Banc de test du laboratoire LAPLACE

|−→P | = m.g (4.2)

Cette force provoque par conséquent une oscillation du couple de charge perçu par le moteur à la fréquence de rotation fr. Cette oscillation, notée Cbalourd(t), est

exprimée par l’équation (4.3).

Cbalourd(t) = m.g.R.cos(θ) = m.g.R.cos(2πfrt) (4.3)

En accord avec les éléments présentés dans la sous-section 3.1.1, cette oscillation provoque l’apparition de signatures caractéristiques dans les grandeurs électriques (courants) et mécaniques (vitesse, vibrations) mesurées sur le systèmes, en particu- lier sur la fréquence instantanée des courants. L’harmonique F I(fr) sera donc retenu

comme signature de défaut brute pour surveiller l’évolution du défaut de balourd dans les systèmes d’entrainement. Nous avons cependant vu qu’une oscillation de couple pouvait également faire apparaitre, dans une moindre mesure, des signatures

sur l’amplitude instantanée des courants (cf. [Tra09]). L’harmonique AI(fr) sera

donc également surveillé dans ce chapitre pour sa capacité à détecter les oscillations de couple mais également pour la détection d’une éventuelle excentricité du rotor provoquée par le balourd.

4.2

Banc de test du laboratoire LAPLACE

Afin de tester les performances du protocole de diagnostic développé dans les chapitres 2 et 3, nous allons l’appliquer ici dans le cas de la détection de différents niveaux de déséquilibre mécanique. Les caractéristiques du système expérimental utilisé sont présentées dans cette section (parties de puissance et de mesure) .

4.2.1

Éléments de puissance

Le banc expérimental du laboratoire LAPLACE utilisé dans ce chapitre pour la détection du défaut de balourd a été présenté brièvement dans le chapitre 2. La

description de la chaine électromécanique de ce système est maintenant détaillée dans cette sous-section. Cette partie est notamment composée :

→ d’un variateur de vitesse Leroy Somer de référence UMV 4301 associé à son armoire d’alimentation et de sécurité. Le fonctionnement en boucle ouverte (loi V/f) a été utilisé pour l’ensemble des essais réalisés dans ce chapitre et la fréquence de découpage fd a été fixée à 3 kHz. Les caractéristiques détaillées

du variateur de vitesse utilisé sont fournies en annexe A.1.1.

→ d’un moteur asynchrone Leroy Somer 5,5 kW. Des essais ont été réalisés pour deux moteurs, notés MAs n˚1 et MAs n˚2, de puissance équivalente mais aux caractéristiques différentes. Ces deux moteurs sont représentés sur la figure 4.3 et leurs caractéristiques sont détaillées en annexe A.1.2.

(a) MAs n˚1. (b) MAs n˚2.

Figure 4.3 – (a) Moteur asynchrone n˚1 (LS 132 ST → ancienne génération). (b) Moteur asynchrone n˚2 (LS 132 SU → nouvelle génération).

→ d’un disque en acier représenté sur la figure 4.4 auquel est associé une masse m de déséquilibre. Les caractéristiques du disque et des masses utilisées dans ce chapitre sont précisées en annexe A.1.4.

Figure 4.4 – Disque en acier avec la masse de déséquilibre m1 = 77, 5g attachée.

→ d’un accouplement rigide assurant la liaison mécanique entre le moteur asynchrone et sa charge.

→ d’une machine à courant continu Leroy Somer de référence MS 1321 M33 (avec son alimentation) dont les caractéristiques sont présentées en détail dans l’annexe A.1.3.

→ un banc de charge résistif relié à l’induit de la machine à courant continu et permettant de faire varier le couple de charge perçu par le moteur asynchrone. Une représentation schématique générale du banc de test et présentant ces dif- férents éléments est illustrée sur la figure 4.5.

MCC Banc de charge Source de tension Réseau MAs n°2 ou courants tensions vibrations couple vitesse Variateur de vitesse MAs n°1 Disque de balourd Système d’acquisition

Figure 4.5 – Représentation schématique du banc expérimental utilisé pour réaliser la détection de différents niveaux de déséquilibre mécanique. La partie relative à l’acquisition et au traitement des mesures est représentée en bleu.

À partir de cette partie de puissance, des essais peuvent être réalisés pour diffé- rentes vitesses en faisant varier la consigne du variateur, pour différents niveaux de charge en modifiant la configuration du banc de charge mais également pour diffé- rentes conditions de santé du système. Le niveau de balourd présent dans le système pourra être modifié en changeant la masse m attachée au disque d’acier représenté sur la figure 4.4. L’utilisation de ce système disque+masse permet d’obtenir des données fiables vis-à-vis du défaut de balourd. En effet, le système n’a pas besoin d’être démonté et remonté lorsque l’on modifie la condition de santé du système (i.e. lorsque l’on change le niveau de balourd). Les variations que nous pourrons observer entre le régime de fonctionnement sain et le régime défaillant seront donc uniquement dues à la présence du défaut.

Enfin, deux systèmes seront étudiés dans ce chapitre. Des essais seront tout d’abord effectués avec le MAs n˚1 (cf. section 4.3) puis avec le MAs n˚2 (cf. sec- tion 4.4) afin de valider la normalisation des signatures de défaut brutes pour deux moteurs différents. Ces deux campagnes expérimentales permettront également de vérifier la reproductibilité des résultats obtenus.

4.2.2

Mesure et acquisition des données expérimentales.

Le banc expérimental du LAPLACE intègre également une partie de mesure représentée en bleu sur la figure 4.5 et composée de :

→ trois sondes de courant permettant de mesurer les trois courants de phase du moteur.

→ trois sondes de tensions donnant les mesures des tensions composées aux bornes du moteur.

→ deux accéléromètres (Dytran 3055A2) permettant de mesurer les vibra- tions radiales du moteur.

→ un couple-mètre (Scaime DR2112) mesurant le couple de charge perçu par le moteur asynchrone.

→ un capteur de vitesse (dynamo tachymétrique Radio-Energie REO444) placé en bout d’arbre et permettant de mesurer la vitesse de rotation du sys- tème.

→ un système d’acquisition (UeiDaq DNA-205-AI) comportant 8 voies d’ac- quisition synchrones avec une résolution de 18-bits. Les caractéristiques de ce système sont présentées en annexe A.3.

→ un ordinateur d’acquisition avec une interface d’acquisition développée à l’aide du logiciel LabVIEW permettant d’enregistrer les données mesurées et de modifier les paramètres d’acquisition (nombre et durée des enregistrements, fréquence d’échantillonnage, etc.).

Le couple-mètre ainsi qu’une sonde de tension ont été représentés en pointillés sur la figure 4.5 car ils n’ont pas été utilisés dans les campagnes expérimentales présentées dans les sections 4.3 et 4.4. Ces capteurs ont été utilisés lors d’essais préliminaires mais la faible fiabilité du couple-mètre et le nombre limité de voies d’acquisition nous ont incité à ne pas les utiliser par la suite.

À l’aide du système d’acquisition et des différents capteurs présentés dans le paragraphe précédent, des enregistrements des grandeurs utiles à la détection du défaut de balourd peuvent être réalisés. Les grandeurs mesurées et sauvegardées dans chacun de ces enregistrements sont :

→ les trois courants de phases i1(t), i2(t) et i3(t),

→ les deux tensions composées U12(t) et U23(t),

→ les deux signaux vibratoires radiaux γr1(t) et γr2(t),

→ la vitesse de rotation du système Ω(t).

À partir de ces signaux, la fréquence et l’amplitude instantanée des courants stato- riques, respectivement notés FI(t) et AI(t), peuvent être calculées à l’aide des cou- rants de phase en utilisant les équations (3.6) et (3.7). De plus, le signal de vitesse Ω(t) est utilisé ici pour calculer la fréquence de rotation fr du système et permettre

ainsi la sélection des harmoniques AI(fr) et F I(fr) dans le spectre de l’amplitude

et de la fréquence instantanée des courants. La connaissance du signal Ω(t) n’est toutefois pas nécessaire pour calculer la fréquence fr puisque l’estimation de la vi-

tesse mécanique fournie par le variateur est amplement suffisante. Cette estimation sera d’ailleurs utilisée dans le chapitre 5 pour extraire les différentes signatures de défaut utiles.

La fréquence d’échantillonnage Fe utilisée pour l’acquisition des différents si-

gnaux a été choisie égale à 100 kHz. De manière générale, les signatures spectrales caractéristiques des défauts mécaniques se trouvent dans les basses fréquences et il n’est normalement pas nécessaire d’utiliser un échantillonnage aussi rapide. Plusieurs raisons nous ont cependant incité à faire ce choix. D’une part, le système d’acquisi- tion possède un filtre passe-bas analogique de fréquence de coupure égale à 75 kHz ainsi que des filtres numériques configurables. Cependant, nous avons décidé ici de

sauvegarder les données de la manière la plus originelle possible et d’effectuer les différentes étapes de mise en forme, de traitement et d’analyse sur le logiciel Mat- lab. Les filtres numériques n’ont par conséquent pas été configurés et une fréquence d’échantillonnage élevée est nécessaire pour éviter tout phénomène de recouvrement spectral sur les signaux mesurés. D’autre part, un échantillonnage rapide des diffé- rentes grandeurs représente également une sécurité vis-à-vis de l’analyse future de ces données. En effet, bien que les signatures de défaut brutes présentées dans ce chapitre soient issues de l’analyse spectrale classique, des outils plus complexes avec des pré-requis plus importants pourront tout de même être utilisés par la suite.

Enfin, la durée des enregistrements Tenregistrement a été fixée à 5 secondes et

permet d’obtenir une résolution fréquentielle tout à fait suffisante de ∆f = F e_N = 0, 2Hz dans le domaine spectral. La période d’attente entre deux enregistrements est quant à elle fixée à 10 secondes afin de permettre le transfert des données du système d’acquisition vers l’ordinateur ainsi que leur sauvegarde.