Diagnostic et détection des défauts dans les machines asynchrones par des méthodes avancées de traitement du signal

25/01/2018
Publication 3EI 3EI 2018-91
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-91:22155
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Diagnostic et détection des défauts dans les machines asynchrones par des méthodes avancées de traitement du signal

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Sûreté de fonctionnement et diagnostic La Revue 3EI n°91 Janvier 2018 43 Hors Thème Diagnostic et détection des défauts dans les machines asynchrones par des méthodes avancées de traitement du signal ELBOUCHIKHI ELHOUSSIN*, YASSINE AMIRAT*, GILLES FELD*, FRANCK LE GALL*, MOHAMED BENBOUZID** * ISEN YNCREA OUEST, IRDL FRE CNRS 3744, 20, Rue Cuirassé Bretagne, 29200, Brest ** Université de Brest, IRDL FRE CNRS 3744, 29238 Brest Cedex 03 Elhoussin.elbouchikhi@isen-ouest.yncrea.fr, yassine.amirat@isen-ouest.yncrea.fr, gilles.feld@isen-ouest.yncrea.fr, franck.le-gall@isen-ouest.yncrea.fr, Mohamed.Benbouzid@univ-brest.fr 1. Introduction La machine asynchrone est l’une des machines les plus utilisées dans l’industrie, grâce à sa robustesse, sa fiabilité et son faible coût. Malheureusement, ces machines sont impactés par des défaillances diverses qui peuvent conduire à l’arrêt de la production et causer des dommages aux équipements et humains aux alentours. Par conséquent, la surveillance et le diagnostic de ces machines deviennent primordiaux afin de diminuer les coûts de maintenance et d’exploitation, augmenter la sécurité et la disponibilité des équipements et garantir la continuité de la production. L’objectif des activités de recherche dans cette thématique est de proposer des techniques fiables et efficaces pour détecter et caractériser des défauts de façon précoce et ainsi intervenir avant l’arrêt définitif du système [1]. Différentes techniques sont mises en œuvre pour réaliser la détection des défauts et le diagnostic des machines asynchrones. Ces techniques se basent essentiellement sur des techniques de traitement de grandeurs physiques issues de capteurs électriques, magnétiques, thermiques, acoustiques, vibratoires, récupérés sur le système [2]. L’utilisation des signaux électriques présente l’avantage d’être non- intrusive et ne nécessite pas de capteurs supplémentaires. En effet, les courants sont généralement mesurés à des fins de contrôle ou de protection. Cet article présente un état de l’art des techniques utilisées pour la détection des défauts dans les machines électriques en analysant le courant statorique. Il présentera, dans un premier temps, les défauts des machines asynchrones et leurs conséquences. Il s’intéressera ensuite à la sûreté de fonctionnement des entraînements électriques. Finalement, il présentera les techniques permettant de détecter et caractériser ces défauts. L’étude de ces techniques permettra de proposer des outils de diagnostic et de surveillance en temps réel de ces entraînements et ainsi augmenter leur fiabilité et leur disponibilité. 2. Les défauts de machine asynchrone : causes, conséquences et solutions Malgré leur robustesse et leur fiabilité élevée, les machines asynchrones peuvent présenter plusieurs défauts qui peuvent impactés la partie mécanique, électrique, contrôle/commande ou l’électronique de puissance et éventuellement des défauts combinés. 2.1. Les défauts et leur fréquence d’occurrence Les machines asynchrones sont assujetties à des défaillances diverses et variées tels que l’excentricité, Résumé: La détection des défauts électriques et mécaniques dans les machines électriques par des méthodes d’analyse des courants statoriques a été largement explorée. Ces techniques sont communément appelés MCSA (Motor Current Signature Analysis) et se basent principalement sur l’analyse de la densité spectrale de puissance (DSP) des courants statoriques. En effet, les défauts se manifestent à travers l’apparition de nouvelles composantes fréquentielles ou l’augmentation de l’amplitude de certaines fréquences caractéristiques. Les méthodes permettant de mettre en relief l’apparition de telles composantes peuvent être classifiées en 3 grandes catégories : techniques d’estimation de la DSP, techniques de démodulation du courant statorique et les techniques temps/fréquence. Ce document propose un état de l’art des techniques de traitement de signal proposées dans la littérature pour l’analyse des signaux électriques afin d’en extraire les informations utiles à la détection et la caractérisation des défauts (classification). Les techniques abordées dans ce document sont illustrées pour la détection des défauts de roulements et de rupture de barres sur un banc expérimental dédié au diagnostic. Sûreté de fonctionnement et diagnostic La Revue 3EI n°91 Janvier 2018 44 Hors Thème l’oscillation de couple de charge, la rupture des barres rotoriques, les défauts de roulement, etc. Ces principales défaillances sont dues à des causes variées qui sont associées à la conception, la fabrication ou l’emploi. Les défauts au stator et les défauts de roulement représentent près de 80% des défauts constatés (Figure 1). Pour les machines de plus faible puissance, les défauts au stator sont moins fréquents. Tandis que les défauts de roulement et les défauts au rotor sont prépondérants pour les machines à hautes vitesse. Par conséquent, les roulements et les isolants constituent le maillon faible dans les machines asynchrones. Figure 1: Répartition des défaillances des composants [3]. 2.2. Les causes et les conséquences Les origines de ces défauts sont diverses et peuvent être classées en différentes catégories [4] : • Origines électriques : détérioration des isolants, sollicitations en tension importante dues à l’utilisation des convertisseurs statiques, fortes variations de courant dans des circuits inductifs : ouvertures et fermetures de disjoncteurs, déclenchements de fusibles, répartition non homogène des tensions dans le bobinage ce qui implique une forte sollicitation des isolants d’où un vieillissement accéléré. • Origines mécaniques : abrasion des matériaux isolants ou du cuivre, excentricité du stator par rapport au rotor, forces radiales et tangentielles dues à la présence de champs magnétiques indésirables, vibrations, usure par frottement pour les roulements. • Origines thermiques : déséquilibre de l’alimentation, nombre de démarrages successifs importants, surcharge mécanique, vieillissements thermique naturel des isolants, mauvaise ventilation. • Origines environnementales : poussières, humidité, graisse, acidité de l’air, température ambiante importante. Tous les défauts évoqués précédemment conduisent à des effets génériques qui peuvent être regroupées en 3 catégories principales [5-8] : • Les défauts qui entraînent une excentricité du rotor par rapport au stator : défauts de roulements, déformation du rotor ou de l’arbre, mauvais alignement, défaut de centrage. • Les défauts qui entraînent des oscillations de couple : défauts en tout genre de la charge mécanique, défauts de roulements. • Les défauts qui entraînent des perturbations de la répartition des forces magnétomotrices : défauts de court-circuit statoriques, rupture de connexions électriques au stator. 2.3. Mise en œuvre d’une stratégie de sûreté de fonctionnement De nombreux éléments d’un entraînement électrique peuvent être la source d’une défaillance : rotor, stator, roulements, charge, alimentation, etc. Chaque défaut peut produire des phénomènes différents qui se manifestent sur les différentes grandeurs fondamentales du système (vibrations, température, couple, courant). La mise en place d’une démarche de sûreté de fonctionnement nécessite des connaissances préalables sur le comportement des systèmes en défaut (outils de modélisation très utiles). Les outils de détection doivent être adaptés au mode de fonctionnement du système (régime permanent ou transitoire) et au type de défaut à détecter (mécaniques, électriques,…). Le diagnostic d’un défaut est une étape délicate qui nécessite des moyens et des connaissances plus poussées que la simple détection. Les actions à mener après détection/diagnostic dépendent de la nature de l’application et du défaut. 3. Surveillance et diagnostic de la machine asynchrone L’amélioration de la fiabilité et la disponibilité de la machine asynchrone dans les différentes applications industrielles nécessitent la mise en œuvre d’une stratégie de maintenance adéquate. Afin de diminuer les coûts de la maintenance et de l’arrêt du processus en cas de défaillance, il est obligatoire de mettre en place une surveillance en temps réel du dispositif. 3.1. Les différentes stratégies de maintenance La norme AFNOR NF [4] définit la maintenance comme «l'ensemble des actions permettant de maintenir ou de rétablir un bien dans un état spécifié ou en mesure d'assurer un service déterminé». La maintenance en milieu industriel peut être classifiée en deux grandes catégories qui sont : la maintenance corrective et la maintenance préventive. Cette dernière est une attitude proactive et est réalisée dans le but de réduire la probabilité de défaillance et ainsi augmenter la disponibilité de la machine asynchrone. On distingue deux formes particulières de maintenance préventive qui sont : • La maintenance systématique : opérations effectuées suivant un échéancier établi. Sûreté de fonctionnement et diagnostic La Revue 3EI n°91 Janvier 2018 45 Hors Thème • La maintenance conditionnelle : les opérations sont déclenchées lorsque certains paramètres mesurables atteignent un seuil limite (révélateur d’un état de dégradation avancée de l’équipement). La maintenance conditionnelle peut être mise en œuvre en surveillant certaines grandeurs physiques telles que les vibrations, la température, le champ magnétique, les grandeurs électriques, etc. 3.2. Surveillance de la machine asynchrone La surveillance de la machine asynchrone peut être réalisée en mesurant les vibrations au niveau de la machine. En effet, tous les défauts introduisent des vibrations supplémentaires sur le système électromécaniques. Ces vibrations excessives sont utilisé comme indicateur de défauts dans différents domaines industriels tels que les éoliennes, la traction électrique, etc. Or, ces techniques sont onéreuses et nécessitent des capteurs supplémentaires. Les défauts de la machine asynchrone peuvent conduire à des oscillations de couple et un déséquilibre au rotor. Par conséquent, la surveillance du couple a été proposée pour la détection des défauts. Toutefois, l’installation des capteurs de couple doit être réalisée sur l’arbre rotor ce qui rend le système de surveillance complexe et coûteux. La surveillance des roulements peut être réalisée en se basant la température. En effet, le standard IEEE 841 stipule qu’en état normal de fonctionnement, la température du roulement ne doit pas augmenter de plus de 45°C. Cependant, la température peut être affectée par d’autres paramètres tels que l’environnement, la vitesse de rotation, le couple développé, etc. L'analyse de la composition, le contenu, la taille et la classification des particules d'usure dans l'huile de lubrification des roulements et de nombreux autres composants de la machine asynchrone permettent de déterminer leur état de fonctionnement. De nombreuses autres méthodes existent telles que la surveillance des émissions acoustiques, la surveillance des flux, etc. Néanmoins, ces techniques sont plus compliquées à mettre en œuvre dans des applications réelles et nécessitent des capteurs supplémentaires, ce qui augmente le prix, la complexité du système de surveillance et peut diminuer la fiabilité de l’ensemble du système puisque ces éléments sont également assujettis à des défaillances. Cette étude des approches de maintenance conditionnelle souligne le besoin d'une approche de surveillance des conditions de fonctionnement efficace, non-intrusive et à moindre coût. Une technique prometteuse repose sur l’analyse des courants ou de la puissance. Elle est basé sur des mesures de courant et / ou de tension déjà disponibles à des fins de contrôle et de protection. Par conséquent, aucun capteur supplémentaire et aucun dispositif d'acquisition ne sont requis. De plus, les signaux de courant / tension sont fiables et facilement accessibles. Il s'ensuit que l’analyse courant / puissance présente un grand intérêt économique et peut être adopté par l'industrie. Ainsi, plusieurs activités de recherche ont été axées sur la détection de défauts à base de courant dans les machines électriques [6-7]. Les mesures de puissance ont également été étudiées. Le défi de l'utilisation des signaux de courant et/ou de tension pour la surveillance des conditions de fonctionnement est de proposer des techniques de traitement de signal permettant d'extraire des critères de détection des défauts en environnement stationnaire et non stationnaire (variations de vitesse, éolienne, etc.). Ceci afin de proposer des techniques de diagnostic intelligentes capable de classifier les défauts et de prévoir une défaillance potentielle (pronostic, maintenance prédictive). 3.3. Surveillance à travers l’analyse des courants statoriques Les défauts qui peuvent survenir sur des machines électriques ont un impact direct sur le contenu fréquentiel des courants statoriques ou rotoriques [1-6]. La Table 1 donne, dans le cas d’une machine asynchrone à cage d’écureuil, la signature fréquentielle de certains défauts. Défauts Signatures fréquentielles Excentricité