Les défaillances de la machine asynchrone (causes, effets) 

Les défauts qui apparaissent dans les entraînements électriques peuvent être crées à l’intérieur de la machine ou provoqués par les défaillances des chaînes d’entraînement (cassures des dents de pignon à l’intérieur de la boite de vitesse mécanique, ….etc.). Notre étude est restreinte aux problèmes électriques qui se développent dans la machine asynchrone.

Origines des défauts

Les causes des défauts sont multiples, elles peuvent être classées en trois groupes [Boumegoura 01] :

Les générateurs de pannes ou initiateurs de défauts : défauts électriques, surchauffe du moteur, problèmes mécaniques, rupture de fixations, problèmes d’isolation, survoltage d’alimentation ……etc. Ces causes sont à l’origine de la naissance des défauts dans la machine.

Les amplificateurs de défauts : surcharge fréquente, vibrations mécaniques, environnement humide, alimentation perturbée (instabilité de la fréquence ou de la tension), échauffement permanent, mauvais graissage, vieillissement ….etc. Ces causes favorisent le développement des défauts dans la machine.

Les erreurs humaines : défauts de fabrication, utilisation des composants déffectueux, mauvais dimensionnement de la machine ….etc.

Les défaillances de la machine

Dans cette partie on va expliquer sommairement les défaillances les plus fréquentes d’ordre mécanique, électrique et magnétique, ainsi que leurs éventuels effet sur les diverses grandeurs caractérisant le fonctionnement de la machine.

Les défauts d’ordre mécanique
Les défauts d’ordre mécanique sont en général les plus rencontrés parmi tous les défauts que compte la machine asynchrone, ils apparaissent au niveau des composants dynamiques ou tout simplement au niveau de tout les composants sollicités par des efforts mécaniques ou magnétique (roulement, l’arbre, flasques).

Défauts dans les roulements
Les roulements à billes jouent un rôle très important dans le fonctionnement de tout type de machine électrique rotative. Les défauts des roulements peuvent être causés par un mauvais choix de matériaux à l’étape de fabrication, les problèmes de rotation au sein de la culasse du roulement, causés par un roulement abîmé, écaillé ou fissuré, peuvent créer des perturbations au sein de la machine.

Nous savons que des courants électriques circulent au niveau des roulements d’une machine asynchrone ce qui, pour des vitesses importantes, peuvent provoquer la détérioration de ces derniers. La graisse de lubrification qui permet la bonne rotation des roulements peut dans certaines applications se rigidifiée et causer une résistance à la rotation. Ce type de défaut se manifeste dans la machine par des oscillations du couple de charge, une apparition de pertes supplémentaires et un jeu entre la bague interne et la bague externe du roulement entraînent des vibrations par les déplacements du rotor autour de l’axe longitudinale de la machine. Dans le cas le plus favorable, la présence d’un roulement défectueux peut mener au blocage du moteur.

Défauts dans les flasques
Ce genre de défaut est souvent causé à l’étape de fabrication. En effet un mauvais positionnement des flasques suscite un désalignement des roulements à billes, donc une excentricité au niveau de l’arbre de la machine qui va engendrer des vibrations et une variation de l’entrefer qui va modifier le comportement électromagnétique de la machine .

Défauts de l’arbre
L’arbre de la machine peut laisser paraître une fissure due à l’utilisation d’un mauvais matériau lors de sa construction, avec le temps cette fissure peut se développer et provoquer une fracture de l’arbre ce qui engendre un arrêt irrémédiable de la machine asynchrone. L’humidité peut provoquer des microfissures et conduire à une destruction complète de la machine, une excentricité statique, dynamique ou mixte peut induire des efforts considérables sur l’arbre du moteur, provoquant ainsi une fatigue supplémentaire.

Les défauts d’ordre électrique
Les défaillances d’origine électrique peuvent dans certain cas être la cause d’un arrêt de la machine. Ces défauts se séparent en deux catégories bien distinctes : Les défauts qui apparaissent au niveau des circuits électriques statoriques et les défauts qui apparaissent au niveau des circuits électriques rotoriques.

a. Défauts dans les circuits électriques statoriques
Les défauts qui apparaissent dans le stator sont principalement causés par les problèmes thermiques (surcharge), électriques (diélectrique, …), mécaniques ( bobinage,…) et environnementaux (agression, … ) ; on cite comme exemple : défaut d’isolant, court-circuit entre spires, court-circuit entre phases, déséquilibre d’alimentation et le défaut de circuit magnétique.

b. Défaut d’isolant dans un enroulement
La dégradation des isolants dans les enroulements peut provoquer des courts circuits. En effet, les pertes joules, les pertes fer et les pertes mécaniques provoquent l’augmentation de la température des différents constituants ; or les matériaux d’isolation ont une limite de tenue à la température, de tension et de sollicitations mécaniques. De ce fait, si les conditions de travail d’un matériau isolant dépassent une de ces limites, ce matériau ce dégrade de manière prématurée ou accélérée, puis finit par ne plus assurer sa fonction.

Les différentes causes de ce type de défaut sont les blessures de l’enroulement lors de son insertion dans les encoches, une tension de l’enroulement supérieure à la limite de matériau d’isolation,des vibrations mécaniques,le vieillissement naturel des isolants, et l’élévation de courant dans l’enroulement due à un court circuit ou une surcharge. Ceci entraîne une élévation de la température dégradant ainsi l’isolation.

Courts circuits entre spires
Ce défaut est assez fréquent, en général il est causé par les défauts qui apparaissent dans l’isolation de l’enroulement concerné. Il entraîne une augmentation des courants statoriques dans la phase affectée ; modifie le facteur de puissance et amplifie les courants dans le circuit rotorique, ceci a pour conséquence une augmentation de la température qui va accélérer et causer la dégradation en chaîne des isolants. On signale que, jusqu’a 30 % de courts circuits [Boumegoura 01], le couple électromagnétique moyen délivré par la machine reste sensiblement identique à celui de la machine saine, à part l’apparition des oscillations proportionnelles à ce défaut.

Court circuit entre phases
Ce genre de défaut se produit aux endroits où les conducteurs des phases se rencontrent, cependant les conséquences de ce défaut varient avec sa localisation. Par exemple, l’apparition d’un court circuit entre phases proche de l’alimentation va engendrer des courants très élevés qui conduisent à la fusion des conducteurs d’alimentation ou la disjonction de la protection. D’autre part, un court circuit proche du neutre entre deux phases engendre un déséquilibre sans provoquer la fusion des conducteurs. Le déséquilibre des courants statoriques (augmentation de l’amplitude du courant) provoque l’augmentation des courants dans les enroulements ou barres / anneaux du rotor.

Défaut de circuit magnétique
Ce défaut est causé par la dégradation de l’isolation entre les tôles magnétiques, ce qui va favoriser la circulation des courants de Foucault ou entraîner des augmentations locales de l’induction magnétique. Ce défaut ce manifeste par : augmentation des pertes fer, augmentation des courants statoriques, échauffement de la machine même si elle fonctionne à vide [Gaétan 04] .

Décharges partielles
Ce phénomène naturel dû aux décharges dans les isolants entre conducteurs ou entre conducteurs et la masse s’amplifie avec le vieillissement des isolants. Il est pratiquement imperceptible dans les isolants neufs par les moyens de mesures classiques car son effet n’est pas discernable par rapport aux bruits de mesures. Sa présence précède l’apparition des courts circuits entre phases ou entre phases et masse lorsque ces décharges partielles ont suffisamment détérioré les isolants .

Défauts dans les circuits électriques rotoriques
Les défauts qui apparaissent dans le rotor sont causés par un problème thermique (surcharge,…), électromagnétique, résiduel (déformation), dynamique (arbre de transmission,…), mécanique (roulement,…) et environnemental (agression, …). Les défauts les plus courants sont : la rupture de barres, la rupture d’une portion d’anneau de court circuit, l’excentricité statique et dynamique.