Calculateur pour moteurs électriques selon la CEI 60034-1

Ce que fait ce calculateur

Il regroupe en six onglets les calculs de la CEI 60034-1:2004 les plus utilisés pour essayer ou réceptionner un moteur électrique : l’échauffement de l’enroulement et sa limite, la correction quand la première lecture arrive tard, la qualité de la tension d’alimentation (harmoniques et déséquilibre), la zone de fonctionnement selon la tension et la fréquence, et les tolérances sur les valeurs du rapport d’essai. Il concerne les moteurs et machines tournantes. Pour les transformateurs de puissance, il existe le calculateur d’essais des transformateurs.

1. Échauffement par la méthode de résistance

La température moyenne d’un enroulement se déduit de l’augmentation de sa résistance (8.6.2.2) :

(θ₂ + k)/(θ₁ + k) = R₂/R₁ et Δθ = (R₂ − R₁)/R₁·(k + θ₁) + θ₁ − θc

avec k = 235 pour le cuivre et 225 pour l’aluminium, θ₁ et R₁ à froid, R₂ en fin d’essai thermique et θc la température du fluide de refroidissement en fin d’essai.

Limite (tableau 7). Pour les enroulements à courant alternatif refroidis indirectement par air et mesurés par résistance :

Avec la méthode de superposition, les machines de classe B ou F de 200 kW ou moins ont droit à 5 K de plus. En service S2 sous 5000 kW, à 10 K de plus (tableau 9).

Ajustement au site (tableaux 9 et 10). Les limites supposent un fluide de refroidissement à 40 °C et une altitude jusqu’à 1000 m. Si le fluide du site est plus froid, la limite augmente de l’écart. Si la marge entre la classe thermique et 40 °C plus la limite dépasse 5 K, cette augmentation est réduite par le facteur 1 − (classe − (40 + limite))/80 K. S’il est plus chaud (jusqu’à 60 °C), la limite diminue de l’écart. Au-delà de 1000 m, la référence de 40 °C est remplacée par la valeur du tableau 10. Si la température ambiante n’est pas spécifiée, on suppose que l’air plus froid en altitude compense le moins bon refroidissement, et rien n’est ajusté.

Ajustement au lieu d’essai (tableau 11). Si l’essai a lieu à une autre altitude, la limite est multipliée par 1 + (Hr − H)/10 000 m, les altitudes inférieures à 1000 m comptant pour 1000 m.

Exemple résolu

Moteur de 75 kW, classe F, enroulement en cuivre. À froid : 1,200 Ω à 20 °C. En fin d’essai d’échauffement : 1,560 Ω, avec l’air de refroidissement à 25 °C.

• θ₂ = 1,560/1,200·(235 + 20) − 235 = 96,5 °C
• Δθ = 96,5 − 25 = 71,5 K
• Limite du tableau 7 en classe F : 105 K. Marge de 33,5 K : conforme, et même conforme à la limite de la classe B (80 K), ce qui correspond à la conception habituelle des moteurs de classe F.
• Si l’air du site ne dépassait pas 30 °C : marge = 155 − (40 + 105) = 10 K, supérieure à 5 K → la limite augmente de 10·(1 − 10/80) = 8,75 K, jusqu’à 113,75 K.

2. Correction du temps d’arrêt

Avec la mesure directe, la résistance se lit après la coupure. La lecture est acceptée sans correction si elle intervient dans l’intervalle du tableau 5 :

Si elle arrive plus tard, mais avant le double de ce temps, on poursuit les lectures chaque minute jusqu’à une décroissance nette. La courbe de température est extrapolée à l’intervalle du tableau 5 en échelle semi-logarithmique (8.6.2.3.3). Le calculateur ajuste ln θ en fonction du temps à partir des lectures depuis le maximum. Si une lecture ultérieure est plus élevée, on retient la plus élevée. Au-delà du double de l’intervalle, la méthode n’est utilisable que par accord.

Dans l’exemple, un moteur de 160 kW (intervalle de 90 s) dont la première lecture arrive à 150 s, avec 1,548, 1,541, 1,535 et 1,529 Ω chaque minute, donne 95,3 °C extrapolés à 90 s.

3. Facteur de tension harmonique (HVF)

Un moteur à courant alternatif alimenté à fréquence fixe doit supporter une tension avec (7.2.1.1) :

HVF = √(Σ uₙ²/n), n de 2 à 13, uₙ étant l’harmonique de rang n en p.u. de la tension assignée.

Pour les moteurs triphasés, les harmoniques multiples de 3 ne sont pas comptés. La limite est 0,02, ou 0,03 pour les moteurs de conception N (CEI 60034-12), sauf déclaration contraire du constructeur. Avec 3 % de rang 5, 2 % de rang 7 et 1 % de rangs 11 et 13, le HVF vaut 0,016.

4. Déséquilibre de l’alimentation

Un moteur triphasé doit fonctionner avec une composante inverse jusqu’à 1 % de la directe en permanence, ou 1,5 % pendant quelques minutes, et une composante homopolaire jusqu’à 1 % (7.2.1.1). Les modules des trois tensions composées donnent la composante inverse :

β = (U₁₂⁴ + U₂₃⁴ + U₃₁⁴)/(U₁₂² + U₂₃² + U₃₁²)², u₂ = √[(1 − √(3 − 6β))/(1 + √(3 − 6β))]

L’homopolaire exige les phaseurs phase-neutre. Avec 400, 396 et 404 V entre phases, la composante inverse est de 1,15 % : admissible seulement quelques minutes.

5. Zones A et B de tension et de fréquence

La figure 12 de la norme définit deux zones pour les moteurs alimentés à fréquence fixe (7.3) :

• Zone A : tension de 0,95 à 1,05 p.u., fréquence de 0,98 à 1,02 p.u., avec deux coins coupés. Le moteur doit assurer sa fonction principale en continu, même s’il s’écarte un peu de ses caractéristiques assignées. En bordure de zone, l’échauffement dépasse généralement la limite d’environ 10 K.
• Zone B : tension de 0,90 à 1,10 p.u., fréquence de 0,95 à 1,03 p.u., coins coupés également. Il doit assurer sa fonction principale, avec des écarts plus grands. Un fonctionnement prolongé en bordure de zone n’est pas recommandé.

Un moteur de 400 V alimenté sous 376 V à 49,5 Hz se trouve en zone B.

6. Tolérances (tableau 20)

Exemple de la règle du rendement : un moteur de 75 kW déclaré à η = 95,0 % est conforme s’il mesure au moins 95,0 − 0,15·5,0 = 94,25 %.

Ce que ce calculateur ne fait pas

Il ne s’applique pas aux transformateurs. Il ne couvre que les enroulements à courant alternatif refroidis indirectement par air : ni refroidissement à l’hydrogène ou à eau directe (tableaux 8, 12 à 14), ni enroulements d’excitation ou à collecteur. Il ne calcule pas le rendement par pertes séparées (CEI 60034-2-1) ni la classe IE (CEI 60034-30-1). Il suit l’édition 2004 de la CEI 60034-1. Les éditions ultérieures peuvent modifier certaines valeurs, vérifiez donc celle à laquelle renvoie votre contrat. Le résultat est indicatif et doit être validé par un ingénieur compétent.

Avec quoi le mesurer

La résistance de l’enroulement se mesure avec des micro-ohmmètres, et l’isolement avec des mesureurs de résistance d’isolement. Les harmoniques et le déséquilibre de l’alimentation s’enregistrent avec un analyseur de réseau.