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Introduction au diagnostic
La plupart des installations industrielles sont surveillés par des systèmes spécifiques dans le but de garantir la sûreté des installations, d’améliorer leur disponibilité en évitant des arrêts et de réduire les coûts de maintenance. La surveillance des procédés implique le diagnostic des défaillances. Ce diagnostic consiste en la détection d’un changement anormal dans le comportement ou dans l’état d’un système et dans la localisation de sa cause.
Le principe général des algorithmes de diagnostic est basé sur l’exploitation des données relevées sur le système et de la connaissance que l’on possède de son fonctionnement sain (pour la détection) ou de son fonctionnement défaillant (pour la localisation). Ces algorithmes élaborent des symptômes révélateurs du comportement défaillant et de la nature du dysfonctionnement. Ainsi en médecine, la fière est un symptôme révélateur de la maladie d’un patient, mais ce symptôme seul ne permet pas de localiser l’origine de la maladie. Dans les domaines où la sécurité de fonctionnement était critique tels l’aéronautique, le nucléaire, les industries pétrochimiques ; et pour assurer la sûreté, les premières méthodes utilisées sont la redondance matérielle. Cette méthode, relativement simple à mettre en œuvre, consiste à multiplier les éléments critiques d’une installation (actionneur, capteur, système de commande).
Un système de supervision traite les signaux des éléments redondants et en cas d’incohérence entre ces signaux, on distingue les éléments défectueux. Les méthodes de diagnostic se divisent en trois familles qui dépendent essentiellement de la formalisation de la connaissance du système dont on dispose : Les méthodes basées sur une modélisation quantitative du système ; Les méthodes basées sur une modélisation des signaux ; Les méthodes dites de connaissance.
Le développement de l’informatique en temps réel, des travaux de recherche dans les domaines de l’estimation d’état, de l’identification et de l’intelligence artificielle a conduit à l’émergence de nouvelles méthodes permettant d’éliminer une partie ou la totalité de la redondance matérielle.
Présentation d’un entraînement électrique
Un entraînement électrique est un système composé généralement d’une machine tournante, de son alimentation et de son système de contrôle (numérique ou analogique) et de sa charge. Généralement une machine est alimentée à travers un convertisseur statique pour obtenir un système à vitesse variable qu’est éléments très important dans les installations industrielles. Le système étudié dans ce mémoire est constitué d’une machine asynchrone à cage d’écureuil alimenté par un onduleur de tension à GTO commandé par une modulation de la largeur d’impulsion (onduleur à GTO).
Les entraînements électriques se compose des plusieurs parties sensibles, et sont de plus en plus soumis aux défaillances, ce qui rend le suivi de fonctionnement indispensable. La partie alimentation de la machine est constituée d’une source de tension continu qu’on peut obtenir par l’intermédiaire d’un redresseur et un onduleur qui transforme la tension continu en tension alternative variable pour pouvoir varier la vitesse du moteur asynchrone. Vu l’importance de l’onduleur dans cette chaîne il est nécessaire de décrit les différents types d’onduleur et leurs principe de fonctionnement. On distingue deux grands types d’onduleurs :
Les onduleurs de tension alimentée par une source de tension continue ; Les onduleurs de courant alimentée par une source de courant continue.
Les onduleurs peuvent être monophasée ou triphasés selon le récepteur alimenté. Les onduleurs alimentent presque toujours des moteurs triphasés, synchrones ou asynchrones. Nous nous limitons dans ce travail aux onduleurs triphasés.
L’onduleur alimentant un moteur doit délivrer des tensions et des courants de fréquences variables dans but de varier la vitesse de la machine. La commande de l’onduleur dépend du mode de fonctionnement des semi conducteurs c’est-à-dire leurs ouverture et fermeture par période. Si on effectue aux semi conducteurs une seule fermeture et ouverture par période, on dit alors que l’onduleur à un créneau par alternance ou en plein onde (180°) ou de décalée (120°).
Mais on utilise de plus des semi conducteurs qui travaillent à fréquence plus élevée pour les faire fonctionner plusieurs fois par période.
On obtient des tensions et des courants de sortie de plusieurs créneaux de largeurs convenables et on a alors des onduleurs à MLI (modulation de largeur impulsion).
Onduleur de tension
L’onduleur est formé de six thyristors GTO ou IGBT ou MOSPET et six diodes alimentées en antiparallèle. La commande MLI délivre les ondes d’allumage et d’extinction des thyristors GTO, à partir d’un signal modulant triangulaire (la porteuse) et des tensions de références sinusoïdales. Donc l’onduleur est un convertisseur statique qui doit assurer la transformation continue alternative, c’est-à-dire à partir d’une source de tension contenue on peut produire à la sortie de l’onduleur une tension alternative à fréquence variable. Pour pouvoir obtenir cette transformation, il faut découper la tension d’entrée et de l’appliquer tantôt dans le sens positif, tantôt dans le sens négatif. Lorsque le fonctionnement de l’onduleur est dit autonome, il détermine lui-même la fréquence. Selon le signal alternatif, produit à la sortie, on distingue des onduleurs monophasées ou triphasés . Dans la pratique les onduleurs triphasés sont plus importants et sont plus utilisés que les onduleurs monophasés. On les rencontre pour les puissances de quelques centaines de watts jusqu’à plusieurs centaines de Kilowatts. Leurs applications principales consistent en l’alimentation des moteurs asynchrones à fréquences variables. On cherche à approximer des tensions de sortie sinusoïdales en faisant varier sinusoïdalement leurs moyennes. L’alternance sera formée de plusieurs successions de créneaux de largeurs convenables.
Différents types de moteurs asynchrones
Rotor bobiné : Le rotor comporte un enroulement bobiné à l’intérieur d’un circuit magnétique constitué de disques empilés sur l’arbre de la machine. Cet enroulement est obligatoirement polyphasé, même si le moteur est monophasé, et, en pratique, toujours triphasé à couplage en étoile. Les encoches, découpées dans les tôles, sont théoriquement parallèles à l’axe du moteur, mais, en fait, légèrement inclinées par rapport à cet axe de façon à réduire certaines pertes dues aux harmoniques.
Les extrémités de l’enroulement rotorique sont sorties et reliées à des bagues montées sur l’arbre, sur lesquelles frottent des balais en carbone. On peut ainsi mettre en série avec le circuit rotorique des éléments de circuit complémentaires qui permettent des réglages, par exemple de couple ou de vitesse . Rotor à cage : Le circuit du rotor est constitué de barres conductrices régulièrement réparties entre deux couronnes métalliques formant les extrémités, le tout rappelant la forme d’une cage d’écureuil. Bien entendu, cette cage est insérée à l’intérieur d’un circuit magnétique analogue à celui du moteur à rotor bobiné.
Les barres sont faites en cuivre, en bronze ou en aluminium, suivant les caractéristiques mécaniques et électriques recherchées par le constructeur. Dans certaines constructions, notamment pour des moteurs à basse tension (par exemple 230/400V), la cage est réalisée par coulée et centrifugation d’aluminium. On démontre que, si le nombre de barres Nb est suffisamment grand (soit, en pratique, Nb ≥ 8 p), la cage se transforme automatiquement en un circuit polyphasé de polarité adéquate.
Ce type de moteur, beaucoup plus aisé à construire que le moteur à rotor bobiné, est d’un prix de revient inférieur et à une robustesse intrinsèquement plus grande. Il n’est donc pas étonnant qu’il constitue, et de loin, la plus grande partie du parc des moteurs asynchrones en service. Son inconvénient majeur est qu’il ne permet pas d’insérer un rhéostat et qu’il a, au démarrage, de mauvaises performances (courant élevé et couple faible). C’est pour remédier à cette situation qu’ont été développés deux autres types de moteur (rotor à double cage et rotor à encoches profondes) .
Les défauts au stator de la machine
Les défauts d’isolements sont la majorité des défauts statorique, mais aussi, il existe d’autre type des défauts qui sont important et influent sur le comportement de la machine. L’existence de courants de court circuit, que ce soit entre phase ou par rapport à la terre. L’existence d’un court circuit dans le bobinage statorique engendre une augmentation des courants dans les phases affectées, modifié le facteur de puissance et amplifie les courants de phases .
Les défauts affectant le stator peuvent être classés comme suit : Défauts thermiques lies aux surcharges et à l’age qui endommagent l’isolant des conducteurs.
Défauts électriques qui consistent en des courts circuits entre phases ou entre spires. Ils sont liés à une dégradation de l’isolation dans un environnement donné (humidité, température).
Défauts mécaniques comme les mouvements d’une bobine suite à des vibrations d’origine électromécaniques. Ceci peut entraîner une dégradation de l’isolant.
En définitive, tous ces défauts conduisent, à terme, à la mise en court circuit de tout ou partie de l’alimentation de la machine. Ils seront donc à l’origine de transitoires de courant et de couple pouvant être criques pour la chaîne de traction.
Table des matières
Introduction générale
I) Les différentes méthodes de diagnostic
I-1) Introduction au diagnostic
I-2) Méthodes de diagnostic
I-2-1) Méthodes basées sur une modélisation mathématique du système
I-2-2) Méthodes basées sur une modélisation des signaux
I-2-3) Méthodes de connaissance
I-2-3-1) Méthode n’utilisant pas de modèle qualitatif
I-2-3-2) Méthodes basées sur un modèle qualitatif
I-3) Conclusion
II) Présentation d’un entraînement électrique
II-1) Introduction
II-2) Onduleur de tension
II-2-1) Introduction
II-2-2) La commande en MLI
II-3) Présentation des moteurs asynchrones
II-3-1) Introduction
II-3-2) Différents parties de la machine
II-3-3) Différents types de moteurs asynchrones
II-3-3-1) Rotor bobiné
II-3-3-2) Rotor à cage
II-3-4) Moteur asynchrone triphasé
II-4) Conclusion
III) Etude des différents défauts dans un entraînement électrique
III-1) Introduction
III-2) Les principaux défauts de la machine
III-2-1) Les défauts des roulements
III-2-2) Les défauts au stator de la machine
III-2-3) Les défauts au rotor de la machine
III-3) Les défauts de dans le convertisseur statique
III-4) Les défauts de la transmission mécanique
III-4-1) Les défauts réparties sur toutes les dents
III-4-2) Les défauts localisés sur certaines dents
III-5) Conclusion
IV) Modélisation de moteur asynchrone
IV-1) Introduction
IV-2) Transformation de Clarke
IV-3) Transformation de Park
IV-4) Equation de tension
IV-5) Transformation de Park appliquée à la machine asynchrone
IV-5-1) Transformation des grandeurs statoriques et rotoriques
IV-5-2) Equation de Park de la machine asynchrone exprimée dans différents référentiels
IV-5-3) Equation de Park en régime permanent
IV-5-4) Choix de référence
IV-5-5) Les paramètres techniques du moteur asynchrone
IV-5-6) Représentation graphique de la dynamique du moteur asynchrone
IV-6) Conclusion
V) L’approche modèle
V-1) Introduction
V-2) Modèle
V-2-1) Modèle de base
V-2-2) Modèle des défauts pour la synthèse des observateurs
V-2-2-1) Pour la machine
V-2-2-2) Pour les capteurs
V-2-2-3) Pour l’onduleur
V-3) Observateur de Luenberger
V-4) Synthèse d’un observateur de Luenberger pour le diagnostic
V-5) Estimation de Kalman
V-6) Conclusion
VI) Application de l’analyse spectrale
VI-1) Introduction
VI-2) Champs d’application des méthodes de diagnostic
VI-3) Simulation du moteur asynchrone à cage
VI-3-1) Simulation du moteur
VI-3-2) Simulation du moteur
VI-4) Conclusion
Conclusion générale
Référence et bibliographie
