissante pour améliorer les performances financières entraîne un changement dans la façon dont les utilisateurs finaux abordent le contrôle de la production, de l'ingénierie, des opérations et de la maintenance dans l'ensemble de l'entreprise de fabrication. Un domaine qui représente une opportunité significative est l'utilisation des VFD pour démarrer et contrôler les moteurs. En plus du contrôle de la vitesse, l'application des VFD permet d'améliorer la contrôlabilité des processus, ainsi que d'autres avantages, tels que des facteurs de puissance plus élevés et des économies d'énergie, grâce à une meilleure efficacité.
Les avantages des VFD ont contribué à la forte croissance observée ces dernières années dans les secteurs de la chimie, du ciment, des métaux, du papier et de la pâte à papier, des produits pharmaceutiques, de la production d'électricité, du pétrole et du gaz, de l'eau et des eaux usées, ainsi que des métaux et des mines. Selon une récente étude de l'ARC, le marché mondial des VFD de faible puissance (<200 kW) devrait avoisiner les 9 milliards de dollars US en 2011, tandis que le marché mondial des VFD de forte puissance (>200 kW) devrait dépasser les 7 milliards de dollars US.
Leur large gamme et leur popularité dans des applications multiples et diverses, combinées aux déclarations des fabricants selon lesquelles le temps moyen entre pannes (MTBF) est de 200 000 heures (presque 23 ans), ont créé l'idée fausse qu'il s'agit de simples appareils "plug and play" (brancheret produire) qui, une fois installés, peuvent être oubliés. Aussi fiables que soient les composants électroniques, ils sont sensibles à toutes sortes de problèmes, qu'il s'agisse de perturbations de l'alimentation électrique, de risques environnementaux ou de mauvais fonctionnement. Ce document présente des mesures pratiques pour garantir la fiabilité des appareils de radiocommunication mobiles tout au long de leur cycle de vie.
Examen des dispositifs de transmission de la flamme La vitesse, le couple et la puissance sont trois paramètres interdépendants dans la conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique par l'intermédiaire de l'arbre rotatif du moteur. La vitesse d'un moteur définit son taux de conversion de l'énergie, tandis que le couple est une mesure de la force de rotation sur un objet tel qu'un volant d'inertie. La puissance est l'entraînement à fréquence variable de la vitesse et du couple et est une mesure de la vitesse à laquelle l'énergie est utilisée. La modification d'une des variables affecte les autres variables. Par exemple, si la puissance est augmentée alors que la vitesse est maintenue constante, le couple augmente.
Les VFD modernes utilisent des circuits de contrôle complexes pour coordonner la commutation des dispositifs de puissance, généralement par le biais d'une carte de contrôle qui dicte la séquence d'allumage des composants de puissance. Un microprocesseur, ou processeur de signaux numériques, répond à toutes les exigences de logique et de décision internes.
Gestion du cycle de vie des variateurs de fréquence Comme les utilisateurs finaux deviennent de plus en plus dépendants de la technologie des VFD, les fabricants de VFD
jouent un rôle plus important dans la fiabilité de leur processus ou de leurs installations de fabrication.
La responsabilité fondamentale traditionnelle du fabricant envers la fiabilité de l'utilisateur final est d'offrir une bonne conception qui soit intrinsèquement fiable et efficace, fabriquée avec la plus grande qualité, avec un service après-vente et une assistance. Ce point de vue peut être acceptable pour les moteurs, mais dans le cas des VFD, deux facteurs des temps modernes obligent les fabricants de variateurs de fréquence à adopter une vision plus sophistiquée - intégrant la gestion du cycle de vie - de leurs variateurs de fréquence. Ces facteurs sont la loi de Moore et la concurrence mondiale.
La loi de Moore, nommée d'après Gordon Moore d'Intel qui a remarqué la tendance pour la première fois en 1965, stipule que le nombre de transistors qui peuvent être placés à peu de frais sur un circuit intégré double environ tous les deux ans. Cette tendance se poursuit depuis plus d'un demi-siècle et ne devrait pas s'atténuer avant 2015.
Cela signifie que pendant la durée de vie utile d'un variateur de fréquence (généralement 20 ans sur les VFD de forte puissance), la technologie, définie par le nombre de transistors par circuit intégré, a progressé d'un facteur 1 000, ce qui exerce une pression constante sur les fabricants pour qu'ils introduisent continuellement de nouveaux variateurs de fréquence dotés de caractéristiques et de spécifications toujours améliorées. L'absence de nouveaux variateurs de fréquence condamnera le fabricant à l'obscurité et à un échec commercial certain.
La loi de Moore contribue au deuxième facteur, la férocité de la concurrence mondiale. Ainsi, si l'introduction rapide de nouvelles technologies et de variateurs de fréquence est un facteur clé du succès des fabricants de variateurs de fréquence, elle crée également les conditions d'une concurrence féroce car les fabricants sont en concurrence et doivent survivre sur un marché qui exige un variateur de fréquence personnalisé livré au coût et à la vitesse d'un produit de base tel qu'un moteur.
Les progrès technologiques et la concurrence féroce exigent donc que les fabricants de VFD adoptent une vision du cycle de vie qui fasse entrer et sortir continuellement les variateurs de fréquence. Cette approche exige que les utilisateurs finaux acceptent que les fabricants soient confrontés au défi permanent de l'introduction de nouveaux variateurs de fréquence pour faire face à la concurrence, tout en les rendant obsolètes dans un temps limité pour survivre. Les attentes des utilisateurs finaux selon lesquelles les fabricants ont la responsabilité de soutenir indéfiniment leurs variateurs de fréquence ne sont clairement pas durables et sont contre-productives en termes de maintien de niveaux élevés de fiabilité sur la durée de vie de leur usine.
Le modèle de cycle de vie qui montre comment un fabricant type prévoit d'introduire, de soutenir et de supprimer progressivement un variateur de fréquence. Il s'agit plus d'une déclaration à l'utilisateur final sur la façon dont le fabricant gère le cycle de vie de son variateur de fréquence que d'une stratégie de marketing ou d'un avantage concurrentiel. Les phases limitées et obsolètes ont pour but d'avertir les utilisateurs finaux que les matériaux et les pièces peuvent devenir rares ou indisponibles, et que par conséquent les utilisateurs finaux sont susceptibles d'être confrontés à des problèmes de fiabilité.
Gestion du cycle de vie de l'utilisateur final de la VFD Si la plupart des systèmes et des variateurs de fréquence ont la capacité d'atteindre des performances de fiabilité exceptionnelles, ils échouent souvent en raison de problèmes de base avec l'utilisateur final qui peuvent être évités. Il est important de comprendre que, tout comme la fiabilité ne peut être garantie par la seule technologie et la conception des VFD, la fiabilité doit être gérée en utilisant une approche de cycle de vie du système.
La fiabilité peut être compromise dès les premières étapes, et de mauvaises décisions de conception affecteront l'usine pendant tout son cycle de vie. Le choix du lieu d'implantation des dispositifs de transmission de signaux vidéo, par exemple, ne doit pas être laissé au hasard, car une mauvaise décision entraînera de graves problèmes de fiabilité.
En adoptant de bonnes pratiques dès les phases de planification et de conception, en passant par les étapes d'achat, d'installation et de mise en service, jusqu'à la période d'exploitation et de maintenance, la fiabilité peut être maintenue pendant tout le cycle de vie du variateur de fréquence.
Enfin, à mesure que les VFD vieillissent, il est important de planifier les mises à niveau et le remplacement éventuel ; sinon les budgets opérationnels commencent à exiger des fonds excessifs qui peuvent être couverts par des dépenses d'investissement.
Fiabilité des variateurs de fréquence L'ingénierie de la fiabilité porte sur la longévité et la fiabilité des systèmes conçus, des entraînements à fréquence variable et des pièces. Il s'agit de réduire les risques et d'assurer un fonctionnement ininterrompu. L'ingénierie de la fiabilité intègre diverses techniques analytiques conçues pour aider les ingénieurs à comprendre les modes et les schémas de défaillance de ces pièces, entraînements à fréquence variable et systèmes, en vue d'éviter les défaillances.
La fiabilité est définie comme suit : La durée ou la probabilité de performances sans défaillance dans des conditions sous-estimées. La probabilité qu'un élément puisse remplir sa fonction prévue pendant un intervalle spécifié dans des conditions données. La fiabilité exige donc une compréhension approfondie des modes de défaillance associés aux dispositifs de transmission de données variables. La liste suivante résume les problèmes techniques les plus courants qui ont contribué à la faible fiabilité des dispositifs de transmission de la flamme et montre comment ces problèmes ont été résolus : Des harmoniques qui se reflètent en amont - des réacteurs d'entrée à faible coût ont été développés pour filtrer les harmoniques. Les algorithmes qui créent la tension du moteur ont été améliorés, ce qui réduit les harmoniques. Des pics provoquant une rupture de l'isolation du moteur - des réacteurs de sortie ont été développés pour réduire les pics et des algorithmes améliorés créent une tension d'entraînement du moteur plus proche de la forme sinusoïdale. Défaillance des roulements du moteur à cause d'un courant aléatoire à haute fréquence dans le rotor qui circule vers la terre à travers les roulements - des algorithmes améliorés ont réduit ce phénomène et des mesures peuvent être prises pour mettre l'arbre du moteur à la terre. Des algorithmes améliorés ont permis de réduire ce phénomène et des mesures peuvent être prises pour mettre l'arbre du moteur à la terre. Des pics de puissance d'entrée provoquent une surcharge qui arrête le variateur de fréquence - de nouvelles conceptions utilisent des filtres de bus à courant continu réduisant la possibilité de pics, et une réinitialisation automatique est disponible. Exigence d'un environnement à température contrôlée - les nouvelles conceptions, en particulier celles de moins de 400 kW, sont généralement conçues avec une armoire refroidie par ventilateur à l'air ambiant. De nombreux VFD de grande taille sont proposés avec un système de refroidissement à l'eau intégré, mais ce n'est généralement que dans les applications avec plusieurs VFD de grande taille qu'une pièce climatisée séparée est nécessaire.
Programme de maintenance préventive des VFD Sans maintenance préventive, la probabilité de défaillance du VFD augmente considérablement.. Les défaillances les plus courantes sont dues au vieillissement des composants ou aux conditions de fonctionnement, telles que la variation de la température ambiante, l'humidité élevée, les charges excessives et lourdes. Les signes de ces défaillances commencent généralement à apparaître après cinq à dix ans de fonctionnement.
Un programme régulier de maintenance préventive des VFD tout au long de leur durée de vie est une exigence absolue pour garantir une disponibilité maximale et des coûts de réparation imprévus minimaux. Une maintenance préventive appropriée et opportune permet de garantir la fiabilité des dispositifs de mise en œuvre de la politique de sécurité et d'en prolonger la durée de vie.
Les tâches prévues comprennent :
L'inspection visuelle du VFD et des conditions environnementales.
Inspection des connexions.
Inspection des câbles à ruban et à fibre optique.
Inspection fonctionnelle du ventilateur et du système de refroidissement.
Nettoyage de l'appareil de ventilation à l'abri des décharges électrostatiques.
Inspection du circuit d'arrêt d'urgence.
Inspection pour la prévention d'un circuit de démarrage inattendu.
Inspection de l'enregistreur de défauts.
Inspection et stockage des paramètres.
Test fonctionnel du dispositif de ventilation en conditions normales.
Mesures de base avec la tension d'alimentation. Inspection de l'inventaire des pièces de rechange du VFD. Reformage des condensateurs du module de rechange. Domaines de base ayant une incidence sur la fiabilité des dispositifs de radiocommunication mobiles La plupart des références qui abordent le sujet de la fiabilité de la VFD identifient des étapes simples de base pour maintenir des niveaux élevés de fiabilité. Ces mesures comprennent le maintien de la VFD propre, fraîche, sèche et étanche. Garder la VFD propre Les variateurs de fréquence entrent généralement dans les catégories NEMA 1 (évents latéraux pour le flux d'air de refroidissement) ou NEMA 12 (enceintes étanches à la poussière). Les VFD qui entrent dans la catégorie NEMA 1 sont particulièrement sensibles à la contamination par la poussière.
La poussière sur un appareil électronique peut provoquer un dysfonctionnement ou même une panne. Alors que la pulvérisation périodique d'air par des ventilateurs de refroidissement et des dissipateurs thermiques est une bonne mesure préventive, il n'est généralement pas recommandé de décharger de l'air comprimé dans un variateur de fréquence, car l'air des installations contient généralement de l'huile et de l'eau, et il y a un risque de générer des décharges électrostatiques. Pour le nettoyage des composants électroniques, il est recommandé d'utiliser un spray non statique ou un aspirateur de décharges électrostatiques à fonctionnement inversé pour réduire l'accumulation d'électricité statique.
Les joints des boîtiers doivent être vérifiés régulièrement et remplacés dès qu'un dommage est constaté. Les joints d'origine des fabricants de VFD peuvent sembler chers, mais si les joints endommagés ne sont pas remplacés, les pertes seront nettement supérieures au coût du joint.
Garder le VFD au frais Outre la poussière sur les variateurs de fréquence, qui peut entraîner des restrictions de la circulation d'air qui isolent les dissipateurs de chaleur et réduisent les performances des ventilateurs de refroidissement, les ventilateurs de circulation doivent être vérifiés pour détecter les signes de défaillance des roulements ou les corps étrangers - généralement indiqués par un bruit inhabituel ou des arbres qui semblent "bancals".
La température des dissipateurs de chaleur doit être contrôlée régulièrement. Les températures moyennes doivent être notées et toute augmentation de plus de 3 à 5°C doit être étudiée.
Gardez le VFD au sec La présence d'humidité entraînera la corrosion de la carte de circuit imprimé du variateur de fréquence et condamnera le VFD à une défaillance ou à un fonctionnement erratique. Au cours des premières étapes de la conception, il faut s'assurer que la salle du VFD est bien située et que les variateurs de fréquence sont maintenus dans un endroit sec où l'humidité ne pose pas de problème.
Maintenir les connexions du VFD étanches Les cycles de chaleur et les vibrations mécaniques peuvent entraîner des défaillances des connexions. Les mauvaises connexions finissent par provoquer des arcs électriques et entraînent un fonctionnement erratique, ce qui entraîne une mauvaise qualité des variateurs de fréquence, des rebuts, des dommages aux machines, voire des blessures.
Un autre facteur qui contribue à l'apparition de connexions desserrées est la pratique courante de maintenance préventive qui consiste à resserrer les vis. Le resserrage d'un raccord déjà serré peut ruiner la connexion. Pour éviter le resserrage, un thermomètre infrarouge ou une caméra infrarouge peuvent être utilisés pour identifier les connexions chaudes. Les connexions ne doivent être resserrées que lorsqu'elles sont desserrées.
Conclusion Les fabricants de la technologie VFD peuvent offrir aux utilisateurs finaux un niveau de fiabilité extraordinaire, qui peut être compromis si les utilisateurs finaux négligent d'adopter une approche de cycle de vie qui inclut le fabricant VFD du berceau (conception) à la tombe (remplacement). Au cours des étapes de conception, les critères de performance et de sélection méritent évidemment l'implication du fabricant, mais les utilisateurs finaux doivent être prêts à assumer l'entière responsabilité peu après l'achèvement de la phase de mise en service.
Les fabricants qui reconnaissent l'importance de la maintenance préventive peuvent jouer un rôle précieux dans la mise en place d'un programme complet de maintenance préventive qui couvre la durée de vie de la VFD de base. Pendant la durée de vie opérationnelle du dispositif, les fabricants peuvent donner des conseils sur les mesures de base à prendre pour maintenir les niveaux élevés de fiabilité dont sont capables les dispositifs. Il s'agit notamment de maintenir le dispositif propre, frais et sec et de veiller à ce que les connexions soient bien serrées. On ne saurait trop insister sur leur importance et leur impact.
Enfin, à mesure que les VFD vieillissent, les utilisateurs finaux doivent collaborer avec les fabricants pour les mettre à niveau et les moderniser. L'absence d'une approche proactive dans cette phase du cycle de vie d'un variateur de fréquence entraînera inévitablement des problèmes de fiabilité qui pourraient se répercuter sur les goulets d'étranglement de la production et la qualité du variateur de fréquence. À l'ère de la technologie, les fabricants de variateurs de fréquence doivent devenir des partenaires de fiabilité capables de garantir une grande fiabilité et l'efficacité globale des équipements des usines.
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