Etapes du diagnostic
La sélection de la méthode de diagnostic la plus appropriée à un système industriel donné ne peut se faire qu’après un ressensement des besoins et des connaissances disponibles. L’inventaire des éléments à étudier est le suivant :
nature des causes de défaillances à localiser, connaissance des symptômes associés aux défaillances induites par les causes, maîtrise des moyens de mesure des symptômes, maîtrise des moyens de traitement des symptômes, connaissance des mécanismes physiques entre les causes et les effets, inventaire du retour d’expérience, recensement des expertises disponibles, définition du niveau de confiance dans le diagnostic, identification des utilisateurs finaux du diagnostic. La procédure du diagnostic de défaillances et de dégradations succeptibles d’affecter les différents entités d’un processus industriel s’articule autour des étapes suivantes :
l’extraction des information à partir de moyens de mesures appropriées ou d’observations réalisées lors des rondes par les personnels de surveillance, l’élaboration des caractéristiques et des signatures associées à des symptômes, la détection d’un dysfonctionnement, la mise en oeuvre d’une méthode de diagnostic de la défaillance ou de la dégradation à partir de l’utilisation des connaissances sur les relations de cause à éffet, la prise de décision (arrêt de l’installation ou reconfiguration).
Méthodes à base de modèle
Les méthodes à base de modèle utilisent le précisément de la redondance de l’information et plus précisément la redondance analytique. Cette redondance analytique présente l’avantage de ne pas augmenter le coût de l’installation et de se dégager des contraintes matérielles. Leurs principe repose généralement sur un test de cohérence entre un comportement observé du processus fourni par des capteurs et un comportement prévu fourni par une représentation mathématique du processus. Les méthodes de redondance analytique nécessite donc un modèle du système à surveiller. Ce modèle comprend un certain nombre de paramètres dont les valeurs sont supposées connues lors du fonctionnement normal. La comparaison entre le comportement réel du système et le comportement attendu donné par le modèle fournit une quantité, appelée résidu, qui va servir à déterminer si le système est dans un état défaillant ou non .
Dans une première étape, il s’agit de comparer les observations entre les connaissances sur le comportement normal du système contenues dans un modèle afin de vérifier leur cohérence. Cette comparaison conduit à la génération d’indicateurs de défauts appelés résidus. Ces indicateurs sont souvent des écarts entre les caractéristiques observées et les caractéristiques de références qui définissent le comportement normal du système.
Généralement, les méthodes de génération de résidus sont basées soit sur une estimation d’état ou une estimation paramétrique. Dans le cadre des méthodes reposant sur l’estimation d’état on retrouve trois approches : l’approche de l’espace de parité, l’approche par observateur ou filtre de Kalman, les filtres sensibles aux défauts.
Différentes défauts du moteur asynchrone à cage
Le moteur asynchrone à cage (MAS) est omniprésent dans tous les secteurs de pointes, dans les installations industrielles et principalement dans la plupart des entraînements électromécaniques. Cependant, malgré sa robustesse, un certain nombre de contraintes peuvent affecter la durée de vie de la machine en faisant apparaître des pannes dans le stator et le rotor . Les pannes peuvent être d’origines diverses : elles peuvent être prévisibles ou intempestives, mécaniques ou électriques. Elles peuvent être dûs aux vieillissements des constituants du moteur, aux conditions d’utilisations ou bien encore, à un défaut de fabrication dont l’effet serait imperceptible lors de la mise en service. Ces pannes occasionnent des pertes économiques considérables. Leurs causes sont multiples et peuvent se classer en trois groupes :
les générateurs de pannes ou initiateurs de défauts : surchauffe du moteur, défaut électrique (court circuit), survoltage d’alimentation, problème d’isolation électrique, usure des éléments mécaniques (roulements à billes), rupture de fixations, … etc.
les amplificateurs de défauts : surcharge fréquente, vibrations mécaniques, environnement humide, échauffement permanent, mauvais graissage, vieillissement, … etc.
les vices de fabrication et les erreurs humaines : défauts de fabrication, composants défectueux, protections inadaptées, mauvais dimensionnement de la machine, … etc.
Les défauts majeurs et typiques qui peuvent affecter la machine asynchrone sont : Un défaut au niveau du rotor dû à une rupture totale ou partielle d’une barre au niveau de l’anneau de la cage d’écureuil ou à une rupture d’une portion d’anneau ; Un défaut au niveau du stator dû à une coupure de phase ou à un court circuit entre phases ; Court circuit dans les spires d’une même phase ou défaut de circuit magnétique (rupture de tôles) ; Connexion anormale des enroulements statoriques ; Un défaut de contact balai-bague dans le cas d’un rotor bobiné ; Un défaut d’alignement dû à une irrégularité de l’entrefer qui induirait des frottements, donc des préjudices sur le bobinage du stator ;
Un défaut d’isolation électrique au niveau du bobinage du stator suite à un vieillissement prématuré dû au milieu de fonctionnement hostile ou non et à la façon dont est alimenté le moteur ; Une dégradation par usure prématurée ou non des roulements à billes.
Défauts rotoriques
Les défauts rotoriques se situent au niveau de la cage ou l’entrefer. Au niveau de la cage, ils se résument à la rupture de barres de la cage ou d’anneaux de court-circuit. Au niveau de l’entrefer, ils se manifestent par une excentricité statique, dynamique ou mixte.
Défauts de barres : La cassure ou la rupture de barre est l’un des plus fréquents défaut au rotor. Il peut être au niveau de l’encoche soit à une extrémité qui relie la barre à l’anneau rotorique. Une cassure de barre réduit la valeur moyenne du couple électromagnétique et augmente l’amplitude des oscillations de la vitesse de rotation qui accélèrent la détérioration de la machine. Le couple diminue sensiblement avec le nombre de barres cassées induisant un effet cumulatif du défaut . Défauts d’anneaux : La rupture de portion d’anneau est un défaut qui apparaît aussi fréquemment que la cassure d’une barre. Ces ruptures sont dûes soit à des bulles de coulées ou aux dilatations différentielles entre les barres et les anneaux. Comme il est difficile de le détecter, ce défaut est généralement groupé, voir confondu, avec la rupture de barres dans les études statistiques. Ces portions d’anneaux de court-circuit sont traversées par des courants plus importants que ceux des barres rotoriques. De ce fait, un mauvais dimensionnement des anneaux, une détérioration des conditions de fonctionnement (température, humidité, …) ou une surcharge de couple et donc de courants, peuvent entraîner leur cassure. La rupture d’une portion d’anneau déséquilibre la répartition des courants dans les barres rotoriques et de ce fait, engendre un effet de modulation d’amplitude sur les courants statoriques .
Défauts d’excentricités : La machine électrique peut être soumise à un changement de la position axiale du rotor (décalage entre le centre de rotation de l’arbre et le centre du rotor). Ce qui provoque des oscillations du couple. Ce phénomène est appelé défaut d’excentricité. Il peut être liée à un positionnement incorrect des paliers lors de l’assemblage, à un défaut de roulement (usure), à un défaut de charge ou à un défaut de fabrication .
Trois cas d’excentricités sont généralement distingués : excentricité statique : le rotor est déplacé du centre de l’alésage mais tourne toujours autour de son axe.
excentricité dynamique : le rotor est positionné au centre de l’alésage mais ne tourne plus autour de son axe. excentricité mixte : associant les deux cas statique et dynamique.
Modèle de la machine asynchrone triphasée
Compte tenu que la répartition des enroulements statoriques et la géométrie propre de la machine sont très complexes, il est généralement nécessaire de considérer des hypothèses simplificatrices pour avoir un modèle simple de la machine.
Hypothèses simplificatrices : la machine est de constitution symétrique, la saturation du circuit magnétique, l’hystérésis et les courants de Foucault sont négligés, les relations entre les flux et les courants sont linéaires, les résistances des enroulements ne changent pas avec la température, on considère que la densité du courant dans une section élémentaire des conducteurs est uniforme, l’effet de peau est négligé,
on admet de plus que la force magnétomotrice créée par chacune des phases des deux armatures est à répartition sinusoïdale, l’entrefer est d’épaisseur uniforme et l’effet d’encochage est négligé, les inductances propres sont constantes et les inductances mutuelles sont des fonctions sinusoïdales.
Modélisation de défaut de Court-circuit
La détection précoce des défauts, dans des machines électriques installées dans des chaines d’entraînements électriques, est une importante exigence afin d’éviter des arrêts intempestifs des installations industrielles. La plupart des techniques de diagnostic développées utilisent fréquemment les grandeurs électromagnétiques facilement mesurables . Cependant, leur fiabilité dépend de la technique d’analyse utilisée. Dans un moteur à induction les défauts mécaniques sont, en général, les plus rencontrées.
Ils peuvent apparaître au niveau des roulements à billes, des flasques ou encore de l’arbre moteur . Or que les défauts électriques peuvent apparaître au niveau des enroulements statoriques. On distingue les courts circuits entre phases, entre bobines et entre spires. Les causes de ces défauts sont très variées et peuvent être prévisibles ou intempestifs . Pour notre cas, nous considérons un défaut de court-circuit entre les spires d’une phase statorique ; l’analyse fréquentielle du courant statorique est utilisée pour diagnostiquer ce défaut.
Le diagnostic à base de modèles analytiques considéré pour la machine asynchrone doit décrire fiablement le comportement de la machine . Ceci n’est faisable qu’en intégrant certains paramètres de la machine, ce qui présente donc un problème de précision lors de l’identification de ces paramètres et en conséquence, dans la précision de la méthode de diagnostic. Nous avons utilisé un modèle mathématique pour le défaut statorique.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Principe du diagnostic
1.1 Introduction
1.2 Définition
1.3 Etapes du diagnostic
1.3.1 Acquisition des données
1.3.2 Détection
1.3.3 Localisation
1.3.4 Diagnostic
1.4 Différentes méthodes de diagnostic
1.4.1 Méthodes sans modèle mathématique
1.4.1.1 Méthodes mono-signal
1.4.1.2 Méthodes multi-signal
1.4.2 Méthodes à base de modèle
1.5 Conclusion
Chapitre 2 : Présentation de machine asynchrone et de l’onduleur
2.1 Introduction
2.2 Description de la machine asynchrone triphasée
2.2.1 Construction
2.2.2 Principe de fonctionnement
2.3 Différentes défauts du moteur asynchrone à cage
2.3.1 Défauts internes
2.3.1.1 Défauts statoriques
2.3.1.2 Défauts rotoriques
2.3.2 Défauts externes
2.3.3 Modèle de la machine asynchrone triphasée
2.3.3.1 Hypothèses simplificatrices
2.3.4 Equations électriques de la MAS
2.3.5 Equations magnétiques de la MAS
2.3.6 Equation mécanique de la MAS
2.3.7 Transformation de Park
2.4 Modélisation de la MAS dans le repère de Park
2.4.1 Choix du référentiel
2.4.1.1 Référentiel lié au stator
2.4.1.2 Référentiel lié au rotor
2.4.1.3 Référentiel lié au champ tournant
2.5 Résultats de simulation et interprétation
2.5.1 Simulation de la machine asynchrone à vide
2.5.2 Simulation de la machine asynchrone en charge
2.6 Modélisation de l’onduleur
2.6.1 Fonction de commutation de l’onduleur sans défauts
2.6.2 Résultats de simulations et interprétation
2.7 Conclusion
Chapitre 3 : Modélisation de l’association onduleur-machine
3.1 Introduction
3.2 Modèle multi enroulements de la MAS
3.2.1 Equations des tensions statoriques et rotoriques
3.2.2 Equations mécanique
3.3 Modélisation de la machine en tenant compte des défauts
3.3.1 Modélisation du défaut de cassure de barre
3.3.1.1 Calcul des inductances
3.3.1.2 Mise en équations
3.3.1.3 Simulation et interprétation des résultats
3.4 Modélisation de défaut de Court-circuit
3.4.1 Simulations et Interprétations
3.5 Modélisation de défauts d’excentricité
3.5.1 Modèle de défaut d’excentricité statique
3.5.1.1 Résultat de simulations
3.5.2 Model de défaut d’excentricité dynamique
3.5.2.1 Simulations et interprétation
3.6 Modélisation de l’onduleur avec défaut
3.6.1 Détection et localisation de défauts à l’aide de modèles
3.6.1.1 Résultats de simulation et interprétation
3.7 Conclusion
Chapitre 4 : Modélisation de la machine asynchrone par multi-modèle
4.1 Introduction
4.2 Modélisation des systèmes non linéaires par multi-modèle
4.3 Représentation multi-modèle
4.4 Différents structures de multimodèles
4.5 Obtention d’une représentation globale à partir de modèles locaux
4.5.1 Modélisation
4.5.2 Recherche des modèles locaux par linéarisation
4.5.3 Points de fonctionnement statiques
4.5.4 Optimisation paramétrique
4.6 Représentation de la machine par multimodèle
4.6.1 Modèle non linéaire de Park
4.7 Validation du modèle par simulation
4.8 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie
