Solution de maintenance prédictive par diagnostic pour améliorer l'efficacité et la durabilité des moteurs électriques

La diminution de l'efficacité des moteurs causée par des défaillances ou anomalies des moteurs peut persister sur de longues périodes et engendrer des pertes économiques significatives, en faisant un problème de plus en plus préoccupant. Pour améliorer l'efficacité opérationnelle des moteurs, il est essentiel d'adopter des solutions de maintenance prédictive diagnostique qui garantissent des performances moteur à haute efficacité. Cet article présente comment les défaillances courantes des moteurs affectent l'efficacité des moteurs et comment le Smart Motor Sensor (SMS) d'Analog Devices et les solutions associées peuvent améliorer l'efficacité opérationnelle des moteurs.

L'industrie 4.0 est considérée comme une nouvelle ère dans la fabrication, intégrant technologie, robotique, intelligence artificielle et automatisation pour créer des processus de fabrication très efficaces et productifs. Les applications industrielles représentent 30 % de la consommation d'énergie mondiale, avec 70 % de cette énergie consommée par les moteurs. Si les moteurs fonctionnaient à efficacité maximale, la consommation mondiale d'électricité pourrait potentiellement être réduite de 10 %. Mais comment cet objectif peut-il être atteint ? Les preuves montrent que l'amélioration de l'efficacité opérationnelle grâce à la surveillance basée sur l'état et la maintenance prédictive (CbM/PdM) optimise la performance en matière de productivité, de qualité et de gestion logistique, ce qui aide à atteindre les indicateurs de durabilité.

Au cours des dernières années, compte tenu de la forte consommation d'énergie des moteurs, les fabricants ont investi un effort important dans la conception de moteurs à induction plus efficaces. Cependant, un facteur qui impacte significativement l'efficacité des moteurs est souvent négligé. En général, les moteurs industriels fonctionnent avec des rendements allant de 50 % à 85 %, et une mauvaise santé du moteur peut entraîner une diminution notable de l'efficacité énergétique. Les valeurs d'efficacité nominales fournies par les fabricants ne sont valables que dans des conditions idéales de moteur, c'est-à-dire sans anomalies, défauts ou pannes significatifs pendant le fonctionnement. Si une défaillance se produit, même à ses premiers stades, l'efficacité du moteur sera compromise.

Les pertes de puissance des moteurs se divisent principalement en deux catégories : les pertes de puissance intrinsèques, telles que les pertes par effet Joule (résistives, effet de peau), les pertes fer (courants de Foucault, hystérésis), et les pertes mécaniques (friction, ventilation). Les pertes de puissance intrinsèques peuvent être minimisées lors de la phase de conception du moteur. De plus, il existe des pertes de puissance d'anomalie, qui incluent des pertes supplémentaires causées par des conditions sous-optimales du moteur, telles que des défauts de barres du rotor, des défauts d'enroulement du stator, des défauts d'alignement de l'arbre moteur, des défauts de pied mou, et des défauts de moteur de ventilateur de refroidissement, qui réduisent tous l'efficacité du moteur. Maintenir les moteurs dans des conditions de fonctionnement optimales peut minimiser les pertes de puissance d'anomalie, ce qui est étroitement lié aux stratégies de maintenance.

OtoSense SMS d'ADI est une solution complète clé en main basée sur l'IA pour le matériel et le logiciel pour CbM et PdM des moteurs électriques industriels. Elle combine une technologie de détection avancée et l'analyse de données pour surveiller les conditions des moteurs. La solution se compose d'un sous-système matériel et d'un sous-système logiciel, ce dernier incluant une plateforme cloud, une application web et une application mobile, avec la plateforme cloud disposant d'un algorithme AI basé sur l'apprentissage machine pour le diagnostic des pannes de moteurs.

OtoSense SMS intègre plusieurs capteurs haute performance développés par ADI, y compris deux accéléromètres MEMS à faible bruit et haute fréquence (ADXL1002) pour la détection des vibrations des axes x et z, ainsi que deux capteurs de température numériques haute précision 16 bits (ADT7420) pour surveiller le cadre du moteur et la température ambiante. De plus, il inclut un capteur de champ magnétique pour la détection de la vitesse du moteur et le diagnostic des défauts électriques, ainsi qu'un processeur Wi-Fi pour la collecte des données et leur conditionnement pour le transfert Wi-Fi à 2,4 GHz. OtoSense SMS est une solution exceptionnelle sur le marché pour la détection et l'interprétation des données machines.

Utiliser OtoSense SMS pour améliorer l'efficacité opérationnelle des moteurs aide à maximiser les avantages économiques en réduisant les pannes de moteur et en évitant les arrêts non planifiés. De plus, l'efficacité des moteurs joue un rôle fondamental dans les économies de coûts par opération, car les moteurs à haute efficacité consomment moins d'énergie électrique que les moteurs à efficacité standard. La recherche montre que différents types de pannes impactent l'efficacité des machines à des degrés divers, notamment les pannes de rotor, l'asymétrie des enroulements de stator, les défaillances du système d'isolation, le déséquilibre/mauvais alignements et les défaillances du système de ventilation.

La plateforme cloud fournit des informations approfondies sur les conditions de fonctionnement des moteurs et les besoins de maintenance. En exploitant les analyses de maintenance prédictive propriétaires OtoSense SMS, les utilisateurs peuvent identifier les neuf défauts moteurs les plus courants à un stade précoce et les résoudre avant qu'ils n'affectent le fonctionnement du moteur. Pour chaque défaut moteur, un indice de score de défaut (FSI) est calculé pour indiquer la gravité des défauts moteurs. Le FSI varie de 0 à 10. Un FSI supérieur à 7 indique que le moteur est en bon état de santé, tandis qu'un FSI entre 5 et 7 signale un défaut à un stade précoce, déclenchant une notification d'avertissement de faible gravité par email. Les moteurs en état d'avertissement peuvent encore fonctionner normalement pendant une certaine période, mais comme ils ne sont plus en condition optimale, leur efficacité opérationnelle va diminuer.

Le bénéfice économique significatif d'OtoSense SMS réside dans la réduction des coûts grâce à l'amélioration de l'efficacité des moteurs. Alors que de plus en plus d'entreprises se concentrent sur l'efficacité opérationnelle, la réduction des temps d'arrêt imprévus et l'atteinte des objectifs de durabilité, l'adoption des technologies CbM et PdM est devenue impérative. La technologie OtoSense SMS fournit la surveillance en temps réel de l'état du moteur, la détection précoce des pannes et des actions de dépannage recommandées. La détection et l'élimination précoces des défauts des moteurs non seulement préviennent les pannes et arrêts inattendus, mais garantissent également que les moteurs fonctionnent à haute efficacité, entraînant des économies d'énergie. Les entreprises visant à améliorer l'efficacité opérationnelle et à atteindre les objectifs de durabilité dans la prochaine décennie doivent mettre en œuvre ces recommandations.

Par exemple, OtoSense SMS peut être utilisé pour la surveillance des compresseurs. Les compresseurs sont parmi les équipements les plus critiques dans les usines, et les dispositifs OtoSense SMS peuvent être installés pour permettre une surveillance continue 24/7. OtoSense SMS peut également être appliqué aux systèmes de manutention de matériaux, tels que les convoyeurs à bagages passagers des aéroports, qui sont des applications motorisées à haute densité. En adoptant la solution OtoSense SMS, les défauts de roulement à un stade précoce peuvent être détectés, et des notifications d'alerte peuvent être envoyées aux clients, évitant ainsi des dommages permanents aux roulements et évitant des temps d'arrêt imprévus du système, ce qui permet d'économiser sur la consommation d'énergie opérationnelle et les coûts de maintenance.

Le ADT7420, faisant partie de la solution ADI OtoSense SMS, est un capteur de température numérique haute précision dans un boîtier LFCSP de 4 mm × 4 mm, offrant des performances révolutionnaires sur une large plage de températures industrielles. Il dispose d'une référence de température à bande interdite interne, d'un capteur de température et d'un ADC 16 bits pour surveiller et numériser la température avec une résolution de 0,0078°C. La résolution par défaut de l'ADC est fixée à 13 bits (0,0625°C). La résolution de l'ADC est programmable par l'utilisateur et peut être ajustée via une interface série.

L'ADT7420 est garanti pour fonctionner dans une plage de tension d'alimentation de 2,7 V à 5,5 V. À 3,3 V, le courant d'alimentation moyen est typiquement de 210 µA. L'ADT7420 comprend un mode d'arrêt qui éteint l'appareil, avec un courant d'arrêt typique de 2,0 µA à 3,3 V. Sa plage de température de fonctionnement nominale est de -40°C à +150°C.

Les broches A0 et A1 sur l'ADT7420 sont utilisées pour la sélection d'adresse, offrant quatre adresses I2C possibles. La broche CT est une sortie à drain ouvert qui s'active lorsque la température dépasse une limite critique programmable. La broche INT est également une sortie à drain ouvert qui s'active lorsque la température dépasse une limite programmable. Les broches INT et CT peuvent fonctionner en modes comparateur et événement d'interruption.

Pour accélérer le développement de produits, ADI propose également des cartes d'évaluation compatibles, y compris l'EV-TempSense-ARDZ, une plateforme pour évaluer les capteurs de température avec une précision de ±0,1°C, ±0,25°C et ±0,5°C. De plus, l'EVAL-ADT7420-PMDZ est une carte PMOD supportant une mesure de température de ±0,25°C, tandis que l'EV-COG-AD3029 est une plateforme de développement Cog ADuCM3029 pour des applications ultra-basse consommation. L'EV-COG-AD4050 est la variante ADuCM4050 de la plateforme de développement Cog, conçue pour la technologie ultra-basse consommation d'ADI dans les portefeuilles de MCU et de transcepteurs RF.

Les ADXL1001/ADXL1002 d'ADI sont des accéléromètres MEMS à basse bruit et haute fréquence de ±100 g/±50 g qui offrent une densité de bruit ultra-faible sur une large gamme de fréquences avec deux options d'échelle complète, optimisées pour la surveillance conditionnelle industrielle. L'ADXL1001 (±100 g) et l'ADXL1002 (±50 g) présentent des densités de bruit typiques de 30 µg/√Hz et 25 µg/√Hz, respectivement. Les deux accéléromètres offrent une sensibilité stable et reproductible et peuvent supporter des chocs externes allant jusqu'à 10,000 g.

Les ADXL1001/ADXL1002 incluent un autodiagnostic électrostatique intégré complet (ST) et un indicateur de dépassement de plage (OR), permettant des fonctionnalités avancées au niveau du système pour les applications embarquées. Avec une faible consommation d'énergie et un fonctionnement à alimentation unique de 3,3 V à 5,25 V, ils prennent également en charge la conception de produits de détection sans fil. Les ADXL1001/ADXL1002 sont disponibles dans un boîtier LFCSP de 5 mm × 5 mm × 1,80 mm et fonctionnent sur une plage de température de -40°C à +125°C.

Les ADXL1001/ADXL1002 sont des accéléromètres à axe unique avec sortie analogique, offrant une plage de réponse en fréquence linéaire de DC à 11 kHz (point à 3 dB) et une fréquence de résonance de 21 kHz. Ils présentent une densité de bruit ultra-faible, une détection de dépassement de plage avec couplage DC pour une récupération rapide, un auto-test électromécanique complet et une performance de sensibilité. La stabilité de sensibilité à la température est de 5 %, la linéarité est de ±0,1 % de la plage complète, et la sensibilité aux axes croisés est de ±1 % (ZX) et ±1 % (YX). Ils fonctionnent avec une seule alimentation avec une tension de sortie ratiométrique et consomment seulement 1,0 mA de puissance. Un mode veille économe en énergie avec récupération rapide est également pris en charge, et les dispositifs sont conformes RoHS. Les ADXL1001/ADXL1002 sont largement utilisés dans le suivi de l'état, la maintenance prédictive, la santé des actifs, les tests et les mesures, et les Systèmes de Surveillance de l'État et de l'Utilisation (HUMS). ADI propose également la carte d'évaluation ADXL1001/ADXL1002 pour l'utilisation par les clients.

En adoptant des technologies de diagnostic et de maintenance prédictive, l'efficacité et la durabilité des systèmes moteurs peuvent être considérablement améliorées. La combinaison de données de capteurs, de l'informatique en périphérie et d'intelligence artificielle permet non seulement la surveillance en temps réel des conditions des moteurs et la prévention proactive des pannes, mais elle prolonge également la durée de vie des équipements, réduit la consommation d'énergie et diminue les coûts de maintenance. L'ADI OtoSense SMS présenté dans cet article illustre comment la maintenance prédictive des moteurs peut être réalisée. Ces solutions innovantes deviennent des facilitateurs clés pour la fabrication intelligente et la transformation industrielle verte, offrant aux entreprises la base pour des opérations stables et un développement durable.