Etat de l’art sur les défauts dans les machines asynchrones

Malgré la robustesse des machines asynchrones, elles peuvent présenter une multitude de défauts électriques, mécaniques ou magnétiques qui sont prévisibles ou inopportuns. D’autres défauts ont souvent lieu dans la chaîne d’entraînement, tels que les pannes au niveau de la charge, les défauts dans l’alimentation et dans les réducteurs mécaniques. Les causes de ces défauts sont multiples, la corrosion et l’hostilité du milieu dans lequel fonctionne la machine peut être l’agent d’une défaillance ou une erreur quelconque de manipulation par l’utilisateur ou encore un problème à l’étape de fabrication, peuvent être fatales pour la machine. Nous présentons dans ce chapitre les divers défauts que présentent les machines asynchrones, leurs causes ainsi que leurs éventuels effets et les solutions possibles pour leur détection. Puis nous énumérons les méthodes qui sont employées pour le diagnostic des machines.

Les causes des défauts dans les machines asynchrones

[RAZ 2003] et [OND 2006]:
Les effets des défauts qui surviennent au niveau du stator sont principalement dus à un problème thermique (surcharge,…), électrique (diélectrique,…), mécanique (bobinage,…) ou environnemental (agression par le milieu hostile, …). Ceux qui se produisent dans le rotor sont dus à problème thermique (surcharge,…), électromagnétique (force en B2 (t),…), résiduel (déformation,…), dynamique (arbre de transmission,…), mécanique (roulement,…) ou environnemental (agression par le milieu hostile, …). Leurs causes sont nombreuses et elles sont classées en trois groupes [CAS 2003] [BOU 2001] :

◆ Les initiateurs de défauts ou les générateurs de défauts
• surchauffe du moteur
• défaut électrique (court-circuit) et surtension transitoire
• usure des éléments mécaniques (roulements à billes)
• rupture de fixation et problème d’isolation électrique

◆ Les contributeurs aux défauts ou les amplificateurs de défauts
• surcharge fréquente
• température ambiante élevée et humidité
• fortes vibrations mécaniques et ventilation défaillante
• vieillissement et mauvais graissage
• alimentation perturbée (instabilité de la tension ou de la fréquence)

◆ Les défauts sous jacents et erreurs humaines
• défauts de fabrication et mauvais dimensionnement de la machine
• composants défectueux et absence de maintenance
• protections inadaptées

Les divers défauts des machines asynchrones

Les moteurs asynchrones sont maintenant largement utilisés dans des applications nécessitant une vitesse variable. Ces machines ont la réputation d’être robustes, d’être adaptées à des applications de forte puissance mais il n’est pas rare que ces moteurs présentent quelques défaillances. Les défauts typiques des machines asynchrones sont :
• un défaut au niveau du rotor qui serait une rupture totale ou partielle de barre ou de portion d’anneau de court-circuit au niveau de la cage rotorique,
• un défaut de contact bague-balai dans le cas d’un rotor bobiné,
• un défaut d’alignement prononcé par 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.

Défaillances d’ordre mécanique

Ces défaillances peuvent se produire au niveau des roulements à billes, des flasques ou de l’arbre moteur. Elles sont, en général, les plus rencontrées parmi l’ensemble des défauts que compte la machine, [DID 2004]

Défaillance des paliers (Les roulements)
Lors de son installation, le palier est souvent appuyé sur l’arbre ou dans le carter. Il s’ensuit alors un possible désalignement qui peut apparaître de quatre manières différentes : Le désalignement proprement dit où les deux paliers (supportant le même arbre) ne sont pas dans le même axe, la flexion de l’arbre, l’inclinaison d’une bague extérieure de roulement, l’inclinaison d’une bague intérieure de roulement .

Défaillance du flasque
Les défauts créés par les flasques sont le plus souvent occasionnés à l’étape de fabrication. Des désalignements des roulements à billes sont provoqués par un mauvais positionnement des flasques induisant une excentricité au niveau de l’arbre de la machine. L’analyse vibratoire de la machine ou l’analyse harmonique des courants statoriques permet de détecter ce type de défauts.

Défaillance des roulements
Un mauvais choix du matériau à l’étape de fabrication peut causer des défauts au niveau des roulements à billes. Un roulement fissuré, écaillé ou abîmé crée des problèmes de rotation au sein de la culasse du roulement engendrant ainsi des perturbations sur la machine. Dans certains cas, la graisse de lubrification des roulements assurant la bonne rotation de l’arbre se rigidifie et cause une résistance à la rotation. Pour des vitesses assez élevées, la circulation des courants dans les roulements provoque la détérioration du moteur. Pour détecter ce type de défaillances, l’analyse vibratoire de la machine ou l’analyse harmonique des courants statoriques est possible.

Défaillance de l’arbre
L’emploi d’un mauvais matériau pour la construction de la machine peut engendrer des fissures sur l’arbre et à court ou à long terme, une fissure devient une cassure qui provoque l’arrêt de la machine. Les milieux dans lesquels sont utilisées les machines exercent une influence sur l’état des éléments constitutifs telle que la corrosion qui affaiblie la robustesse de l’arbre et l’humidité qui cause des microfissures pouvant détruire complètement la machine. On peut détecter ce type de défaillances par analyse vibratoire, analyse ultrason ou par analyse fréquentielle des courants absorbés.

L’excentricité (au rotor)
Parfois, la machine électrique peut être soumise à un décentrement du rotor, (décalage entre le centre de rotation de l’arbre et le centre du rotor). Ce phénomène est appelé excentricité (statique et dynamique) dont l’origine 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 (usinage). L’excentricité statique : le rotor est déplacé du centre de l’alésage stator mais tourne toujours autour de son axe. L’excentricité dynamique : le rotor est positionné au centre de l’alésage stator mais ne tourne plus autour de son axe. L’excentricité mixte qualifiée de globale associe l’excentricité statique et dynamique.

Défaillances d’ordre électrique

Les défaillances d’ordre électrique se répartissent en deux catégories; celles qui apparaissent au niveau des circuits électriques rotoriques, et celles qui apparaissent au sein des circuits électriques statoriques. Au même titre que les défauts mécaniques, elles peuvent causer un arrêt irrémédiable de la machine.

Défaillances électriques rotoriques
Les ruptures partielles ou totales de barres ou d’anneaux de court-circuit sont considérées comme des défaillances électriques. L’impossibilité de construire une cage d’un seul bloc sauf pour les petites et moyennes puissances, oblige les constructeurs à pratiquer des soudures aux extrémités de barres afin de les relier aux deux anneaux de court-circuit. La fragilité des soudures devant les barres et les anneaux qui sont fabriqués d’un seul bloc, provoque la fragilité de la cage à l’endroit de la jointure. Les causes principales de ces ruptures sont diverses :
• des contraintes mécaniques provoquées par des forces électromagnétiques ou des vibrations mécaniques excessives.
• des démarrages trop fréquents induisant des courants élevés dans les barres ou dans les anneaux.
• des contraintes environnementales causées par une contamination ou une abrasion de la cage rotorique (industrie chimique,…). Une analyse vibratoire ou une analyse harmonique des courants statoriques permet de détecter ce type de défauts.