Dans de nombreux secteurs industriels, la sûreté de fonctionnement est un enjeu majeur pour assurer une compétitivité optimale de l’outil de production. Le diagnostic des défaillances de systèmes industriels, lorsqu’il est réalisé avec efficacité, représente un des moyens pour contribuer à obtenir un meilleur gain de productivité. Sa vocation première est de détecter et de localiser une défaillance des matériels. Les machines électriques sont très présentes dans de nombreux processus et leur surveillance est devenue un souci permanent particulièrement dans les systèmes embarqués. Les défauts dans les machines électriques peuvent être d’origine mécanique (excentricité du rotor, défaut sur les accouplements, usure des roulements,…), électrique (court circuit du bobinage statorique, rupture de barre ou d’anneau,…) ou magnétique (défaut d’isolement entre les tôles statoriques). Les variables mesurables telles que les courants, les tensions, la vitesse ou bien encore la température peuvent fournir des informations significatives sur les défauts et ainsi servir à déterminer un ensemble de paramètres représentant les signatures de défauts du moteur.

La modélisation des défauts dans les systèmes industriels et particulièrement les défauts d’ordre électriques, est une première étape nécessaire pour prédire le comportement du système en présence d’un défaut ou dès son apparition. Cette prédiction est nécessaire pour diverses raisons que nous allons présenter de manière non exhaustive.
• La prédiction théorique des comportements des systèmes électriques et particulièrement des machines électriques, permet de donner quelques signes extérieurs mesurables correspondants à un défaut bien identifié. C’est la notion de signature de défauts bien utilisée pour la surveillance et le diagnostic en ligne des systèmes.
• Lorsqu’un défaut n’est pas très grave et qu’il est impossible d’arrêter le système immédiatement, la prédiction exacte des phénomènes permet de reconfigurer l’architecture du système par la commande et commuter vers un fonctionnement en mode dégradé. A titre d’exemple, la perte d’une phase parmi q phases d’une machine q-phasée (q>3) peut être compensée par une adaptation des courants dans les (q-1) phases saines pour réduire les ondulations du couple générées par la perte d’une phase.
• La présence d’un défaut peut provoquer ou non la dégradation du matériau selon sa gravité. La modélisation locale des effets de ce défaut permet de prédire si le système peut continuer à fonctionner ou s’il faut l’arrêter immédiatement.

Le premier objectif de nos travaux est l’établissement de modèles suffisamment précis permettant de déterminer rapidement le comportement des différentes variables de machines électriques en présence d’un défaut électrique dans leur bobinage statorique. Les modèles de type circuit électrique sont souvent très simples et leur précision doit être validée. Etant donné que l’apparition d’un défaut électrique au stator modifie la répartition du courant dans les encoches statoriques, les hypothèses justifiées pour la modélisation d’une machine saine, peuvent ne pas être valides en cas de défauts électriques. La modélisation locale utilisant la répartition du champ électromagnétique dans la machine en tenant compte de différents phénomènes tels que la saturation locale ou l’effet des harmoniques d’espace, donne une meilleure représentation des phénomènes mais elle reste lourde et nécessite un calcul complet pour chaque cas. De ce fait, nous utilisons ce type de modèle, d’une part pour étudier le comportement précis des différentes grandeurs de machines électriques en présence de défauts électriques et d’autre part pour valider les modèles plus simples de type circuits électriques.

Etant donné qu’à la suite d’un défaut électrique statorique, il peut s’établir des courants d’amplitude dangereusement élevée dans certaines parties du bobinage statorique de machines électriques, l’autre objectif de nos travaux est de dimensionner des machines électriques à courant de court-circuit d’amplitude suffisamment faible, ce qui réduirait le risque de propagation du défaut.

L’étude des défauts dans les dispositifs électriques est un domaine qui a pris une place importante depuis que les exigences de fiabilité, de sûreté et de disponibilité sont devenues assez sévères dans les systèmes industriels. En effet, la continuité de service est une qualité importante et incontournable que doit avoir tout système de nos jours pour satisfaire les exigences de l’utilisateur. Les éléments d’un système sont interdépendants si bien qu’une panne dans un élément peut entraîner l’arrêt total du système et ce type de situations a un coût non négligeable dans certaines applications. Nous pouvons imaginer, par exemple, une panne dans le système de propulsion d’un navire de croisière en pleine mer avec quelques milliers de passagers. L’armateur et le concepteur du navire doivent faire en sorte qu’une telle situation ne puisse pas se produire en aucun cas. D’autres situations peuvent être imaginées, telle qu’une panne importante dans les systèmes de navigation d’un avion en plein vol.

L’étude des défauts peut être menée suivant différentes approches selon l’angle sous lequel on se place. Lorsque le système est déjà mis en place, il est plus adéquat de prévoir des outils de surveillance ou de diagnostic permettant de déceler un début de défaillance dans un temps raisonnable pour pouvoir y remédier. Une autre approche consisterait à prévoir et à dimensionner le système pour réduire le taux de pannes à un niveau le plus bas possible soit par la redondance des équipements soit par la conception d’architectures tolérantes aux défauts. Cette approche a été menée au laboratoire à travers l’étude de quelques architectures d’ensembles convertisseurmachine à multi-canaux. L’autre approche consisterait en une modélisation des systèmes, en particulier les machines électriques, en présence d’un défaut afin de prédire le plus fidèlement possible son comportement dès l’apparition d’un défaut. Le but étant de prévoir un arrêt du système si le défaut est dangereux ou alors de modifier les lois de commande intégrant ce défaut si la machine peut fonctionner même en présence de ce défaut. Cette modélisation peut être conduite avec des modèles internes basés sur le calcul de la répartition des champs électromagnétiques dans la machine ainsi que son éventuelle distorsion suite au défaut. Elle peut encore être menée via des modèles externes dont les paramètres sont identifiables par des méthodes bien définies. En pratique et en finalité, il est toujours souhaitable d’avoir un modèle le plus simple et le plus rapide et le plus représentatif possible du système.

On désigne par défaillance dans les machines électriques tout incident donnant lieu à un comportement anormal de la machine et qui peut à court ou long terme provoquer son endommagement. Les défaillances peuvent être d’origines diverses, électriques, mécaniques ou bien encore magnétiques. Leurs causes sont multiples et peuvent être classées en trois groupes [Odo 85] :
• 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, … .
• les amplificateurs de défauts : surcharge fréquente, vibrations mécaniques, environnement humide, échauffement permanent, mauvais graissage, vieillissement,… .
• les vices de fabrication et les erreurs humaines : défauts de fabrication, composants défectueux, protections inadaptées, mauvais dimensionnement de la machine, … .