Contribution à la Commande et au Diagnostic des Machines Electriques

Introduction

La machine asynchrone occupe une place importante, voire dominante dans des applications industrielles. Nous le rencontrons dans les endroits les plus divers : l’éolienne aux applications militaires, à la propulsion électrique de véhicules, de tramways, trains à grande vitesse voire même des bateaux de croisières. De plus, il est courant de nos jours de faire de la variation de vitesse. Cela conduit naturellement à l’utilisation d’onduleurs de tension. Le moteur doit supporter ces ondes de tension (riches en harmoniques) alors qu’il n’avait été conçu que pour 50Hz. C’est la raison pour laquelle nous assistons à un vieillissement prématuré du moteur à induction. Il devient donc de plus en plus vulnérable, plus susceptible de montrer des défaillances. Par conséquence, nous devons effectuer du diagnostic, de la surveillance [1] et de la prévention afin d’améliorer la fiabilité du système dans son ensemble. Nous rappelons que depuis plus d’une vingtaine d’années maintenant, des études et des recherches ont été menées sur la manière dont nous sommes en mesure de détecter une panne, une défaillance et d’en comprendre la relation de cause à effet. De cette manière, la fiabilité du moteur asynchrone sera améliorée, ce qui augmentera sa durée de vie.

Différents types de défauts

Les défauts de la machine asynchrone peuvent être d’ordre électrique et/ou mécanique.

Défauts électriques

De tels défauts sont dus à un court-circuit, à un circuit ouvert au niveau du bobinage statorique ou à une connexion anormale des enroulements statoriques [2].

Défauts de fabrication

Un mauvais isolement des conducteurs des enroulements statoriques, et une mauvaise brasure lors de l’encastrement des barres et des anneaux du rotor peuvent causer un sérieux disfonctionnement de la machine.

Défauts mécaniques

On peut citer, par exemple : L’écaillage des pistes des roulements de l’arbre mécanique ; L’ovalisation de l’alésage statorique ou rotorique résultant d’un défaut d’usinage ; Le non alignement des axes du stator et du rotor ; La saillance de l’alésage. 

Défauts électromagnétiques

Ces défauts peuvent être dus à l’excentricité de l’entrefer ou à la déformation de l’arbre. Un défaut d’excentricité provoque un balourd magnétique ce qui fait que l’induction au niveau de l’entrefer n’est plus uniforme dans la direction radiale ou axiale, donnant ainsi naissance à des forces attractives non régulières entre le stator et le rotor, et provoquant des secousses de la cage [3] [4]. La déformation de l’arbre peut provoquer un frottement entre le rotor et le stator provoquant ainsi un endommagement grave du circuit magnétique et des enroulements de la machine.

Causes des défauts

Les causes des défauts sont multiples, elles peuvent être classées en trois groupes :  Les initiateurs de défauts : surchauffe du moteur, usure des éléments mécaniques (roulement à billes), rupture de fixation, problème d’isolation électrique, déséquilibre des tensions et courants de ligne [1] [2].  Les contributions aux défauts : surcharge fréquente, température ambiante élevée, ventilation défaillante, humidité, fortes vibrations, vieillissement.  Les défauts et erreurs humaines : défauts de fabrication, composants défectueux, protection inadaptées, absence de maintenance.

Principaux défauts d’une machine asynchrone triphasée

Les défauts dans les moteurs à induction [5] [6] peuvent être divisés en quatre catégories principales ; défauts de barre cassés de rotor, les défauts d’excentricité, les défauts liés au stator et les défauts de palier ou roulement. La répartition de chaque défaut, basée sur les enquêtes des défauts des moteurs à induction dans [7] [8], est montrée dans la figure I.1.

Défauts de roulements

Les défauts de roulements sont la cause la plus fréquente de défauts dans les moteurs asynchrones [8] [9] [10], ce qui est de 40% des défaillances totales du moteur à induction. Ils peuvent être classés en 3 types différents, qui sont :  un défaut de la cage interne,  un défaut de la cage externe  un défaut de billes [11] [12]. Donc, ce genre de défaut lié aux roulements se manifeste généralement par un défaut d’excentricité dans la machine. Les défauts de roulements sont généralement causés par des défauts de fabrication, des erreurs d’installation, un manque de lubrification, ou une usure. Une procédure d’analyse complète pour détecter les défauts de bille à travers le courant statorique, le flux de fuite axial et la vibration du moteur sont démontrés dans [13] [14]. Les défauts de roulements sont généralement détectés en analysant l’amplitude des composants de la fréquence de défaut de roulement, pendant le fonctionnement en régime permanent, où les amplitudes des composants ont tendance à augmenter à mesure que la gravité de défaut augmente. Un défaut de roulement à billes est transmis par la répétition continue du contact de défaut avec la cage de roulement externe comme interne. Pour cela, la fréquence de vibration d’un défaut de bille est le double de la fréquence de rotation. Chapitre I État de l’Art 6 Les défauts de roulement peuvent se manifester comme des défauts de l’asymétrie du rotor. Ils sont généralement classés dans la catégorie des défauts liés à l’excentricité, or les défauts liés aux roulements à billes [12] peuvent se manifester aux fréquences de vibrations, tels que : { } 2 1 cos( ) Db Db db Dc Dc f fr = −   θ   (1.1) La fréquence de répétition sera pour la cage intérieure comme extérieure décrite par [13] : /dbext b (N / 2) [1 cos( )] b dbex r c D f f D = − θ (1.2) Où fr : fréquence de rotation mécanique ; Nb : est le nombre de billes ; Db : est le diamètre d’une bille ; Dc : est la distance du centres des billes ; ϴ : angle de contact de la bille avec la cage. I.3.2 Défauts statoriques Les défauts liés au stator, également connus sous le nom de défauts de court-circuit, se produisent lorsque les enroulements du stator sont court-circuités en raison d’une défaillance Figure I.2 Structure d’un roulement à billes Chapitre I État de l’Art 7 de l’isolation. Les défauts de court-circuit [15] [16] peuvent être causés par une collision entre le stator et le rotor, la contrainte de tension imposée par la commutation rapide des onduleurs, et les problèmes d’isolation dus aux défauts de fabrication, à la contamination, à la surchauffe et à l’usure [17] [29]. Il y a 3 types de défauts de court-circuit, qui sont : • défauts court-circuit entre spires, • défauts court-circuit entre phase, • défauts phase à la terre Un défaut entre spires se produit lorsque l’isolation entre deux bobines dans la même phase échoue. Un défaut entre phase se produit lorsque l’isolation entre deux bobines dans les phases adjacentes échoue. Un défaut de phase à la terre se produit lorsque la borne de l’un des enroulements du stator est court-circuitée à la masse. Ceci provoque deux effets : premièrement, l’enroulement court-circuité aura des courants significatifs induits dans d’autres enroulements, et d’autre part le courant d’alimentation va augmenter de façon spectaculaire provoquant l’ouverture du disjoncteur. Cependant, quand un défaut court-circuit se produit, le moteur peut sembler fonctionner normalement mais à un rendement réduit. Par conséquent, ces trois types de défauts de court-circuit sont ceux où la détection de défaut en ligne doit concentrer. Les défauts liés au stator représentent le deuxième plus grand nombre de défauts, soit environ 37% pour les moteurs à induction. Ils sont généralement détectés en utilisant la technique de surveillance de l’état d’équilibre La présence de défauts de stator produit une fréquence de défaut caractéristique suivante : ( )         − = ± p n g fst f k 1. . (1.3) Avec k=1, 3 et n=1, 2, 3…, (2p-1), et g : glissement ; p : nombre de paire de pôles ; f : fréquence de l’alimentation ; Chapitre I État de l’Art 8 Figure I.3 : Défauts d’enroulement du stator du moteur à induction Il existe plusieurs techniques pour détecter un défaut de court-circuit. On cite l’analyse du flux axial de la machine [18] ou l’emploi d’une bobine concentrique placée autour de l’arbre de la machine. I.3.3 Défauts de barres rotoriques Les défauts de cassure de barres peuvent être causés par un démarrage direct fréquent, pulsant les charges mécaniques, les défauts de fabrication et les contraintes thermiques et mécaniques [6]. Les défauts de barre cassés de rotor ne représentent qu’environ 10% des pannes totales du moteur à induction. Cependant, la présence d’une barre cassée signifie que le courant qui circulait à travers cette barre se répartit sur les autres barres adjacentes en raison de la variation de la distribution du courant rotorique [19]. Ces derniers seront surchargés, ce qui provoquera leurs ruptures, et parfois un arrêt total de la machine. Dans un cas grave, les morceaux cassés de la barre de rotor peuvent endommager les bobinages du stator au cours de fonctionnement. En outre, la présence de rotor cassé réduit l’efficacité du moteur, ce qui signifie une augmentation du coût. Le défaut de barres cassés du rotor est l’un des défauts de moteur à induction les plus faciles à détecter en utilisant la surveillance de l’état d’équilibre et a été donc largement étudiée dans la littérature. La présence de défauts de barres de rotor cassés dans un moteur produit des fréquences de défaut caractéristiques : fb= (1 ± 2kg) f (1.4) Avec k=1, 2, 3, …, g : est le glissement et f est la fréquence d’alimentation. Chapitre I État de l’Art 9 D’autres composantes spectrales peuvent apparaître dans le spectre du courant à des fréquences données par l’expression ci-dessous [7] : ( ) g . fg p k fb 1 1 2/       = − ± (1.5) Avec 11 ,9 ,7 ,5 ,3 ,1 ,…. 2/p k = . Les défauts de cassures de barres génèrent également dans les signaux du couple et de la vitesse des composantes de fréquences 2gf et 4gf. Les phénomènes qui peuvent accompagner la rupture de barres dans une cage rotorique sont : a) Contraintes thermiques dues aux surcharges thermiques, points chauds, pertes excessives, et/ ou étincelles ; b) Contraintes magnétiques dues aux forces électromagnétiques, traction magnétique déséquilibrée, bruit et/ou vibrations électromagnétiques. c) Contraintes résiduelles dues aux problèmes de construction. d) Contraintes dynamiques engendrées par les couples de l’arbre et/ou les forces centrifuges ; e) Contraintes de l’environnement causées par l’humidité et la poussière. Contraintes mécaniques dues aux pertes dans les tôles, la fatigue des parties du rotor et le défaut de roulements.

Défaut d’excentricité

L’excentricité de la machine est définie comme une condition de dissymétrie d’entrefer existant entre le stator et le rotor [7]. La présence d’un certain niveau d’excentricité est chose ordinaire lors de la rotation des machines électriques ; certains fabricants et utilisateurs précisent un niveau maximal admissible de 5 à 10% de la longueur de l’entrefer [20] [21]. Cependant, les fabricants essaient normalement de maintenir le niveau d’excentricité minimal afin de réduire les vibrations et le bruit et minimiser la traction magnétique déséquilibrée [8]. Il existe deux types de défauts d’excentricité associés aux moteurs à induction : l’excentricité statique et l’excentricité dynamique [22]. Quand l’excentricité est statique, l’épaisseur d’entrefer entre le stator et le rotor varie, mais la position de l’entrefer minimum reste fixe. L’excentricité dynamique (DE) existe lorsque l’axe de rotation coïncide avec l’axe du stator mais pas avec l’axe du rotor, l’emplacement de l’entrefer minimum change alors avec la Chapitre I État de l’Art 10 position angulaire du rotor et tourne avec lui. Pour l’excentricité mixte (ME), les deux défauts (SE) et (DE) sont présents en même temps et l’axe de rotation est différent des deux axes du stator et du rotor. I.3.4.1 Excentricité statique Peut-être causée par des défauts de fabrication du noyau du stator (c’est-à-dire de forme ovale) et les problèmes d’installation, où le rotor peut ne pas être monté exactement dans le centre du stator.

Excentricité Dynamique

Peut-être causée par des défauts de fabrication du rotor, où le diamètre du rotor n’est pas concentrique avec le centre de l’arbre, et les problèmes de roulement, où il pourrait y avoir un mouvement radial dans le roulement dû à des défauts d’usure ou de fabrication. Quand l’excentricité est dynamique, la différence d’entrefer entre le stator et le rotor varie mais la position de l’entrefer minimum tourne avec le rotor [20] [22]. Les défauts d’excentricité présentent une partie significative du nombre total de défaillances du moteur à induction. Cependant, les défauts d’excentricité peuvent potentiellement introduire d’autres défauts et devenir catastrophique. Par exemple, la présence de défauts d’excentricité met plus de stress sur les paliers qui peuvent introduire des défauts de palier ou réduire la durée de vie du palier ; et dans des cas extrêmes, le rotor peut entrer en collision avec le stator, provoquant une défaillance de l’enroulement et endommageant ainsi les tôles. En outre, les défauts d’excentricité réduisent l’efficacité du moteur, qui à son tour augmente le coût opérationnel total. La présence de l’excentricité se manifeste par l’apparition d’harmoniques dans le spectre du courant à des fréquences (fecc) données par l’expression ci-dessous [23] [24] : = [( ± (1 ) − ) / ±ν ] 1 f f k n g p ecc nb d (1.6) Avec k= 1,2,3… , f1 : la fréquence d’alimentation, , nb : le nombre des barres rotoriques et nd : le nombre d’ordre d’excentricité : nd=0 pour l’excentricité statique et nd=1, 2, 3,… pour l’excentricité dynamique, g :le glissement, p : le nombre de paires de pôles et ν : l’ordre des harmoniques de temps de la f.m.m , (ν=±1, ±3, ±5, ±7,…etc.).