Les différents défauts de la machine asynchrone

Constitution de la machine asynchrone :

La machine asynchrone, souvent appelée moteur à induction comprend un stator et un rotor, constitués de tôles d’acier au silicium et comportant des encoches dans lesquelles on place les enroulements. Le stator est fixe ; on y trouve les enroulements reliés à la source. Le rotor est monté sur un axe de rotation. Selon que les enroulements du rotor sont accessibles de l’extérieure ou sont fermés sur eux mêmes en permanence, on définit deux types de rotor bobiné ou à cage d’écureuil. Toutefois, nous admettrons que sa structure est électriquement équivalente à celle d’un rotor bobiné dont les enroulements sont en court-circuit. (Figure I.1) On se propose, dans cette partie, de donner quelques précisions sur les éléments de constitution des machines asynchrones. Cette description va nous permettre de comprendre de quelle façon le système est réalisé physiquement. Les machines asynchrones triphasées peuvent se décomposer, du point du vue mécanique, en trois parties distinctes :

Le stator : Le stator de la machine asynchrone est constitué de tôles d’acier dans lesquelles sont placés les bobinages statoriques. Ces tôles sont, pour les petites machines, découpées en une seule pièce alors qu’elles sont, pour les machines de puissance plus importantes, découpées par sections. Elles sont habituellement recouvertes de vernis pour limiter l’effet des courants de Foucault. Au final, elles sont assemblées les unes aux autres a l’aide de boulons ou de soudures pour former le circuit magnétique statorique. Une fois cette étape d’assemblage terminé, les enroulements statorique sont placés dans les encoches prévues à cet effet. Ces enroulements peuvent être insérés de manière imbriques, ondules ou encore concentriques. L’enroulement concentrique est très souvent utiliser lorsque le bobinage de la machine asynchrone est effectue mécaniquement.

Pour les grosses machines, les enroulements sont faits de méplats de cuivre de différentes sections insérés directement dans les encoches. L’isolation entre les enroulements électriques et les tôles d’acier s’effectue à l’aide de matériaux isolants qui peuvent être de différents types suivant l’utilisation de la machine asynchrone. Le stator d’une machine asynchrone est aussi pourvu d’une boite à bornes à laquelle est reliée l’alimentation électrique. Nous représentons sur la figure I.2 les différentes parties de constitution du stator d’une machine asynchrone. Nous pouvons visualiser la présence d’ailettes de ventilation assurant le refroidissement de la machine lorsque celle-ci fonctionne en charge.

Le rotor : Tout comme le stator, le circuit magnétique rotorique est constitue de tôles d’acier qui sont, en général, de même origine que celle utilise pour la construction du stator. Les rotors des machines asynchrone peuvent être de deux type : bobinés ou à cage d’écureuil. (Voir la figure I.3 et la figure I.4. Les rotors bobinés sont construit de la même manière que le bobinage statorique (insertion des enroulements dans les encoches rotoriques). Les phases rotoriques sont alors disponibles grâce à un système de bagues-balais positionné sur l’arbre de la machine. En ce qui concerne les rotors à cage d’écureuil, les enroulements sont constitués de barres de cuivre pour les gros moteurs ou d’aluminium pour les petits.

Ces barres sont court-circuitées à chaque extrémité par deux anneaux dit « de court-circuit », eux aussi fabriqués en cuivre ou en aluminium. Il existe différentes structures de rotor à cage qui dépend principalement de la taille du moteur et de l’application qu’il en sera faite. Nous donnons à la figure I.5 les différents éléments de constitution d’un rotor à cage d’écureuil. Nous pouvons visualiser l’arbre sur lequel les tôles sont empilées, les deux anneaux de court-circuit ainsi que les barres d’aluminium formant la cage d’écureuil. Très souvent, ces barres sont uniformément inclinées pour limiter les harmoniques et ainsi diminuer très fortement le bruit lors de l’accélération de la machine asynchrone. L’isolation des barres avec les tôles magnétiques n’est en général pas nécessaire du fait de la faible tension induite aux bornes de chacune d’entre elles. De plus, la résistivité de l’alliage utilisé pour la construction de cette cage est suffisamment faible pour que les courants ne circulent pas à travers les tôles magnétiques, sauf lorsque la cage rotorique présente une rupture de barre. Le rotor de la machine asynchrone est aussi pourvu d’ailettes de ventilation pour permettre un refroidissement de la cage le plus efficace possible comme le montre la figure I.3

Méthode des éléments finis

La modélisation des dispositifs électromagnétiques basée sur le calcul de la répartition du champ est la méthode dite « locale » de représentation des phénomènes. Elle peut être mise en œuvre avec un calcul analytique ou alors en utilisant les méthodes numériques bien développées de nos jours. La méthode des éléments finis (FEM) est la méthode la plus adéquate et la plus répandue pour le calcul de champs magnétiques statiques ou quasi-statiques ; elle permet de décrire fidèlement des géométries complexes et de tenir compte des non linéarités des propriétés physiques telle que la loi b(h) dans les matériaux magnétiques. La modélisation des machines électriques a connu un développement remarquable ces dernières décennies grâce l’utilisation de la méthode des éléments finis.

En effet, beaucoup de laboratoires et chercheurs se sont penchés sur différents aspects pour aboutir actuellement à des outils de calculs permettant de tenir compte de plusieurs phénomènes physiques jusque là négligés ou approchés par des modèles externes. La méthode d’éléments finis est capable d’examiner l’effet de saturation et les effets d’harmoniques de l’espace et donne beaucoup d’informations précises sur le comportement des machines électriques mais elle requiert un temps de calcul important.

Aujourd’hui, on peut effectuer les analyses en régimes transitoires pas à pas dans le temps de la machine électrique grâce à la disponibilité des ordinateurs puissants. Cette méthode a permis un apport significatif en termes d’identification des paramètres des modèles circuit alliant ainsi la rapidité des modèles circuits et la précision des modèles champ. L’utilisation de cette méthode pour la modélisation des défauts dans les machines électriques est une étape importante qu’ont franchi un certain nombre de chercheurs.

Lorsqu’un défaut se produit dans la machine électrique, la répartition des courants dans les encoches et la distribution du champ sont plus ou moins modifiées en fonction de la gravité du défaut. La méthode d’éléments finis peut être utilisée pour le calcul de champs et l’identification précise des paramètres de la machine en présence de défaut. L’avantage qu’apporte une méthode basée sur le calcul de champ réside dans le fait qu’elle décrit les phénomènes localement, en particulier un défaut, elle en donne ensuite une représentation globale vu du circuit électrique équivalent. Actuellement, on peut disposer d’un outil complet permettant la simulation d’une machine électrique en présence d’un défaut de court-circuit et connectée à son alimentation. C’est ce que nous allons présenter en détail dans les chapitres suivants.

Cependant, l’utilisation de tels outils nécessite un temps de calcul long et une modélisation pour chaque configuration de défaut. Bien que cette approche de modélisation décrive précisément le comportement des variables internes et externes de la machine, elle ne peut pas être adéquate pour le diagnostiques des machines électriques. La méthode d’éléments finis a été utilisée pour l’identification des paramètres des modèles circuits équivalents de machines électriques avec défaut. On peut citer pour le cas des machines synchrones à aimants permanents, pour le cas des machines asynchrones et pour les machines à réluctance variable. les chapitres suivants.

Résultats de simulation lors d’un fonctionnement avec défaut statorique

Afin d’étudier le défaut entre-spires, des simulations ont été effectués. Des courts circuits ont été pratiqués uniquement sur le bobinage d’une phase, le nombre de spires court-circuité varie de 5 à 10% du nombre totale de spires appartenant à la même phase. Nous constatons que l’amplitude du courant dans la phase présentant un c-circuit est supérieure aux courants des autres phases. Toutefois, les courants qui parcourent ces phases sont amplifiés par rapport au cas du moteur sain. Cette amplification est fonction du nombre de spires en court-circuit. Nous constatons une augmentation proportionnelle au défaut des amplitudes des courants rotoriques par rapport au cas sain. D’autre part, le facteur de puissance global décroit avec l’augmentation du nombre de spires en court-circuit.

Ceci peut être interpréter par la modification de la distribution du bobinage, qui introduit une variation de l’inductance propre de la phase concernée par le défaut et affecte les autres phases par couplage magnétique. Concernant les oscillations de la vitesse de rotation, elles augmentent avec le nombre de spires en court-circuit. Lors de l’application d’un défaut de court-circuit, le couple électromagnétique possède une valeur moyenne à peu près égale au couple développé par la machine saine mais en présentant des bruits qui prennent de l’importance au fur et à mesure que le court-circuit devient important.

Les résultats nous montrent clairement que l’analyse directe du courant s’avère très difficile puisque, comme nous voyons, la modulation de l’amplitude est très faible à observer clairement et par conséquent il donne un diagnostic faible. La pauvreté du signal temporel du courant, en renseignements nécessaires pour détecter les défauts en questions, nous amène au signal fréquentiel qui offre des informations précieuses sur sa composition. Lors de l’application d’un défaut de court-circuit, le couple électromagnétique possède une valeur moyenne à peu près égale au couple développé par la machine saine mais en présentant des bruits qui prennent de l’importance au fur et à mesure que le court-circuit devient important. L’analyse directe des grandeurs électriques et électromécaniques reste imprécise pour l’étude des défauts. Dans ce qui suit nous utilisons la transformée de Fourier Rapide (FFT) pour mieux quantifier les anomalies introduites par les défauts en analysant particulièrement les raies de fréquences à proximité du fondamental.

Conclusion générale

L’évolution croissante des machines asynchrones dans les secteurs industriels oblige certains utilisateurs à se prémunir contre l’apparition d’un défaut provoquant le plus souvent un arrêt intempestif de la machine. Le travail présenté traite donc du diagnostic de défauts statoriques (plus précisément des courts circuits inter-spires au niveau du stator ) d’une machine asynchrone à rotor bobiné. En effet, le défaut a modifié les allures des variables tracées. La validation de la machine asynchrone triphasée est faite, en développant un modèle sur la base de la combinaison directe des différentes équations de cette machine.

Dans le premier chapitre, nous avons rappelé les éléments de constitution de la machine asynchrone afin de préciser les différents défauts pouvant survenir sur ceux-ci, aussi que leurs causes. Ensuite, nous avons présenté les différents types de diagnostic et les méthodes de diagnostic des défauts. Dans le deuxième chapitre nous avons développé un modèle triphasé pour l’étude de la machine asynchrone, qui permet de simuler le comportement de cette dernière. Ensuite, Nous avons construit un programme de simulation à l’aide du MATLAB R2009a. Ceci nous a permis de visualiser les performances de la machine, en considérant les différentes conditions de fonctionnement de la machine asynchrone à rotor bobiné sans et avec défauts (en charge et à vide).

Nous avons fait la simulation des performances de la machine (le couple, la vitesse de rotation, le courant statorique…) à l’état sain puis avec défaut de court-circuit statorique Le troisième chapitre a été consacré à la présentation et l’analyse des différents résultats de la simulation en s’appuyant sur l’analyse spectrale du courant A fin de limiter l’apparition de ces défaillances dans les machines asynchrones et de minimiser de leur effets ; nous proposons de faire un bon dimensionnement de la machine, une bonne application des cotes fonctionnelles de fabrication.

Aussi éviter son exposition à des grandes températures qui avancent la détérioration des isolants et le choix de l’emplacement en assurant la ventilation de système, éviter les surcharges, appliquer une alimentation stable en tension et en fréquence. En plus, il faut une maintenance régulière, un bon nettoyage des enroulements à billes à fin de limiter leur usures et de les graissés et de bien faire le couplage du moteur avec la charge pour avoir l’homogénéité de système couplé. Ce travail non exhaustif évidement, pourrait donner lieu à des études complémentaires dans la direction suivante : Les signaux issus de la machine, sont analysés par la maintenance, en effectuant l’évolution temporelle et fréquentielles de ces signaux qui peuvent être exploité pour détecter les anomalies qui affectent le bon fonctionnement de la machine, c’est l’analyse spectrale.