Essai de comparaison par ondes de choc des enroulements de moteurs et de générateurs

De quoi il s’agit

L’essai de comparaison par ondes de choc, aussi appelé essai de choc ou essai d’impulsion, vérifie l’isolation entre les spires d’un enroulement. Un appareil d’essai de choc envoie une série d’impulsions de tension identiques et très rapides dans un enroulement ou une phase et, simultanément ou en alternance rapide, dans un autre enroulement qui devrait lui être électriquement identique. L’onde réfléchie de chaque enroulement est affichée sur un écran ou enregistrée par un analyseur, et les deux tracés sont comparés. Si les enroulements sont semblables et sains, les tracés se superposent. Si l’un présente une spire en court-circuit ou une isolation de spires affaiblie, son tracé se décale ou change de forme, et l’écart est visible. L’essai s’applique aux enroulements de stator des moteurs et générateurs triphasés à induction et des machines synchrones, aux enroulements d’induit et d’excitation des machines à courant continu, ainsi qu’aux enroulements d’excitation et aux bobines de pôles lorsqu’il existe des parties identiques. Il figure comme mesure facultative dans les normes de réception et d’entretien. On l’apprécie parce que l’isolation entre spires est une partie de l’enroulement qu’aucune lecture ordinaire de résistance d’isolement, essai à la terre ou mesure de résistance d’enroulement ne vérifie bien.

Pourquoi on le fait

Dans un enroulement, la tension entre spires adjacentes est une petite fraction de la tension à la terre en fonctionnement normal, mais elle peut devenir beaucoup plus grande lors de manœuvres, de démarrages avec un long câble ou d’un fonctionnement à partir d’un variateur électronique, parce que les impulsions à front raide ne se répartissent pas uniformément le long de la bobine et se concentrent sur les premières spires. Une isolation affaiblie par la chaleur, l’humidité, la contamination, les vibrations, des défauts de fabrication ou un défaut antérieur peut céder entre spires alors que l’isolation à la terre est encore saine. Un court-circuit entre spires forme une boucle fermée où circule un fort courant, surchauffe localement et tend à évoluer en défaut à la terre, avec des dommages au noyau et un long arrêt. Les essais de résistance et de polarisation ne le voient pas, car l’isolation à la terre n’est pas touchée, et la résistance de l’enroulement peut changer trop peu pour qu’on le remarque. L’essai de comparaison par ondes de choc décèle la faiblesse à un stade précoce, pendant la réception ou un arrêt planifié, alors qu’une réparation, un rebobinage ou une décision sur les conditions de service demeurent possibles. Il vérifie aussi qu’un enroulement neuf ou rebobiné a été construit correctement et que deux enroulements nominalement identiques le sont réellement.

Le principe

Un enroulement se comporte comme un réseau d’inductance et de capacité. Lorsqu’on applique une impulsion rapide de tension, elle se propage dans l’enroulement et sa forme est réfléchie d’une manière qui dépend de l’inductance, de la capacité et des pertes de la bobine. Deux enroulements identiques donnent des ondes réfléchies identiques; la comparaison est donc un moyen très sensible de repérer une différence. Une spire en court-circuit réduit l’inductance de l’enroulement, ce qui change la fréquence de l’oscillation qui suit l’impulsion et décale latéralement la forme d’onde, et elle augmente aussi l’amortissement. Une isolation de spires affaiblie qui cède momentanément sous l’impulsion produit un saut ou un effondrement soudain du tracé à une certaine tension. La tension de l’impulsion est élevée graduellement; l’essai sollicite donc aussi l’isolation entre spires, et un point faible peut se révéler en cédant avant que le niveau d’essai nominal soit atteint. Comme la comparaison se fait entre enroulements et non par rapport à une forme d’onde étalon fixe, le résultat ne dépend ni de la taille ni de la puissance de la machine, et l’on part du principe que les trois phases, ou deux bobines identiques, doivent concorder.

Comment on le réalise

La machine est mise hors tension, isolée de toute source, vérifiée absente de tension et mise à la terre selon les procédures de cadenassage et de permis du propriétaire, et les câbles, condensateurs, protections contre les surtensions et le variateur électronique sont déconnectés de l’enroulement, car les impulsions ne doivent pas atteindre d’autres équipements. Les enroulements sont propres et secs, et les autres connexions de l’enroulement, y compris le pont du neutre d’un couplage en étoile, sont ouvertes selon l’exigence de la procédure pour que chaque phase puisse être mise à l’essai séparément. L’appareil d’essai de choc est raccordé entre deux phases, ou entre un enroulement et son jumeau, l’enroulement restant et la carcasse étant à la terre comme l’indiquent les instructions. La tension d’essai est choisie à partir de la tension nominale de la machine selon la procédure applicable et les recommandations du fabricant, et elle est élevée à partir d’un niveau bas par paliers pendant qu’on surveille l’écran, jusqu’au niveau visé et pas au-delà. Les tracés des deux enroulements sont comparés à chaque palier, puis la connexion est changée pour couvrir toutes les combinaisons, par exemple A avec B, B avec C et C avec A. Tout signe de décalage, de dédoublement ou de saut soudain est examiné en reprenant l’essai et en vérifiant les connexions et la propreté de l’enroulement. À la fin, la tension est ramenée à zéro, l’enroulement est déchargé et mis à la terre, et la température de l’enroulement et les conditions sont notées.

Ce qui est consigné

Le relevé comprend les combinaisons d’enroulements mises à l’essai, la tension d’essai atteinte pour chacune, les formes d’onde observées ou leur comparaison, et une note indiquant si les tracés concordaient ou se sont séparés et à quel endroit. Il consigne aussi le type et l’identité de la machine, la température et la propreté de l’enroulement, le montage de raccordement, l’instrument et son état d’étalonnage, ainsi que les essais répétés pour confirmer une indication. Pour les machines comptant plusieurs bobines ou pôles identiques, les bobines comparées sont identifiées. Ces éléments permettent à un lecteur ultérieur de comparer les nouveaux tracés avec les anciens et de distinguer un changement réel de l’enroulement d’une différence de montage.

Comment les résultats sont jugés

Aucune valeur isolée ne décide si un enroulement est acceptable, et cette page n’en donne aucune. La comparaison par ondes de choc se juge en comparant les formes d’onde entre des enroulements qui devraient être identiques, ce qui est le critère premier et principal. Des tracés qui se superposent étroitement tout au long de l’essai suggèrent une isolation entre spires saine, tandis qu’un décalage visible de fréquence, un changement d’amplitude ou d’amortissement, ou un saut soudain signale un défaut en développement. Le deuxième critère est le comportement lorsque la tension monte, car un tracé qui reste stable jusqu’à la cible puis change diffère d’un tracé qui bouge dès le départ. Le troisième est la répétabilité, puisqu’un résultat qui apparaît et disparaît quand on change une connexion oriente vers un problème de montage. Le quatrième est la tendance par rapport aux résultats antérieurs de la même machine. Le cinquième est le recoupement avec les résultats de résistance d’enroulement, de résistance d’isolement et de décharges partielles. Le caractère facultatif de l’essai dans ANSI/NETA ATS-2025 et ANSI/NETA MTS-2023 donne du poids aux critères du propriétaire et à l’expérience de l’agence d’essai. Pour le texte qui fait autorité et toute recommandation de tension d’essai, reportez-vous à votre propre exemplaire sous licence des normes citées.

Variantes

Les essais de réception et d’entretien diffèrent par leur objectif. À la réception, l’essai vérifie les enroulements neufs ou rebobinés à la recherche de défauts de fabrication et d’installation, et les tracés conservés servent de référence. En entretien, il permet de dépister les machines qui fonctionnent depuis des années, surtout celles qui sont alimentées par variateur, qui démarrent souvent ou qui ont subi une surcharge ou un défaut antérieur. Le type de machine modifie les détails. Sur les stators triphasés à induction et synchrones, les phases sont comparées entre elles. Sur les machines à courant continu, ce sont les bobines d’induit ou les pôles d’excitation qui sont comparés, et la comparaison du comportement des pôles peut être appuyée par une vérification de chute de tension aux pôles. Les grosses machines synchrones peuvent comporter des enroulements d’excitation au rotor, et l’essai se fait alors avec le rotor en place ou retiré. Les bobines préformées et les bobinages en vrac se comportent différemment, et les machines à circuits parallèles peuvent être plus difficiles à lire. L’essai de choc complète, sans jamais les remplacer, les mesures de résistance d’isolement, de décharges partielles et d’augmentation du facteur de puissance, qui examinent l’isolation principale, ainsi que la mesure de résistance d’enroulement, qui examine le conducteur.