ISO 20958:2013
(Main)Condition monitoring and diagnostics of machine systems — Electrical signature analysis of three-phase induction motors
Condition monitoring and diagnostics of machine systems — Electrical signature analysis of three-phase induction motors
ISO 20958:2013 sets out guidelines for the online techniques recommended for the purposes of condition monitoring and diagnostics of machines, based on electrical signature analysis. ISO 20958:2013 is applicable to three-phase induction motors.
Surveillance et diagnostic des systèmes de machines — Analyse de la signature électrique des moteurs triphasés à induction
L'ISO 20958:2013 spécifie des lignes directrices pour les techniques recommandées de surveillance et de diagnostic d'état des machines en fonctionnement, d'après l'analyse de la signature électrique. Elle est applicable aux moteurs triphasés à induction.
General Information
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 20958
First edition
2013-08-15
Condition monitoring and diagnostics
of machine systems — Electrical
signature analysis of three-phase
induction motors
Surveillance et diagnostic des systèmes de machines — Analyse de la
signature électrique des moteurs triphasés à induction
Reference number
©
ISO 2013
© ISO 2013
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ii © ISO 2013 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Electrical signature analysis of three-phase induction motors . 2
4.1 General . 2
4.2 Stator current analysis . 2
4.3 Electrical current, voltage, and power analysis .10
4.4 Magnetic flux analysis .12
4.5 Partial discharge analysis .13
4.6 Electromagnetic interference testing .18
4.7 Rotor current analysis .20
4.8 Shaft voltage analysis .20
Annex A (informative) Park’s vector approach .21
Bibliography .23
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
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constitute an endorsement.
The committee responsible for this document is ISO/TC 108, Mechanical vibration, shock and condition
monitoring, Subcommittee SC 5, Condition monitoring and diagnostics of machine systems.
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Introduction
This International Standard provides guidance for online condition monitoring and diagnostics of
machines in the field of electrical signature analysis of three-phase induction motors.
In order to clarify the situation and direct attention towards the latest developments in this field, this
International Standard presents an overview of well-established condition monitoring techniques,
together with an indication of some which are expected to be less well known.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 20958:2013(E)
Condition monitoring and diagnostics of machine
systems — Electrical signature analysis of three-phase
induction motors
1 Scope
This International Standard sets out guidelines for the online techniques recommended for the purposes
of condition monitoring and diagnostics of machines, based on electrical signature analysis. This
International Standard is applicable to three-phase induction motors.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 13372, Condition monitoring and diagnostics of machines — Vocabulary
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 13372 and the following apply.
3.1
current analysis
analysis of the three supply currents to a motor for magnitude, balance, and harmonic content
3.2
current signature analysis
spectral analysis performed on the line current to the motor to determine if there are currents at specific
frequencies that can indicate component defects
Note 1 to entry: Traditionally, this has been focused on a single phase, but newer techniques such as Park’s vector
and voltage and current systems that analyse all three phases simultaneously can provide additional information.
3.3
induction motor
asynchronous AC machine that comprises a magnetic circuit interlinked with two electric circuits or
sets of circuits rotating with respect to each other and in which power is transferred from one circuit to
another by electromagnetic induction
Note 1 to entry: There are two basic types: squirrel-cage (SCI) and wound-rotor induction motors.
3.4
squirrel-cage induction motor
induction motor in which the secondary circuit consists of usually un-insulated rotor bars in core slots
shorted together by end rings connected to both ends of each bar
Note 1 to entry: The most common bar and end ring materials are copper, aluminium, or alloys of these materials.
3.5
wound-rotor motor
induction motor in which the secondary circuit consists of polyphase windings made from insulated
multi-turn coils, with each winding phase connected to a slip ring
Note 1 to entry: Control of stator and rotor current during starting and motor torque and speed during running
is achieved by connecting external resistances, or a solid-state converter to each rotor winding phase by means
of slip rings and brushes.
Note 2 to entry: This type of motor is also known as a slip-ring induction motor.
4 Electrical signature analysis of three-phase induction motors
4.1 General
The vast majority of motors used in industry are induction machines.
Reliability surveys show that the most vulnerable parts of an induction motor are the bearings, the
stator winding and core pack, and the rotor cage winding.
There is a lot of published material about a group of monitoring and diagnostic techniques, collectively
referred to as electrical signature analysis, that can be used for condition monitoring of induction motors.
In general, these techniques are based on the analysis either of signals available at the motor terminals
or obtained through appropriate transducers fitted to the structure. Several of these techniques are
presented in 4.2 to 4.8.
The purpose of condition monitoring applied to three-phase induction motors is to assess the integrity
of the motor and to provide early warning of possible faults. As an aid to this end, it is possible to obtain
information about the health and integrity of an induction motor through analysis of its electrical
signature. The variations in electric current, voltage, and power can equally be caused by the driven
equipment, not just the motor; hence, the requirements of this International Standard, and electrical
signature analysis, also apply to assessing the mechanical condition of the driven equipment.
If a motor is supplied from a variable voltage and frequency converter, care must be taken to account for
current and voltage components in the output of such devices that could be misdiagnosed as resulting
from motor defects. For techniques such as stator current analysis (4.2) and partial discharge (PD)
analysis (4.5), it is advisable to lock the converter frequency and voltage while performing these tests.
4.2 Stator current analysis
4.2.1 General
Stator current analysis refers to measurements of the stator current. However, as the stator current
is also affected by air gap fluxes and the rotor current, stator current analysis is capable of detecting
problems in the rotor and the driven equipment.
4.2.2 Spectral analysis
Current signature analysis (CSA) has the capability of detecting the following problems in squirrel-cage
and wound-rotor induction motors, where applicable:
— cracked rotor bars;
— cast rotor windings with large internal voids;
— broken bar-to-short circuit ring connections;
— cracked short circuit rings;
2 © ISO 2013 – All rights reserved
— excessive air gap eccentricity;
— rolling element bearing defects;
— coupling misalignment;
— stator winding shorted turns;
— problems in the driven equipment.
From this list, the most significant and damaging of these are rotor cage winding problems, eccentric
air gaps, and rolling element bearing defects. Rolling element bearing defects are included since CSA can
identify these defects that may also be identified by vibration monitoring.
Conventional CSA is done online at or close to normal full load. The current on one motor phase is analysed
for its current frequency content by measuring it with a clip-on current transformer around a motor
supply cable (see Figure 1) or around the secondary side of a current transformer (CT) (see Figure 2).
Newer approaches can analyse all three phases and also look at the relation between current and voltage.
Care should be taken when interpreting the results of stator spectral analysis when the motor is
driving a time-varying mechanical load since different phenomena can lead to similar characteristic
frequencies showing up in the stator current. Some additional means of discriminating between the
possible different causes may be required.
4.2.3 Rotor cage defects
CSA monitoring has revolutionized the detection of broken rotor bars and cracked short circuit rings in
squirrel-cage induction (SCI) motor rotors. Specific frequencies in the current indicate the presence of
defective rotor windings during normal operation of the motor. The detection of broken rotor bars by CSA
can sometimes also be confirmed by bearing vibration analysis. References [19] and [27] independently
pioneered current signature analysis in the late 1970s.
In simple terms, the current flowing in the stator winding not only depends on the power supply and
the impedance of the stator winding, but also includes current induced in the stator winding by the
magnetic field from the rotor. That is, the stator winding is a probe or “transducer” for problems in
the rotor. The key issue is separating currents that flow through the stator to drive the rotor from the
currents that the rotor induces back into the stator if there is a problem. This separation is accomplished
by measuring current components at frequencies other than power frequency, using a high-resolution
frequency spectrum analyser.
The additional frequency components, due to rotor defects, are seen as sidebands to the fundamental
frequency component at frequencies given by Formula (1):
fk= 1±2 sf (1)
()
where
s is the per unit rotor slip;
f is the fundamental supply frequency;
k is 1, 2, 3, etc.
The rotor currents in a cage winding produce an effective three-phase magnetic field, which has the
same number of poles as the stator field, but is rotating at slip frequency with respect to the rotating
rotor. If rotor current asymmetry occurs, then there is a resultant backward (i.e. slower) rotating field
at slip frequency with respect to the forward rotating rotor. Asymmetry results if one or more of the
rotor bars is broken or there are breaks in a short circuit ring preventing current from flowing through
them. It can be shown that this backward rotating field is actually rotating forwards at (1 − 2s) times
synchronous speed with respect to the stationary stator winding. This induces currents in the stator
winding at a frequency of f (1 − 2s), which is referred to as the lower twice slip frequency sideband due
to broken bars. This current causes a cyclic variation of current that causes a rotor torque oscillation at
twice slip frequency (2sf ) and a corresponding speed oscillation which is a function of drive inertia. This
rotor speed oscillation creates an upper side band (Reference [21]) current component at a frequency
of f (1 + 2s) that is enhanced by the third time harmonic flux. Broken rotor bars, therefore, result in
current components being induced in the stator winding at frequencies given by Formula (2):
ff= 12± s (2)
()
sb 1
Key
1 phase lead 2 current probe, n 3 squirrel-cage induction motor
Figure 1 — Squirrel-cage induction motor CSA measurement on phase lead
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Key
1 phase lead 3 current probe, n
2 current probe, n 4 squirrel-cage induction motor
Figure 2 — Squirrel-cage induction motor CSA measurement from CT secondary
Current components due to broken rotor bars that appear in a logarithmic amplitude versus frequency
plot (such as that shown in Figure 3) as current components that are ±2sf removed from the fundamental
50 Hz or 60 Hz current component. It is important to note that if the rotor core has the same number
of support spider arms as the number of stator winding poles, sidebands with the same frequencies as
those from broken bars will result (Reference [16]).
Also, devices such as gearboxes in the motor/driven equipment drive train can create symmetrical
sidebands around the fundamental frequency current that can look like those from broken bars. Care
should be taken to evaluate sidebands around the fundamental line current that are in the domain of
those generated by breaks in rotor cage windings, since there are driven equipment defects that can
generate similar patterns. In particular, the various shafts in a gearbox installed between the motor and
its driven equipment can produce a series of symmetrical currents around the fundamental line current.
The best way to differentiate between such currents and those from cage winding breaks is to perform
tests at two significantly different loads to see if there is sideband movement that is proportional to the
change in rotor slip.
Because the stator current resulting from breaks in rotor cage winding is modulated at twice the slip
frequency, sf is often close to about 1 Hz. This creates a “thrum” sound at this low frequency that is
easily recognized by knowledgeable plant staff.
a) 60 Hz motor b) 50 Hz motor
Figure 3 — Current signatures of motors with broken bars
The current is analysed with a spectrum analyser or customized digital signal processing unit as shown
in Figure 3, which gives examples of both 60 Hz and 50 Hz motors with broken rotor bars. Typically,
the sidebands are only 0,3 to 3 Hz or so away from the very large power frequency component and the
sideband currents are typically 100 to 1 000 times smaller than the main power frequency currents. The
slip “s” depends on both the number of poles and slots of the rotor form and the nature of the material
constituting the cage winding. The modulation frequency depends not only on the slip rate at rated load,
but also the relative I/I , where I is the actual current and I the motor full load current. Consequently,
n n
exceptional dynamic range and frequency resolution is required to accurately measure the sideband
peaks due to broken rotor bars. For this reason, current magnitudes are measured in decibels. If there
are no rotor cage winding breaks, then there are no or very low-level sidebands.
To detect cage winding breaks, it is necessary that the slip frequency be accurately known. In early
“broken rotor bar” detectors, a stroboscope that directly detected the rotor speed (and thus allowed
calculation of slip) was used. Alternatively, slip can be detected from an axial flux probe near the rotor
[19]
winding (Reference ). Present-day CSA monitors may have proprietary means of estimating slip
[16]
from the current itself (Reference ). This greatly improves the ease of performing CSA. Some of these
methods are effective, but many have been shown to produce errors for small motors, motors that have
a large number of poles, or those driving pulsating loads.
Basic interpretation requires comparison of the lower sideband with the power frequency stator current.
Experience shows that if the sideband becomes larger than about (≤-50 dB) of the power frequency
current, then cage winding breaks are likely. The greater the sideband current (that is, the larger the
fraction of the power frequency current), then the more severe the rotor cage winding deterioration.
As with most other monitors, it is best to trend the sideband magnitude over the years. If the sideband
increases over time at approximately the same load, then it is reasonable to expect that a greater number
of bars have broken in more locations. Figures 3 a) and 3 b) show decibel versus frequency plots of
motors with several broken bars. At some point, there can be enough breaks in the rotor bars that the
motor can fail to start or some metal may fly off the rotor, destroying the stator winding. CSA may not
detect bar breaks in large two- or four-pole motors if the breaks occur under endwinding retaining
rings since the retaining ring itself can allow the current to continue to flow.
Early CSA monitoring was prone to false indications (that is, indicating that a rotor had problems when
it had none) and, less frequently, to missing defective rotor windings. Thus, early users of this test had
low confidence in the results. However, improvements in theory, software, and spectrum analyser and
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digital signal processor resolution have made detection of rotor cage winding problems much more
reliable (Reference [16]).
4.2.4 Air gap eccentricity monitoring
Air gap eccentricity can be detected by identifying the characteristic current signature pattern resulting
from abnormal levels of air gap eccentricity. The specific frequencies of the current components
indicative of air gap eccentricity may be calculated from Formula (3) (Reference [25]):
11−s −s
ff= R ±η ± f (3)
ec 11 sws
p p
where
f is the frequency components which are a function of air gap eccentricity (Hz);
ec
f is the supply frequency (Hz);
R is the number of rotor slots which is the same as the number of rotor bars;
s
η is 1, 3, 5, etc., [integer 1, corresponds to fundamental component in magneto motive force
ws
(m.m.f) waveform, integer 3, 3rd harmonic, etc.];
s is the rotor per unit slip;
p is the pole-pairs.
Formula (3) consists of two parts (Reference [26]): the rotor slot passing frequencies, f , as given
rs
in Formula (4)
1−s
ff= R ±η (4)
rs 1 sws
p
and the rotor speed frequency, f , as given in Formula (5):
r
1−s
ff= (5)
r 1
p
Thus, air gap eccentricity gives a series of rotor slot passing frequency components with frequencies
obtained from Formula (4) with sideband frequencies of ± f obtained from Formula (5).
r
Experience has shown that the rotor slot passing frequencies can be more easily detected in three-
phase induction motors that do not have skewed rotor slots. This is based on the fact that skewed
rotor slots reduce the magnitude of the rotor slot passing frequencies flux components and, hence, the
electromagnetic forces, resulting in a reduction in stator core vibration and acoustic noise. With an
instrument having fast Fourier analysis capability and sufficient resolution, these rotor slot passing
frequency components and their sidebands can be detected and their magnitudes measured.
To assess motor air gap eccentricity from this spectrum, the rotor slot passing frequency component
(RSPFC) with the highest magnitude is selected. The average magnitude difference between the ± f
r
rotational speed frequency components (RSFC) (in decibels) relative to the RSPFC is then determined
(see Figure 4). The lower the average magnitude difference between RSPFC and RSFC, the more eccentric
the air gap between the stator and rotor.
Key
1 RSFC = (−f ) 2 RSPFC 3 RSFC = (+f )
r r
Figure 4 — Motor with significant air gap eccentricity
4.2.5 Detection of shorted stator winding turns
It has been shown that shorted turns in low-voltage stator windings generate a series of current
[2]
harmonics that are derived from Formula (6) (ISO 13379 ):
n
ff=−1 sk± (6)
()
st 1
p
where
f is the stator winding current components that are a function of shorted turns;
st
f is the supply frequency (Hz);
η is 1, 2, 3 .;
k is 1, 3, 5 .;
p is the pole-pairs;
s is the rotor per unit slip.
4.2.6 Bearing monitoring
Rolling element bearings produce stator current components with a unique set of frequencies for a
particular defect. These frequencies are a function of the bearing size and the type and location of a
defect. These frequencies can be monitored for defects in the bearing outer race, inner race, and rolling
elements. For ball bearings, the formulae given in Table 1 can be used to determine the presence of such
defects if the bearing dimensions (see Figure 5) and the number of balls are known (Reference [19]).
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Key
1 contact angle, β 2 ball diameter, D 3 pitch diameter, D
ball pit
Figure 5 — Ball bearing dimensions
Table 1 — Bearing defect frequencies
Bearing defect location Defect frequency
Ball f = (D /D )f [1 − (D /D cosβ) ]
rb pit ball rm ball pit
Outer race f = (n/2) f [1 − (D /D cosβ])
ro rm ball pit
Inner race f = (n/2) f [1 + (D /D cosβ)]
ri rm ball pit
where
f is the rotation speed frequency of rotor, equal to revolutions per minute divided by 60;
rm
n is the number of balls;
β is the contact angle;
D is the pitch diameter;
pit
D is the ball diameter.
ball
The inner and outer race defect frequencies can be approximated from the formulae in Formula (7) if the
number of balls is between 6 and 19.
fn=04, f
orm
(7)
fn=06, f
irm
The approximate formulae in Formula (7) can also be applied for roller bearings with 12 to 18 rollers.
Therefore, by using an instrument capable of measuring and identifying these current components to see
if they are present and dominant, the location of bearing defects can be identified. Also, the magnitudes
of current harmonics due to bearing defects can be trended to verify if bearing aging is occurring and a
failure may be imminent.
Some CSA instrument software includes details of rolling element bearing dimensions and calculates
the expected frequencies for the specific defects given by the formulae in Table 1.
4.2.7 Detection of other mechanical problems
Changes in air gap eccentricity result in changes in the air gap flux waveform. With dynamic eccentricity,
the rotor position can vary and any oscillation in the radial air gap length results in variations in the air
gap flux. Consequently, this can induce stator current components with frequencies given by Formula (8):
ff=±mf (8)
er1
where
f is the supply frequency;
f is the rotational speed frequency of the rotor;
r
m is the harmonic number 1,2,3 .;
f is the current component frequency due to air gap changes.
e
Consequently, problems such as shaft/coupling misalignment, sleeve bearing wear, and other mechanical
problems, including some in driven equipment, which result in dynamic rotor disturbances potentially
can be detected by looking at the current spectrum.
4.2.8 Park’s vector approach
Park’s vector is a mathematical approach to represent three phases as two orthogonal phases, which
allows for much simpler analysis. This can be used to monitor the induction motor supply currents
using the method given in Annex A. This non-invasive approach has been successfully used in industrial
environments for diagnosing three-phase induction motor malfunctions such as unbalanced supply
voltages, air-gap eccentricity, stator winding inter-turn faults, mechanical misalignment, rotor winding
open-circuits in wound-rotor motors, and broken rotor bars or end-rings in cage motors (References
[11]–[14]).
An advanced implementation of the Park’s vector approach known as the extended Park’s vector
approach (EPVA) further improves the online fault diagnosis in operating three-phase induction motors
(see Annex A). This technique is applicable to motors either directly connected to the main supply or fed
from inverters and is also capable of diagnosing three-phase induction motor faults either when they
occur singly or in combination.
To differentiate between the effect of rotor faults and the effect associated with driving time-varying
loads, the synchronous reference frame Park’s vector approach can be used (see Annex A).
4.3 Electrical current, voltage, and power analysis
4.3.1 General
Besides the motor supply current, the supply voltage is also easily accessible and can give some extra
information that is necessary to the analysis of the condition of the motor. The electrical power, being a
quantity directly related with the current and voltage, acquires particular significance in this context.
Monitoring the three-phase currents, phase-to-phase supply voltages and power input from the
motor circuit breaker, or motor control centre (MCC) during running and starting can provide early
identification of motor stator- and rotor winding-related defects.
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4.3.2 Running tests
Running tests include the following.
— Unbalanced currents due to impedance unbalances, or unbalanced supply voltages: Generally, a
small amount of phase voltage unbalance creates a much larger amount of phase current unbalance.
The effect of unbalanced voltages on polyphase induction motors is equivalent to the introduction
of a “negative sequence voltage” having a rotation opposite to that occurring with balanced phase
voltages. This negative phase sequence voltage produces an air gap flux that rotates against the
rotation of the rotor, tending to produce higher currents. These currents cause stator and rotor
winding overheating if the motor load is not reduced. Unbalanced line currents can also result from
phase impedance unbalance due to such defects as high resistance connections or coil turn–turn
insulation shorts. The latter are likely to be detected only if the turn insulation short is far removed
from the nearest earth.
— Unbalanced supply voltages due to unbalanced loading on the power supply system, or high
resistance connections: As indicated above, a small voltage unbalance can create a much larger
current unbalance.
— Motor input power monitoring: An increase in motor power consumption with time generally
indicates a reduction on the drive system equipment efficiency due to component degradation in
either the motor or driven equipment.
— Voltage harmonic analysis: This identifies the presence of harmonics in the motor supply voltage
from other devices such as converter-type variable speed motor drives. Such harmonics can be
the cause of additional losses in the motor that increase its stator winding operating temperature
(Reference [27]).
4.3.3 Starting tests
Starting tests include the following.
— Increases in motor starting time indicate possible breaks in the rotor cage winding and/or increases
in driven equipment torque due to component degradation.
— Starting measurements of the first few cycles of current and current until motor rated speed is
reached can confirm the presence of high transient current due to a low sub-transient reactance in
high-efficiency motors and other causes of motor protection trips.
4.3.4 Model-based voltage and current systems
This is a technique that makes use of the information available from the current and voltage signals
across all three phases simultaneously. Model-based systems are able to identify many of the same
phenomena also seen by more conventional techniques, covering electrical, mechanical, and operational
areas (Reference [17]).
Model-based systems work on the lines shown in Figure 6 below and measure both current and voltage
while the motor is in operation and then automatically creates a mathematical model of the relationship
between current and voltage. By applying this model to the measured voltage, a modelled current is
calculated and this is compared with the actual measured current. Deviations between the measured
current and the modelled current represent imperfections in the motor and driven equipment system,
which can be analysed using a combination of Park’s vector to simplify the three-phase currents into
two orthogonal phases (D&Q), Fourier analysis to give a power spectral density plot, and algorithmic
assessment of the resulting spectrum to identify specific faults or failure modes.
These systems are designed for permanent installation as a condition monitoring solution rather than
as a short-term diagnostic measurement device, and their outputs can be integrated into normal plant
systems. Being permanently connected, historic trends are automatically captured.
The sort of output that these types of device can create include single screen, traffic light displays of the
overall equipment operation, together with diagnosis of a range of mechanical, electrical, and operational
problems, and trend plots showing how these parameters are changing through time. The concept of this
type of device is that it can be used by normal plant operators and maintainers without the need for
specialist interpretation of spectra, although the underlying spectral plots are available if required.
The sort of faults that can be detected include a range of mechanical problems such as imbalance,
misalignment, and bearing problems in the motor and driven equipment, as well as electrical problems
including insulation breakdown, loose stator windings, rotor slot problems, current or voltage imbalance,
and harmonic distortion. Because these systems measure both current and voltage, they also monitor
power and are able to identify problems caused by unusual operating conditions and identify causes of
lost efficiency.
Because model-based systems only examine the difference between actual and predicted currents,
they effectively filter out all the normal electrical signals that are so apparent in conventional Current
Spectral Analysis (CSA), leaving a much simpler set of signals to be analysed.
Because these systems are based on the relationship between voltage and current, they deal well with
inverter driven systems where the input voltage may be of a variable frequency and there may be a noisy
waveform high in harmonic components. Model-based systems effectively filter out all this noise in the
voltage signal from the resulting current signal, leaving just the underlying imperfections.
This ease of use and low cost of this type of equipment makes it appropriate for lower cost, lower
criticality equipment.
Figure 6 — Model-based voltage and current monitoring system
4.4 Magnetic flux analysis
Any distortion in the air gap flux density due to defects on either rotor or stator sets up an axial
homopolar flux in the shaft that can be detected by a search coil fitted around the shaft. A range of both
stator and rotor defects can be deduced from the spectrum of the axial flux obtained by carrying out a
Fourier transform on the search coil waveform. The technique is applicable to a wide range of motors
but there is the possibility that, on some motor designs, the enclosure can attenuate the amplitude of
the axial flux detected by a search coil mounted outside it. This makes the quantitative estimate of the
extent of damage difficult without fingerprinting of individual motors.
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4.5 Partial discharge analysis
4.5.1 Partial discharge principles
Warning of incipient electrical breakdown in a motor stator winding can be obtained by the online
measurement of PD activity. Gradual degradation of winding insulation leads to an increase of the PD
activity, but a quantitative relationship between that activity and the remaining life of the insulation,
which is required for condition monitoring, has not yet been successfully proven.
PDs are small electrical sparks that occur in conventional 50 or 60 Hz stator windings rated 3,3 kV or
[6]
higher (IEC 60270 and Reference [23]). PD is non-existent or negligible in well-made stator windings
that are in good condition. However, if the stator winding insulation system is poorly made, or the
winding has deteriorated due to overheating, coil movement, or contamination, then PD can occur.
A PD test directly measures the pulse currents resulting from PD within a winding. As described in
[7] [5]
IEEE 1434 and IEC/TS 60034-27-2 for form-wound stators, there is a large number of test methods.
The methods described here are for an in-service motor running at normal load.
PD occurs only when an air-filled void occurs within the stator insulation system or at the surface of
[6]
the insulation (IEC 60270 ). At normal atmospheric pressure, when the voltage stress across a void
reaches about 3 kV/mm peak and a PD pulse occurs, there is a very fast flow of electrons from one side
of the air-filled void to the other side. Since the electrons have charge and are moving close to the speed
of light across a small distance, a current pulse results that can have a very short duration, which can be
a few nanoseconds. A Fourier transform of a current pulse generates frequencies from DC up to several
[7]
hundred megahertz (IEEE 1434 ).
4.5.2 Online PD measurement with capacitive couplers
Any device sensitive to high frequencies can detect the PD pulse currents. In a PD test on complete
windings, the most common means of detecting the PD currents on conventional 50 or 60 Hz stators is
to use high-voltage capacitors connected to the stator terminal of each phase. Typically for motors, PD
couplers with capacitances of 80 pF to 2 nF are connected to the motor terminals as shown in Figure 7
and to a termination box, via coaxial cables, to allow PD measurements. The capacitor is a very high
impedance to the high AC voltage in the stator, while being a very low impedance to the high-frequency
PD pulse currents. The output of the high-voltage capacitor drives a resistive load. The PD pulse current
that passes through the capacitor creates a voltage pulse across the resistor, which can be displayed on
an oscilloscope, frequency spectrum analyser, or PD-measuring instrument. The Fourier transform of
an individual PD pulse contains frequencies from DC up to several hundred megahertz if the PD sensor
is optimally located in close proximity to the PD source. Many types of disturbances produce pulses, but
the frequency content of the pulses at the PD sensor can be lower than stator winding PD. For example,
sparking caused by poor electrical connections or PD or other PD-like pulses in other apparatus that
are remote from the machine under test often produce frequencies up to just a few megahertz. Thus,
one method of separating PD from disturbances is to use analogue or digital filters that preferentially
respond to pulses in specific frequency ranges. The PD measurement system (sensor and detection
electronics) is described as having a lower cutoff frequency and an upper cutoff frequency. Typical
frequency ranges for online PD measurement systems are in the low frequency range (LF: below 3MHz),
high frequency range (HF: 3MHz to 30 MHz), very high frequency range (VHF: 30 MHz to 300 MHz), or
[1]
in the ultra-high frequency range (UHF: 300 MHz to 3 GHz) (ISO 13374-1 ). When using measurement
systems in the low frequency range (LF: below 3 MHz) (Reference [18]), the lower frequencies are subject
to the significant influence of power line carrier, converter fed motor switching, and excitation system
disturbances, which it is necessary to suppress. Elimination of noise that can be assessed as winding PD
is an important factor and, to this end, the use of capacitive couplers and long motor power supply cables
(≥30 m) has been found to be effective.
Key
1 power cable 3 PD detection capacitors
2 motor 4 circuit breaker
Figure 7 — Typical arrangement of capacitive couplers for motor PD measurement
Generally, the higher the upper cutoff frequency of the PD detection system, the greater the signal-
to-noise ratio, and thus, the lower the risk of false indications. However, the higher the lower cutoff
frequency, the lower the likelihood of PD being detected that is remote from the sensor. Assuming the
PD sensor is located at the high-voltage terminals of the stator winding, a low-frequency range PD
system is sensitive to PD in more coils than a high-frequency range PD system. Note, however, that in
online PD testing, the coils near the high-voltage terminal are the only ones likely to have high levels
of PD activity since the voltage is higher than that for coils remote from the terminals. However, other
sparking and arcing phenomena, which can significantly damage the insulation, can also be detected by
PD measurement devices and can occur throughout the winding even at low potential sites close to the
neutral, e.g. vibration sparking from coil/bar semiconducting coating material with too low a resistivity.
Hence, PD monitoring systems with higher capacitance couplers are more likely to detect insulation
degradation from this type of defect.
4.5.3 Online partial discharge monitoring with radio frequency transformers
RF and other high-frequency current transformers can be effective for monitoring motors and any other
apparatus that can be prone to PD activity (Reference [17]). These devices are often used because they
can be more easily installed and do not operate at high voltage. A current transformer (CT) that has a
wideband pulse response can be used to measure high-frequency PD pulses. It is constructed of a ferrite
core and is usually encased in a metal housing. Most of the commercially available CTs are provided
with a transfer curve describing its frequency response and output signal level. The output signal from
a radio frequency transformer (RFCT) may be more oscillatory in nature than from other PD sensors
if the CT has not been adequately impedance-matched. In addition, the signal can also contain noise,
and the detection of stator winding PD using such devices requires expertise or a sophisticated noise
separation technique.
RFCT’s coils can be installed around the ground cable to the surge capacitor as shown in Figure 8
(Reference [15]), on cables at motor terminals, on motor grounding conductors, and on connections to
ground from cable sheaths. One problem with applying them to surge capacitor ground cables is that there
14 © ISO 2013 – All rights reserved
is significant attenuation of the PD signal, which makes noise separation more difficult. Also, for a single
RFCT in a motor grounding (earthing) conductor, the PD from individual phases cannot be identified.
Key
1 bus-to-motor winding 3 surge capacitor grounding cable 5 insulation
2 surge capacitor 4 RFCT 6 coaxial cable for PD measurement
Figure 8 — Partial discharge measurement using RFCT in surge capacitor grounding
(earthing) cable
In the case of a CT encircling the primary conductor of a cable, which can be carrying significant 50 Hz
or 60 Hz current, there should be an air gap in the magnetic circuit of the CT to prevent saturation.
4.5.4 Insulation defects that partial discharge can detect
Every PD creates its own pulse. Some PD pulses are larger than others. In general, the magnitude of a
particular PD pulse is proportional to the size of the void or defect in which the PD occurred. Consequently,
the bigger the detected PD pulse, the larger the defect that originated the discharge. In contrast, smaller
defects tend to produce smaller PD pulses. The attraction of the PD test is that one concentrates on the
larger pulses and ignores the smaller pulses. The PD test enables the measurement of what the biggest
defects are. Since failure is likely to originat
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 20958
Première édition
2013-08-15
Surveillance et diagnostic des
systèmes de machines — Analyse de
la signature électrique des moteurs
triphasés à induction
Condition monitoring and diagnostics of machine systems —
Electrical signature analysis of three-phase induction motors
Numéro de référence
©
ISO 2013
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Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Analyse de la signature électrique de moteurs triphasés à induction .2
4.1 Généralités . 2
4.2 Analyse du courant statorique . 2
4.3 Analyse du courant, de la tension et de la puissance électriques .12
4.4 Analyse du flux magnétique.14
4.5 Analyse de la décharge partielle .14
4.6 Essai d’interférence électromagnétique .22
4.7 Analyse du courant rotorique .23
4.8 Analyse de la tension dans l’arbre .24
Annexe A (informative) Approche vectorielle de Park .25
Bibliographie .27
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne
la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/CEI, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2, www.iso.
org/directives.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant les
références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de l’élaboration
du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou sur la liste ISO des déclarations de brevets reçues,
www.iso.org/patents.
Les éventuelles appellations commerciales utilisées dans le présent document sont données pour
information à l’intention des utilisateurs et ne constituent pas une approbation ou une recommandation.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques,
et leur surveillance, sous-comité SC 5, Surveillance et diagnostic des systèmes de machines.
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Introduction
La présente Norme internationale fournit des lignes directrices sur la surveillance et le diagnostic
en fonctionnement de l’état des machines, dans le domaine de l’analyse de la signature électrique des
moteurs triphasés à induction.
Pour clarifier la situation et diriger l’attention sur les derniers développements en la matière, la présente
Norme internationale présente une vue générale de techniques de surveillance d’état bien établies ainsi
que de certaines techniques censées être moins bien connues.
NORME INTERNATIONALE ISO 20958:2013(F)
Surveillance et diagnostic des systèmes de machines —
Analyse de la signature électrique des moteurs triphasés à
induction
1 Domaine d’application
La présente Norme internationale spécifie des lignes directrices pour les techniques recommandées de
surveillance et de diagnostic d’état des machines en fonctionnement, d’après l’analyse de la signature
électrique. La présente Norme internationale est applicable aux moteurs triphasés à induction.
2 Références normatives
Les documents suivants, en totalité ou en partie, sont référencés de manière normative dans le présent
document et sont indispensables pour son application. Pour les références datées, seule l’édition citée
s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y
compris les éventuels amendements).
ISO 13372, Surveillance et diagnostic de l’état des machines — Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 13372 ainsi que les
suivants s’appliquent.
3.1
analyse du courant
analyse de la magnitude, de l’équilibre d’impédance et du résidu harmonique des trois courants
d’alimentation alimentant un moteur
3.2
analyse de la signature du courant
analyse spectrale effectuée sur le courant de phase alimentant un moteur pour déterminer l’existence
éventuelle de courants à des fréquences spécifiques qui indiqueraient la présence de défauts de composante
Note 1 à l’article: On a toujours mis l’accent sur une seule phase, mais de nouvelles techniques telles que le
vecteur de Park et l’analyse simultanée des tensions et intensités triphasées peuvent fournir des informations
supplémentaires.
3.3
moteur à induction
machine à courant alternatif asynchrone comprenant un circuit magnétique raccordé à deux circuits
ou jeux de circuits électriques, pivotant les uns par rapport aux autres, et dans laquelle la puissance
électrique est transférée d’un circuit à l’autre par induction électromagnétique
Note 1 à l’article: Il en existe deux types de base: les moteurs à induction à cage d’écureuil (SCI) et les moteurs à
induction à rotor bobiné.
3.4
moteur à induction à cage d’écureuil
moteur à induction dont le circuit secondaire est habituellement constitué par des barres insérées dans
les encoches du noyau rotorique et reliées entre elles à chacune de leurs extrémités à un anneau de
court-circuit
Note 1 à l’article: Les matériaux les plus courants constituant les barres et les anneaux de court-circuit sont le
cuivre, l’aluminium ou des alliages de ces matériaux.
3.5
moteur à induction à rotor bobiné
moteur à induction dans lequel le circuit secondaire comprend des enroulements polyphasés constitués
de bobines multitours isolées, chaque phase d’enroulement étant connectée à une bague collectrice
Note 1 à l’article: Le contrôle du courant statorique et rotorique pendant le démarrage ainsi que du couple et
de la vitesse du moteur pendant le fonctionnement est effectué en connectant des résistances externes ou un
convertisseur statique à chaque phase d’enroulement rotorique à l’aide de bagues collectrices et de brosses.
Note 2 à l’article: Ce type de moteur est également connu sous le nom de moteur à induction à bagues collectrices.
4 Analyse de la signature électrique de moteurs triphasés à induction
4.1 Généralités
La grande majorité des moteurs utilisés dans l’industrie sont des appareils à induction.
Les études de fiabilité montrent que les éléments les plus sensibles d’un moteur à induction sont: les
roulements; l’ensemble enroulement/noyau statoriques; et l’enroulement de la cage du rotor.
De nombreux articles ont été publiés sur diverses techniques de surveillance et de diagnostic,
collectivement appelées analyse de la signature électrique et utilisables pour surveiller l’état des
moteurs à induction. En général, ces techniques reposent sur l’analyse de signaux disponibles au niveau
de la boîte à bornes du moteur ou obtenus par le biais de transducteurs appropriés fixés sur la carcasse
du stator. Plusieurs de ces techniques sont présentées dans les paragraphes 4.2 à 4.8.
L’objectif de la surveillance d’état des moteurs triphasés à induction est d’évaluer l’intégrité du moteur
et d’émettre un avertissement précoce en cas de défauts. Pour faciliter cette tâche, il est possible
d’obtenir des informations sur l’état et l’intégrité d’un moteur à induction en analysant sa signature
électrique. Les variations du courant, de la tension et de la puissance électriques peuvent, à niveau égal,
être provoquées par le matériel entraîné, pas seulement par le moteur. Par conséquent, les exigences
de la présente Norme internationale, et l’analyse de la signature électrique, s’appliquent également à
l’évaluation de la condition mécanique du matériel entraîné.
Si un moteur est alimenté par un convertisseur de tension et de fréquence variables, veiller à tenir
compte des composantes courant et tension à la sortie de ces dispositifs car elles peuvent être mal
diagnostiquées en raison des défauts du moteur. Pour les techniques telles que l’analyse du courant
statorique (4.2) et l’analyse des décharges partielles (DP) (4.5), il est conseillé de bloquer la fréquence et
la tension du convertisseur lors de ces essais.
4.2 Analyse du courant statorique
4.2.1 Généralités
L’analyse du courant statorique consiste à mesurer le courant statorique. Cependant, comme le courant
statorique est également affecté par les flux d’entrefer et le courant rotorique, l’analyse du courant
statorique permet de détecter les problèmes suivants susceptibles d’affecter le rotor et le matériel entraîné.
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4.2.2 Analyse spectrale
L’analyse de la signature du courant (ASC) permet de détecter les problèmes suivants susceptibles
d’affecter un moteur à induction à cage d’écureuil et à rotor bobiné, notamment:
— barres de rotor fissurées;
— présence de cavités gazeuses dans le cas de cage rotorique coulée sous pression;
— connexions cassées entre la barre et l’anneau de court-circuit;
— anneaux de court-circuit fissurés;
— excentricité d’entrefer excessive;
— défauts de roulement;
— défaut d’alignement ou d’accouplement;
— spires d’enroulement statorique en court-circuit.
— défauts affectant le matériel entraîné.
Dans la liste, les problèmes les plus graves et dommageables sont les altérations de circuits rotoriques,
les excentricités d’entrefer et les défauts de roulement. Les défauts de roulement sont inclus car l’ASC
peut être utile pour confirmer les défauts également identifiés par la surveillance des vibrations.
L’ASC classique est effectuée en fonctionnement pour une valeur de charge proche de ou égale à la charge
normale. Le courant d’une phase du moteur est analysé en termes de niveau et de fréquence à partir du
signal délivré par une pince ampèremétrique posée autour d’un câble d’alimentation du moteur (voir la
Figure 1) ou situé au secondaire d’un transformateur de courant (TC) (voir la Figure 2). Des approches
plus récentes reposent sur l’analyse simultanée des courants et tensions triphasées et des relations
entre courant et tension (impédances).
Il convient d’interpréter avec prudence les résultats de l’analyse spectrale du courant statorique
lorsque le moteur entraîne une charge mécanique variable car différents phénomènes peuvent induire
un courant statorique présentant des fréquences caractéristiques similaires. Il peut être nécessaire
d’utiliser d’autres méthodes de discrimination pour séparer les différentes causes possibles.
4.2.3 Défauts de circuits rotoriques
La surveillance par ASC a révolutionné la détection des défauts de barres de rotor et d’anneaux de court-
circuit affectant les rotors à moteur à induction à cage d’écureuil (SCI). L’existence de composantes de
fréquences spécifiques dans le spectre de courant établi – moteur en fonctionnement normal – indique
la présence d’enroulements rotoriques défectueux pendant le fonctionnement normal du moteur.
La détection de barres de rotor cassées par ASC peut parfois être également confirmée par l’analyse
vibratoire des roulements. Les Références [19] et [27], qui datent de la fin des années 1970, contiennent
les premières analyses la signature du courant.
En termes simples, les courants circulant dans les enroulements statoriques dépendent non seulement
de l’alimentation électrique et de l’impédance de ces derniers, mais englobent également ceux induits
dans les enroulements statoriques par le champ magnétique créé par le rotor. En effet, les enroulements
statoriques sont des capteurs ou ‘transducteurs’ sensibles à tous les défauts susceptibles d’affecter le
rotor. L’enjeu fondamental est de séparer les courants qui circulent dans le stator pour entraîner le
rotor, des courants que le rotor induit en retour dans le stator en cas de problème. Cette séparation
est effectuée en mesurant les composantes du courant à des fréquences autres que celle du courant
d’alimentation, à l’aide d’un analyseur de spectres à haute résolution fréquentielle.
Les composantes supplémentaires du courant, induites par un défaut rotorique, se manifestent dans
le domaine spectral par la présence de bandes latérales associées à la composante fondamentale du
courant, dont les fréquences sont données par la Formule (1):
fk=±12 sf (1)
()
où
s est le glissement du rotor, en valeur réduite;
f est la fréquence fondamentale du courant d’alimentation;
k est égal à 1, 2, 3, etc.
Les courants rotoriques dans un enroulement à cage d’écureuil produisent un véritable champ
magnétique triphasé tournant de fréquence sf (fréquence de glissement par rapport à la fréquence
de rotation du rotor) qui a le même nombre de pôles que le champ statorique. L’asymétrie du courant
rotorique produit un champ tournant de même fréquence mais inversé par rapport au sens de rotation
du rotor. Cette asymétrie est le résultat de la cassure d’une ou plusieurs barres de rotor, ou d’un anneau
de court-circuit, qui empêche le courant de circuler dans ceux-ci. En ce qui concerne l’enroulement
statorique statique, ce champ tournant en arrière tourne en fait en avant à (1 − 2s) fois la vitesse
synchrone. Cela induit des courants dans l’enroulement statorique à une fréquence de f (1 − 2s) qui
est appelée bande latérale à double fréquence de glissement en raison des barres de rotor cassées. Ce
courant provoque une variation cyclique du courant qui entraîne une oscillation du couple sur le rotor
à une double fréquence de glissement (2sf ) et une oscillation de vitesse correspondante qui varie selon
l’inertie d’entraînement. Cette oscillation de vitesse du rotor crée une composante du courant de bande
latérale supérieure (Références [21]) à une fréquence de f (1 + 2s) qui est améliorée par le triple flux
harmonique. La présence de barres de rotor cassées induit, dans les enroulements statoriques, des
courants dont les fréquences sont données par la Formule (2):
ff=±12s (2)
()
sb 1
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Légende
1 câble d’alimentation 2 capteur de courant, n 3 moteur à induction à cage d’écureuil
Figure 1 — Mesure ASC du moteur à induction à cage d’écureuil sur un câble d’alimentation
Légende
1 câble d’alimentation
2 capteur de courant, n
3 capteur de courant, n
4 moteur à induction à cage d’écureuil
Figure 2 — Mesure ASC du moteur à induction à cage d’écureuil au secondaire d’un TC
Les fréquences des composantes induites autour de la composante fondamentale du courant 50 Hz
ou 60 Hz par la présence de barres cassées sont espacées de ±2sf1 et apparaissent sur un graphique
représentant l’amplitude logarithmique en fonction de la fréquence (par exemple comme à la Figure 3). Il
est important de noter que si le noyau rotorique possède le même nombre de bras d’araignée de support
que de pôles d’enroulement statorique, cela produira des bandes latérales ayant les mêmes fréquences
que celles des barres cassées (Référence [16]).
De plus, des organes de transmission tels que les boîtes de vitesse insérées entre moteur et récepteur
peuvent créer des bandes latérales symétriques autour de la composante fondamentale du courant
susceptibles de ressembler à celles générées par des altérations de circuits rotoriques. Il convient de
veiller à évaluer les bandes latérales autour de la composante fondamentale du courant de phase qui se
situent dans le domaine de celles générées par des cassures des enroulements de circuits rotoriques,
car il existe des défauts affectant des organes entraînés qui peuvent générer des profils similaires. En
particulier, les différents arbres d’une boîte de vitesse installée entre le moteur et le récepteur entraîné
peuvent produire une série de courants symétriques autour de la composante fondamentale du courant
de phase. La meilleure façon de différencier ces courants de ceux des ruptures de circuits rotoriques
consiste à réaliser des essais au niveau de deux charges significativement différentes pour voir s’il y a un
déplacement de bandes latérales qui est proportionnel au changement de glissement du rotor.
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Étant donné que, en présence de défaut rotorique, le courant statorique est modulé à deux fois la
fréquence de glissement, la fréquence de modulation, sf , est souvent proche de 1 Hz, ce qui crée un
bourdonnement basse fréquence facilement reconnaissable par un personnel qualifié.
a) Moteur de 60 Hz b) Moteur de 50 Hz
Figure 3 — Signatures du courant de moteurs ayant des barres cassées
Le courant est analysé avec un analyseur de spectres ou une unité personnalisée de traitement de signaux
numérisés. La Figure 3 donne des exemples de moteurs dont la fréquence du courant d’alimentation est
60 Hz et 50 Hz, ayant des barres de rotor cassées. Généralement, l’espacement des bandes latérales de la
composante fondamentale du courant d’alimentation est seulement de 0,3 à 3 Hz environ et l’intensité
des courants associés à ces dernières est habituellement 100 à 1 000 fois plus faible que celle associée
à la composante principale du courant d’alimentation. Le glissement «s» dépend du nombre de pôles et
d’encoches de la forme du rotor ainsi que de la nature des matériaux constituant le circuit rotorique.
La fréquence de modulation dépend non seulement de la vitesse de glissement à charge nominale mais
également du rapport relatif I/I , où I est le courant réel et I est le courant de pleine charge du moteur. Par
n n
conséquent, une résolution en fréquence et en amplitude exceptionnelle seront requises pour mesurer
précisément l’amplitude de ces bandes latérales. Pour cette raison, les amplitudes des composantes du
courant sont mesurées en décibels. S’il n’y a pas de ruptures de circuits rotoriques, alors les bandes
latérales sont inexistantes ou leurs amplitudes sont très faibles.
Pour détecter la présence de ruptures de circuits rotoriques, la fréquence de glissement doit être
connue avec exactitude. Dans les détecteurs précoces de «barre de rotor cassée», un stroboscope,
qui a directement détecté la vitesse du rotor (et ainsi permis de calculer le glissement), a été utilisé.
Le glissement peut aussi être détecté à l’aide d’une sonde à flux axial placée à côté de l’enroulement
rotorique (Référence [19]). Les moniteurs ASC actuels peuvent disposer de moyens internes pour estimer
le glissement depuis le courant (Référence [16]). Cela facilite grandement l’exécution de l’ASC. Certaines
de ces méthodes sont efficaces, mais nombreuses sont celles qui ont conduit à des erreurs de diagnostic
dans le cas de moteurs de faible puissance ou ayant un grand nombre de pôles ou ceux entraînant des
charges à fluctuations périodiques.
L’interprétation de base requiert une comparaison de l’amplitude de la bande latérale dont la fréquence
est inférieure à celle de la composante fondamentale du courant avec l’amplitude de cette dernière.
L’expérience montre que, si l’amplitude de cette bande latérale dépasse celle de la composante
fondamentale du courant d’alimentation (≤−50 dB), alors des ruptures de circuits rotoriques sont
probables. Plus l’intensité du courant associée à cette bande latérale est élevée (ou plus la fraction du
courant qu’elle représente par rapport celui dont la fréquence correspond à la fréquence d’alimentation
est importante), plus la détérioration des circuits rotoriques est grave. Comme avec la plupart des
autres moniteurs, il est préférable de prendre en considération l’évolution de l’amplitude de cette bande
latérale sur plusieurs années. Si son amplitude augmente au fil du temps à la même charge environ, alors
il est raisonnable de penser qu’un plus grand nombre de barres se sont cassées à plusieurs endroits. Les
Figures 3 a) et 3 b) illustrent un graphique indiquant les décibels et la fréquence d’un moteur ayant sept
barres cassées. À un moment donné, il peut y avoir suffisamment de barres rotoriques cassées pour
que le moteur ne parvienne pas à démarrer ou pour que certaines parties métalliques se détachent du
rotor, détruisant ainsi l’enroulement statorique. Il est possible que l’ASC ne détecte pas les cassures de
barres dans les moteurs de grande puissance à deux ou quatre pôles si les cassures se produisent sous
les bagues de retenue des développantes, car la bague de retenue elle-même peut permettre au courant
de continuer de passer.
Au début, la surveillance par ASC était sujette à donner de fausses indications (indiquant par exemple
qu’un rotor avait des problèmes alors qu’il n’en avait pas), et moins fréquemment, à ne pas détecter la
présence de défauts rotoriques. Ainsi, les premiers utilisateurs de cette technique d’investigation avaient
peu confiance dans les résultats. Toutefois, des améliorations au niveau de la théorie, des logiciels et des
analyseurs de spectres ainsi que la résolution des processeurs de traitement numérique des signaux ont
grandement fiabilisé la détection des défauts de circuits rotoriques (Référence [16]).
4.2.4 Surveillance de l’excentricité d’entrefer excessive
Une excentricité d’entrefer excessive peut être détectée en identifiant, dans la signature du courant, la
présence de composantes de niveaux anormaux à des fréquences spécifiques à ce type de défaut. Ces
fréquences spécifiques peuvent être calculées d’après la Formule (3) (Référence [25]):
11−s −s
ff= R ±η ± f (3)
ec 11 sws
p p
où
f sont les composantes fréquentielles qui sont fonction de l’excentricité de l’entrefer (Hz);
ec
f est la fréquence du courant d’alimentation (Hz);
R est le nombre d’encoches rotoriques qui est identique au nombre de barres du rotor;
s
η est égal à 1, 3, 5, etc. (le nombre entier 1 correspond à la composante fondamentale de la force
ws
ème
magnétomotrice (m,m,f), le nombre entier 3 correspond à la 3 harmonique, etc.);
s est le glissement du rotor, en valeur réduite;
p est le nombre de paires de pôles.
La Formule (3) comprend deux parties (Référence [26]): les fréquences de passage des encoches
rotoriques, f , données par la Formule (4):
rs
1−s
ff= R ±n (4)
rs 1 sws
p
et la fréquence de rotation du rotor, f , donnée par la Formule (5):
r
1−s
ff= (5)
r 1
p
Ainsi, l’excentricité de l’entrefer se manifeste par la présence d’une série de bandes latérales espacées de
±f obtenues à partir de la Formule (4) autour des composantes dont les fréquences correspondent aux
r
fréquences de passage des encoches rotoriques obtenues à partir de la Formule (5).
L’expérience a montré que les composantes du courant induites par le passage des encoches rotoriques
peuvent être plus facilement détectées dans le cas de moteurs dont les barres constituant la cage sont
parallèles à l’axe de rotation que dans le cas d’encoches rotoriques inclinées. L’inclinaison des barres
8 © ISO 2013 – Tous droits réservés
a pour effet de réduire l’amplitude des composantes du courant induites par le passage des encoches
rotoriques et donc celles des forces électromagnétiques associées, d’où une réduction des vibrations du
noyau statorique et du bruit rayonné. Avec un instrument présentant une capacité d’analyse de Fourier
rapide et une résolution suffisante, ces composantes et leurs bandes latérales associées peuvent être
détectées et leurs amplitudes mesurées.
Pour évaluer l’excentricité de l’entrefer du moteur d’après ce spectre, la composante fréquentielle de
passage des encoches rotoriques (RSPFC) ayant l’amplitude maximale est sélectionnée. La différence
entre l’amplitude moyenne (en décibels) des composantes (RSFC) espacées de cette dernière de ±f
r
(fréquence de rotation) et celle de la composante RSPFC choisie est ensuite déterminée (voir la Figure 4).
Plus la différence d’amplitude moyenne entre RSPFC et RSFC est faible, plus l’excentricité d’entrefer
entre le stator et le rotor est importante.
Légende
1 RSFC = (−f )
r
2 RSPFC
3 RSFC = (+f )
r
Figure 4 — Moteur présentant une importante excentricité d’entrefer
4.2.5 Détection de spires en court-circuit d’un enroulement statorique
Il a été démontré que la présence de spires en court-circuit dans un enroulement statorique à basse
tension génère dans le courant une série de composantes dont les fréquences dérivent de la Formule (6)
[2]
(ISO 13379 ):
η
ff=−1 sk± (6)
()
st 1
p
où
f représente les composantes du courant statorique induites par la présence de spires en court
st
circuit dans un enroulement statorique;
f est la fréquence du courant d’alimentation (Hz);
η est égal à 1, 2, 3, …;
k est égal à 1, 3, 5, …;
p représente les paires de pôles;
s est le glissement du rotor, en valeur réduite.
4.2.6 Surveillance des roulements
Les roulements produisent des composantes dans le courant statorique ayant un ensemble unique de
fréquences pour un défaut particulier. Ces fréquences dépendent de la taille du roulement ainsi que du
type et de l’emplacement d’un défaut. Ces fréquences peuvent être surveillées pour détecter les défauts
affectant la bague extérieure, la bague intérieure et les éléments roulants. Pour les roulements à billes
(ou rouleaux), les formules données dans le Tableau 1 peuvent être utilisées pour déterminer la présence
de ces défauts si les dimensions du roulement (voir la Figure 5) et le nombre de billes (ou rouleaux) sont
connus (Référence [19]).
Légende
1 angle de contact, β
2 diamètre des billes (ou rouleaux), D
ball
3 diamètre primitif, D
pit
Figure 5 — Dimensions du roulement à billes (ou rouleaux)
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Tableau 1 — Fréquences de défaut du roulement
Emplacement du défaut de Fréquence de défaut
roulement
Bille (ou rouleau) f = (D /D )f [1 − (D /D cosβ) ]
rb pit ball rm ball pit
Bague extérieure f = (n/2) f [1 − (D /D cosβ])
ro rm ball pit
Bague intérieure f = (n/2) f [1 + (D /D cosβ)]
ri rm ball pit
où
f est la fréquence de rotation du rotor, en tours par minute divisés par 60;
rm
n est le nombre de billes (ou rouleaux);
β est l’angle de contact;
D est le diamètre primitif;
pit
D est le diamètre des billes (ou rouleaux).
ball
Les fréquences de défaut des bagues intérieure et extérieure peuvent être approximées d’après les
formules de la Formule (7) si le nombre de billes (ou rouleaux) est compris entre 6 et 19.
fn=04, f
orm
(7)
fn=06, f
irm
Les formules approximées de la Formule (7) peuvent également être appliquées aux roulements
comprenant 12 à 18 billes (ou rouleaux).
Par conséquent, en utilisant un instrument capable de mesurer et d’identifier ces composantes du
courant pour déterminer si elles sont présentes et dominantes, l’emplacement des défauts de roulement
peut être identifié. En outre, l’évolution des amplitudes des harmoniques des composantes du courant
dues aux défauts de roulement peut être prise en compte pour vérifier si le roulement est vieillissant et
si une défaillance est imminente.
Certains logiciels d’instruments d’ASC incluent des informations concernant les dimensions des roulements
et calculent les fréquences de défauts spécifiques attendues données par les formules du Tableau 1.
4.2.7 Détection d’autres problèmes mécaniques
Toute variation de l’excentricité d’entrefer entraîne une modification du flux d’entrefer et de sa
composition spectrale. Dans le cas d’une excentricité dynamique, la position du rotor peut varier et
toute variation de l’entrefer produit des variations du flux d’entrefer. Par conséquent, ceci peut donner
des composantes de courant statorique dont les fréquences sont données par la Formule (8):
ff=±mf (8)
er1
où
f est la fréquence du courant d’alimentation;
f est la fréquence de rotation du rotor;
r
m est le nombre harmonique 1, 2, 3, …;
f est la fréquence des composantes du courant due aux variations d’entrefer.
e
Ainsi, les problèmes tels que défaut d’alignement de l’arbre/d’accouplement, usure du palier lisse et tout autre
problème mécanique, dont certains affectent le matériel entraîné, provoquant des perturbations dynamiques
du rotor peuvent être potentiellement détectés à partir de l’analyse du spectre du courant statorique.
4.2.8 Approche vectorielle de Park
L’approche vectorielle de Park est une approche mathématique visant à représenter trois phases sous
forme de deux phases orthogonales, ce qui simplifie grandement l’analyse. Cette technique peut être
utilisée pour surveiller les courants d’alimentation d’un moteur à induction à l’aide de la méthode
donnée dans l’Annexe A. Cette approche non invasive a fait ses preuves en environnement industriel
pour diagnostiquer les dysfonctionnements de moteurs triphasés à induction tels que déséquilibre des
tensions d’alimentation, excentricité d’entrefer, défauts entre spires d’enroulements statoriques, défaut
d’alignement mécanique, circuits rotoriques ouverts dans le cas de moteurs à rotor bobiné et barres de
rotor ou anneaux de court-circuit cassés dans le cas de moteurs à cage (Références [11]), [12], [13], [14]).
Une mise en œuvre avancée de l’approche vectorielle de Park, connue sous le nom d’approche vectorielle
étendue de Park (EPVA) améliore encore le diagnostic en fonctionnement des moteurs à induction
triphasés (voir Annexe A). Cette technique est applicable aux moteurs alimentés aussi bien directement
par le secteur que par des variateurs et permet également de diagnostiquer les défauts lorsqu’ils affectent
une seule phase ou plusieurs.
Pour différencier l’effet des défauts rotoriques de ceux associés aux variations périodiques de la charge
entraînée, l’approche vectorielle de Park synchronisé par rapport au repère tournant peut être utilisée
(voir Annexe A).
4.3 Analyse du courant, de la tension et de la puissance électriques
4.3.1 Généralités
En plus du courant d’alimentation du moteur, la tension d’alimentation est également facilement
accessible et peut donner des informations supplémentaires qui sont nécessaires à l’analyse de l’état du
moteur. La puissance électrique, qui est une grandeur directement associée au courant et à la tension,
acquiert une signification particulière dans ce contexte.
La surveillance des courants triphasés, des tensions d’alimentation phase-phase et de la puissance
absorbée à partir du disjoncteur du moteur, ou du centre de commande des moteurs (MCC) en
fonctionnement et lors des phases de démarrage peut permettre une identification précoce des défauts
affectant les circuits rotoriques et statoriques du moteur.
4.3.2 Essais en fonctionnement
Les essais en fonctionnement incluent ce qui suit.
— Courants non équilibrés dus aux déséquilibres d’impédance, ou tensions d’alimentation non
équilibrées: En général, un léger déséquilibre de la tension de phase crée un déséquilibre du courant
de phase bien plus important. L’effet des tensions non équilibrées sur les moteurs polyphasés à
induction équivaut à l’introduction d’une «tension inverse» ayant une rotation opposée à celle
observée avec les tensions de phase équilibrées. Cette tension inverse produit un flux d’entrefer qui
pivote par rapport à la rotation du rotor, ce qui a tendance à produire des courants plus élevés. Ces
courants provoquent une surchauffe dans les circuits statoriques et rotoriques si la charge du moteur
n’est pas réduite. Des courants de phase non équilibrés peuvent également résulter d’un déséquilibre
d’impédance des phases dû à des défauts tels que desserrage de connexions de résistances ou courts-
circuits d’isolation entre spires de la bobine. Ces derniers ne sont probablement détectés que si le
court-circuit d’isolation entre spires est très éloigné de la terre la plus proche.
— Tensions d’alimentation non équilibrées dues à un déséquilibre de charge affectant le système
d’alimentation électrique, ou à des pertes de serrage de connexions: Comme indiqué ci-dessus, un
léger déséquilibre de la tension peut créer un important déséquilibre du courant.
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— Surveillance de la puissance absorbée du moteur: Une augmentation de la consommation électrique
du moteur au fil du temps indique généralement une baisse de l’efficacité du matériel d’entraînement
due à une dégradation des composantes dans le moteur ou le matériel entraîné.
— Analyse harmonique de la tension: Cette analyse identifie la présence d’harmoniques dans la tension
d’alimentation du moteur provenant d’autres dispositifs tels que convertisseurs de fréquence. Ces
harmoniques peuvent être la cause de pertes supplémentaires dans le moteur qui augmentent la
température de fonctionnement de ses enroulements statoriques (Référence [27]).
4.3.3 Essais lors d’un démarrage
Les essais lors d’un démarrage incluent ce qui suit.
— Une augmentation du temps de démarrage du moteur peut traduire l’existence de défauts
rotoriques et/ou être la conséquence d’une augmentation du couple de l’équipement entraîné due à
la dégradation d’un de ses organes constitutifs.
— L’analyse du courant sur une séquence s’étendant de la fermeture du contacteur à l’atteinte de la
vitesse nominale du moteur peut confirmer la présence de courant transitoire élevé due à une faible
réactance subtransitoire dans les moteurs à haut rendement et d’autres causes de déclenchements
des protections électriques de ces derniers.
4.3.4 Systèmes de tension et de courant basés sur un modèle
Cette technique utilise les informations disponibles à partir des signaux de courant et de tension dans
les trois phases simultanément à partir de l’acquisition simultanée des trois phases du courant et de la
tension. Les systèmes basés sur un modèle permettent d’identifier bon nombre de phénomènes similaires
également observés par des techniques plus conventionnelles, englobant les domaines électriques,
mécaniques et opérationnels (Référence [17]).
Les systèmes basés sur un modèle utilisent les lignes illustrées à la Figure 6 ci-dessous et mesurent
le courant et la tension tandis que le moteur est en fonctionnement puis créent automatiquement un
modèle mathématique de la relation entre courant et tension. En appliquant ce modèle à la tension
mesurée, un courant modélisé est calculé et comparé au courant mesuré réel. Tout écart entre le
courant mesuré et le courant modélisé indique un défaut du moteur ou d’un organe entraîné, qui peut
être analysé en combinant l’approche vectorielle de Park pour simplifier les courants triphasés en deux
phases orthogonales (D&Q) et l’analyse de Fourier pour représenter graphiquement la densité spectrale
de la puissance et effectuer une évaluation algorithmique du spectre obtenu afin d’identifier les défauts
spécifiques ou les modes de défaillance.
Ces systèmes sont conçus pour être installés de façon permanente comme une solution de surveillance
plutôt que comme un dispositif de mesure à des fins de diagnostics ponctuels. Leurs sorties peuvent être
intégrées dans tout système de contrôlé procédé classique. Les courbes d’évolution sont automatiquement
tracées car les données sont acquises en permanence.
Le type de sortie que ces dispositifs peuvent créer inclue les écrans uniques, les affichages sous forme
de feux de signalisation de l’ensemble de l’équipement ainsi que le diagnostic d’un éventail de défauts
mécaniques, électriques et opérationnels et de graphiques de tendances indiquant comment ces
paramètres changent au fil du temps. L’intérêt de ce type de dispositif est qu’il peut être utilisé par des
opérateurs et agents d’entretien classiques sans avoir recours à une interprétation des spectres par un
spécialiste, même si les graphiques spectraux sous-jacents sont disponibles en cas de besoin.
Les défauts détectables englobent tout un éventail de problèmes mécaniques tels que déséquilibre, défaut
d’alignement et problèmes de roulement dans le moteur et le matériel entraîné, ainsi que des problèmes
électriques tels que claquage d’isolant, enroulements statoriques desserrés, problèmes d’encoches
rotoriques, déséquilibre de courant ou de tension et distorsion harmonique. Étant donné que ces systèmes
mesurent le courant et la tension, ils peuvent également surveiller la puissance et identifier les problèmes
provoqués par des conditions de fonctionnement inhabituelles et les causes de la perte de rendement.
Comme les systèmes basés sur un modèle n’examinent que la différence entre les courants réels et
les courants prévus, ils filtrent efficacement tous les signaux électriques normaux qui apparaissent
clairement lors de l’Analyse Spectrale du Courant (ASC), ce qui en simplifie grandement l’analyse.
Comme ces systèmes reposent sur la relation entre tension et courant, ils conviennent bien aux systèmes
entraînés par des variateurs qui délivrent une tension d’entrée à fréquence variable présentant un taux
de distorsion harmonique élevé. Les systèmes basés sur un modèle filtrent efficacement tout le bruit du
signal de tension à partir du signal de courant obtenu, ce qui ne laisse que les défauts sous-jacents.
La facilité d’utilisation et le faible coût de ce type de matériel le rend approprié pour surveiller les
équipements dont le coût et la criticité sont moins élevés.
Figure 6 — Système de surveillance de la tension et du courant basé sur un modèle
4.4 Analyse du flux magnétique
Toute distorsion de la densité du flux d’entrefer due à des défauts rotoriques ou statoriques crée un flux
homopolaire axial dans l’arbre qui peut être détecté par une bobine exploratrice fixée autour de l’arbre.
Une gamme de défauts statoriques et rotoriques peut être déduite à partir du spectre du flux axial obtenu
en effectuant une transformée de Fourier du signal délivré par un capteur de flux. Cette technique est
applicable à une vaste gamme de moteurs mais il se peut que, pour certains types de moteurs, le boîtier
atténue l’amplitude du flux axial détecté par une bobine exploratrice montée à l’extérieur de celui-ci.
Il est alors difficile d’effectuer l’estimation quantitative du niveau d’endommagement sans prendre les
empreintes de chaque moteur.
4.5 Analyse de la décharge partielle
4.5.1 Principes de la décharge partielle
L’avertissement de court-circuit électrique naissant dans l’enroulement statorique d’un moteur peut
être obtenu par la mesure en fonctionnement de l’activité de décharge partielle (DP). La dégradation
progressive de l’isolation des enroulements entraîne une augmentation de l’activité de DP, mais une
relation quantitative entre cette activité et la durée de vie restante de l’isolation, qui est nécessaire pour
la surveillance de l’état, n’a pas encore été prouvée avec succès.
Les DP sont de petites étincelles électriques qui se produisent dans des enroulements statoriques
[6]
conventionnels de 50 Hz ou 60 Hz de tension nominale de 3,3 kV ou plus (CEI 60270 et Référence [23]).
Les DP sont inexistantes ou négligeables dans les enroulements statoriques de bonne fabrication qui sont
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en bon état. Toutefois, si l’isolation des enroulements statoriques est mal conçue, ou si un enroulement
s’est détérioré en raison d’une surchauffe, d’un mouvement de bobine ou d’une contamination, des
DP se produisent. Un essai de DP mesure directement les courants d’impulsion résultant des DP dans
[7] [5]
un enroulement. Comme décrit dans l’IEEE 1434 et dans la CEI/TS 60034-27-2 pour les stators à
enroulement préformé, il existe plusieurs méthodes d’essai. Les méthodes décrites ici s’appliquent aux
moteurs en fonctionnemen
...
Questions, Comments and Discussion
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