Surveillance et diagnostic des machines alternatives Détection des court-circuit entre spires

83 Pages·2015·2.12 MB·French

République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieur
& de la Recherche Scientifique

FACULTE DES SCIENCES DE LA TECHNOLOGIE
DEPARTEMENT ELECTROTECHNIQUE
Mémoire
Présenté en vue de l’obtention du
Diplôme de Master en Electrotechnique

DOMAINE : SCIENCES & TECHNOLOGIE
FILIERE : ELECTROTECHNIQUE
SPECIALITE : ELECTROTECHNIQUE
Thème

Surveillance et diagnostic des machines alternatives

Détection des court-circuit entre spires

Présenté par :
GUEMRI Rachid

Encadreur:
Dr : F.BAABA
Promotion : Juin 2015
Remerciements
Mes remerciements vont premièrement et exclusivement, à Dieu le tout
puissant, pour m’avoir donné le courage pour réaliser ce travail.

Je tiens, avant tout, à exprimer ma profonde gratitude à mon encadreur Dr
madame Babaa Fatima, pour la confiance qu’elle m’a prodiguée, pour ses
orientations judicieuses, sa patience qu’elle m’a apportée pendant le temps
de la réalisation de mon travail.

De plus, j'adresse mes vifs remerciements à : tous mes professeurs de
Département d’Electrotechnique de l’Université Mentouri de Constantine 1,
tout mon respect et ma profonde reconnaissance.

J’adresse aussi mes remerciements à tous mes amis et collègues surtout
ceux qui m'ont apporté un soutien moral, une amitié inoubliable et précieuse
et un dévouement qui fut particulièrement indispensable.

Enfin, je tiens à remercier ma famille pour leurs encouragements et leur
soutien inconditionnel.
Dédicace
C’est avec un grand plaisir et une fierté que je dédie ce modeste travail.
Rien n’est plus cher que celle-ci qui était et a toujours été de tout cœur
avec moi, celle qui a régné dans mon palais, à ma précieuse âme, ma mère ;
à mon papa, ces deux parents m’ont offert l’essence de mon succée
(l’amour, l’aide, la patience et la tendresse….) aucune dédicace ne
pourrait exprimer mon respect et mes profondes émotions envers eux.
À mes deux sœurs qui m’ont soutenu pendant le fil du temps de cette
étude
À mes deux frères
À mes deux anges « Lokman et Alla Dinne »
À tous mes amis chacun à son nom dont jeprouve mon amitié infinie.
A toute personne qui a participé à la réalisation de ce mémoire.
Résumé
Ce travail de mémoire traite le problème de la surveillance et du diagnostic des défauts
électriques de la machine asynchrone dans et la machine synchrone à aimant permanent (MSAP)
dans les entrainements électriques, sont les plus fréquemment utilisées grâce à leur robustesse,
C’est pourquoi le monde industriel est fortement intéressé par un ensemble de techniques
permettant de déterminer l’état de santé de ces machines.
Notre contribution s'inscrit dans le cadre de synthèse et de choix des méthodes et des techniques
de surveillance et de diagnostic des défauts dans les machines électriques tels que les défauts
statorique, que les défauts de court-circuit entre spires au stator sont souvent critiques et doivent
être détectés au plus tôt avec un bon taux de confiance afin d’informer un système superviseur de
la présence d’une défaillance pour limiter les risques encourus par l’environnement matériel et
humain situé autour de la machine en défaut.
Des simulations sont menées à l’aide des modèles après la modélisation dès les machines
permettant de reproduire des situations de défaillances de manière virtuelle et d’éprouver
l’efficacité. Dans ce contexte, nous avons proposé la méthode de détection de défaut par la
surveillance du courant statorique en l’occurrence l’analyse spectrale.
Abstract
This memory work addresses the problem of monitoring and diagnosis of electrical faults of the
asynchronous machine and synchronous permanent magnet machine (PMSM) in electrical
trainings are frequently used due to their robustness, this is why the industrial world is greatly
interested in a set of techniques to determine the health status of these machines.
Our contribution is part of synthesis and selection of methods and techniques for monitoring and
diagnosing faults in electrical machinery such as stator faults, the short-circuit faults between the
stator windings are often critical and must be detected at the earliest with a good confidence
rating to inform a supervisor system to the presence of a failure to limit the risks incurred by the
material and human environment located around the faulty machine.
Simulations are conducted using models soon after modeling machines for reproducing virtual
way fault situations and test efficiency. In this context, we proposed fault detection method by
monitoring the stator current in this case the spectral analysis.
Sommaire

INTRODUCTION GENERALE …………………………......................... 1
CHAPITRE I 3
Etat de l’art du diagnostic des défauts dans les machines électriques
I.1 Introduction……………………………............................................................. 5
I.2.1 Constitution de la machine asynchrone ……………………………………….. 6
1. Le stator ………………………………………....................................................... 6
2. Le rotor ………………………………………....................................................... 6
3. Organes mécaniques ……………………………………….................................... 7
I.3. Constitution de la machine synchrone à aimants permanents …………………... 7
I.3.1. Structure du stator ………………………………………................................... 8
I.3.2. Structure du rotor ……………………………………….................................... 8
I.4.Etude des défaillances dans les machines électriques …………………………... 10
I.4.1. Défaillances au stator ………………………………………............................ 10
1. Défauts d’isolant dans un enroulement ………………………………………...... 10
2. Court-circuit entre spires ………………………………………............................ 10
3. Court-circuit entre phases-bâti ………………………………………................... 11
4. Circuit ouvert sur une phase ………………………………………....................... 11
5. Déséquilibre d’alimentation ………………………………………....................... 13
I.4.2. Défauts au rotor ……………………………………….................................... 13
1. Ruptures de barres ………………………………………...................................... 13
2. Ruptures d’anneaux ……………………………………….................................... 13
3. Défaut de roulements ………………………………………................................. 14
4. Défauts d’excentricité ………………………………………................................ 14
5. Désaimantation des aimants permanents ……………………………………….... 15
I.5.Techniques et méthodes de Surveillance et diagnostic des défauts des machines
électriques ………………………………………...................................................... 15
I.5.1 Des grandeurs mesurables et des signaux de défaut ………………………….. 16
I.5.2. Approche signal ……………………………………….................................... 17
I.5.3. Approche modèle ……………………………………….................................. 18
I.5.3.1. Approche par estimation paramétrique …………………………………….. 19
I.5.4. Analyse spectrale ……………………………………….................................. 19
I.6. Conclusion ………………………………………............................................... 20

CHAPITRE II 21
Modélisation des machines asynchrones en présence du défaut de
court-circuit entre spires
II.1. Introduction ……………………………............................................................ 22
II.2. Modélisation de la machine asynchrone saine ………………………………... 22
II.2.1. Hypothèses considérées pour le modèle circuit électrique de la MAS ……... 22
II.2.2. Modèle mathématique de la MAS ………………………………………..... 23
II.2.2.1 Equations en triphasée ………………………………………...................... 23
II.2.2.2. Equations mécaniques de la machine ………………….............................. 24
II.2.3. Modèle de Park ………………………………………................................... 25
II.2.3.1. Equations du flux ………………………………………............................. 26
II.2.3.2. Choix du référentiel …………………………............................................. 27
II.2.5. Modèle de KU ………………………………………................................... 29
II.2.6. Modèle multi-spires ………………………………………........................... 31
II.2.6.1. Équations de tensions des spires statoriques ……………………………... 31
II.3. Résultats de simulations ………………………………………........................ 32
II.4. Modélisation de la machine asynchrone avec défaut ………………………… 35
● Modèle du défaut de court-circuit ………………………………………............. 35
II.4.1 Modélisation de la machine asynchrone en défaut de court-circuit ………… 36
II .5. Résultats de simulation avec défaut de court-circuit ……………………....... 40
II.6. Analyse spectrale du courant statorique ……………………………………… 43
II.6.1. Diagnostics par analyse spectrale ………………………………………...... 43
II.6.1.1 Introduction ………………………………………....................................... 43
II.6.2. Principales signatures des défauts statoriques ……………………………… 44
II.6.3. Spectre des signaux issus de la simulation …………………………………. 44
II.7. Conclusion ……………………………………………………………………. 46

CHAPITRE III 47
Modélisation des machines synchrones a aimants en présence du
défaut de court-circuit entre spires
III.1 Introduction ……………………………............................................................ 48
III.2 Modélisation de la machine synchrone à aimant permanent saine …………… 48
III.2.1 Mise en équation de la MSAP en triphasé …….............................................. 49
1. Les équations électriques ……………………………………….......................... 49
2. Les équations mécaniques ………………………………………......................... 50
3. L’équation électromagnétique …………………................................................... 50
III.2.2 Mise en équation de la MSAP en diphasé …………………………………... 51
Principe de la transformation ………………………………………......................... 51
III.2.3 Modélisation de la MSAP dans le repère de Park dans le repère lié au rotor.. 52
1. Les équations électriques ………………………………………........................... 52
2. L’équation électromagnétique ………………………………………................... 53
III.2.4 Transformation de Concordia ……………………………............................. 53
III.2.5 Mise sous forme d’équation d’état ………………………………………..... 55
III.3 Résultats de simulation d’un fonctionnement sain …………………………… 56
III.4 Modélisation de la machine synchrone à aimants permanents en présence de
défaut ………………………………………............................................................ 58
III.4.1 Modélisation des défauts de courts circuits ……………………………….. 58
III.4.1.1 Modification de la structure du modèle ……………………..................... 59
Equations natives ………………………………………………………………….. 60
III.4.2 Modèle de défaut dans le repère αβ ………………………………………... 62
III.4.3 Mise sous forme d’état ………………………………………....................... 64
III.5 Résultats de simulation avec défaut de court-circuit ………………………… 65
III.6 Conclusion …………………………………………………………………… 67
CONCLUSION GENERALE ……………………………………………….. 69
Annexe …………………………………………………………………………… 70
BIBLIOGRAPHIE……………………………………………………………... 71
Liste des figures
CHAPITRE I
Figure I. 1 : constitution typique d’une machine asynchrone triphasée [Bac 02] 6
Figure I. 2: Figure I.2: machine synchrone à aimants permanents 7
Figure I. 3: Représentation de la machine synchrone à aimants permanents [Sai01] 8
Figure I. 4: Différentes structures rotorique pour une MSAP [Fod09] 9
Figure I. 5: Photos d’un dégât dus au défaut de court-circuit entre spire [Yah 05] 11
Figure I. 6: Exemple de dégâts provoqués par les défauts de courts-circuits statoriques
[Dev02] 12
Figure I. 7: Représentation de courts-circuits entre spires, entre phases, phase et terre 12
Figure I. 8: Vue éclatée d’un roulement à billes 14
Figure I. 9: Différents types d’excentricité dans les machines électriques 15
Figure I. 10: Représentation de quelques grandeurs mesurable sur une machine électrique
[Raz06] 16
Figure I. 11: Méthodes de surveillance d’une machine électrique soumise à un défaut 17
Figure I. 12: Principe générale de la surveillance/diagnostic de machines électriques basé sur
L’utilisation d’un modèle 18
Figure I. 13: Principe du diagnostic avec estimation paramétrique 19

CHAPITRE II
Figure II. 1 : Représentation spatial des enroulements de la MAS 23
Figure II. 2: Position des axes dq par rapport aux axes de la machine 25
Figure II. 3: Circuit équivalent du stator. [11] 31
Figure II. 4: Les courants statoriques en fonctionnement sain 33
Figure II. 5: Vitesse en fonctionnement sain 34
Figure II. 6: Couple électromagnétique pour un moteur sain 34
Figure II. 7: Représentation du court-circuit entre Spires d’un enroulement élémentaire
[8] 35
Figure II. 8: Circuit équivalent prenant en compte la bobine de court-circuit [8] 35
Figure II. 9: Enroulements triphasés avec court-circuit. [10] 36
Figure II. 10 Courants statoriques de la machine avec un court-circuit 41
Figure II. 11 : La vitesse de la machine avec un court-circuit 42
Figure II. 10 : Le couple électromagnétique lors d’un court-circuit 43
Figure II. 8: Spectre de courant statorique pour un moteur sain 45
Figure II. 8 : Spectre de courant statorique pour un court-circuit entre spire de 10% 45
Figure II. 8: Spectre de courant statorique pour un court-circuit entre spire de 30% 46
CHAPITRE III
Figure III. 1 : Représentation d’une machine synchrone à aimant permanant dans le repère
Triphasé 49
Figure III. 2 : Circuit équivalent prenant en compte la bobine de court-circuit [8] 35
Figure III. 3 : a- schéma d’une Machine Synchrone a Aimant Permanent
b- Machine équivalente au sens de Park 52
Figure III. 4 : Modèle de la machine synchrone dans le repère de Park 56
Figure III. 5 : Les courants statoriques en fonctionnement sain 56
Figure III. 6 : Couple électromagnétique pour un moteur sain 57
Figure III. 7 : Vitesse en fonctionnement sain 58
Figure III. 8 : Bobine élémentaire avec une spire en court-circuit 58
Figure III. 9 : Représentation schématique d’un défaut d’isolation entre spires sur une phase
de stator (as) 59
Figure III. 8 : Modification des circuits électriques équivalents des phases statoriques 60
Figure III. 8 : Différents référentiels d’étude 63
Figure III. 8 : Courants des phases avec un court-circuit 65
Figure III. 8 : courant de défaut 66