Les machines synchrones sont des convertisseurs ´electrom´ecaniques dont la vitesse de rotation de la partie tournante est ´egale `a la vitesse de rotation du champ tournant. Ces machines convertissent de l’´energie ´electrique en ´energie m´ecanique dans le cas d’un fonctionnement moteur et, de mani`ere r´eversible, fournissent de la puissance ´electrique lorsqu’elles fonctionnent en g´en´erateur. Dans ce dernier cas, elles sont appel´ees plus sp´ecifiquement ”alternateurs” dans le sens o`u les grandeurs ´electriques de sortie (tensions et courants) sont des variables alternatives, sinuso¨ıdales en l’occurrence.
Dans ce travail, nous nous int´eressons plus sp´ecifiquement aux alternateurs `a TAV (turbine `a vapeur) et `a TAC (turbine `a combustion) dont les vitesses de rotation sont relativement ´elev´ees (3000 tr/min ou 1500 tr/min selon le nombre de paires de pˆoles). Ceux-l`a sont d´enomm´es turboalternateurs et la Figure 1.1 donne une vue de la coupe
longitudinale de ce type de machine.
Figure 1.1 – Sch´ema d’un Turboalternateur [4].
Comme indiqu´e pr´ec´edemment, le principe g´en´eral de ce type de machine est la conversion de l’´energie m´ecanique, qu’elle re¸coit en entr´ee `a travers la turbine, en ´energie ´electrique g´en´eralement transmise au r´eseau ´electrique de distribution.
Un turboalternateur se d´ecompose en deux parties principales ; le rotor et le stator : – Le rotor est la partie tournante de l’alternateur, celle qui porte l’inducteur. Ce dernier est un bobinage `a p paires de pˆoles log´e dans les encoches rotoriques (Figure 1.2) qui est aliment´e par un courant continu, appel´e courant d’excitation et not´e
Iexc. L’alimentation est r´ealis´ee via un syst`eme de contacts glissants bague-balais
avec une alimentation continue externe ou `a travers un syst`eme de diodes tournantes qui redresse le courant d´elivr´e par une g´en´eratrice invers´ee d’excitation en bout d’arbre.
– Le stator est la partie fixe de la machine et porte l’induit. Dans le cas d’un tur- boalternateur, ce dernier est compos´e de 3 bobines de mˆeme nombre de paires de pˆoles p d´ecal´ees les unes par rapport aux autres de 120 degr´es.
En g´en´eral, nous distinguons deux cat´egories de rotor :
– `a pˆoles saillants induisant un entrefer variable et fonction de la position du rotor (cf. Figure 1.2a). Cela est dˆu `a l’ouverture cons´equente des encoches rotoriques qui g´en`ere une variation significative de l’entrefer magn´etique vu par le stator lors de la rotation de la partie tournante. Ce genre de machines ´equipe plutˆot des centrales hydrauliques dont la vitesse de rotation est relativement faible.
– `a pˆoles lisses (cf. Figure 1.2b). Ce sont des machines dont les largeurs des isthmes des encoches rotoriques sont relativement faibles et qui n’induisent donc pas de va- riation significative de l’entrefer magn´etique lors de la rotation. Ces structures sont
plus propices aux fonctionnements `a grande vitesse. Elles ´equipent syst´ematiquement les centrales entraˆın´ees par une turbine `a vapeur ou `a combustion.
(a) Pˆoles saillants. (b) Pˆoles lisses.
Figure 1.2 – Types de rotor.
Les armatures du rotor et du stator, s´epar´ees par un entrefer m´ecanique qui doit ˆetre le plus faible possible, sont constitu´ees d’un mat´eriau ferromagn´etique qui permet de ca- naliser les champs magn´etiques de par sa grande perm´eabilit´e. Cette derni`ere repr´esente le rapport entre l’induction magn´etique B et le champ d’induction H. La loi de compor- tement du mat´eriau ferromagn´etique B (H) ´etant non lin´eaire, la perm´eabilit´e du fer est par cons´equent non constante. Cet aspect sera ´evoqu´e plus loin dans ce manuscrit.
1.1.2 D´efauts rotoriques
Un alternateur peut ˆetre le si`ege de diverses anomalies qui apparaissant sur l’une des deux armatures comme indiqu´e dans la Figure 1.3.
Dans ce travail, seuls les deux types de d´efauts rotoriques les plus communs sont investigu´es : les courts-circuits entre spires et les excentricit´es.
Courts-circuits entre spires
Les courts-circuits entre spires rotoriques font partie des d´efauts ´electriques les plus fr´equemment rencontr´es dans les alternateurs. Il est estim´e que plus de 50% des rotors des g´en´erateurs fonctionnent avec des courts-circuits entre spires [9, 47] qui ont g´en´eralement peu d’incidences sur les performances de la machine. Nous donnons une illustration de ce type de d´efauts dans la Figure 1.4.
Plusieurs causes peuvent ˆetre responsables de l’apparition de ces d´efauts comme un niveau ou des transitoires de tension trop ´elev´es ou encore la pr´esence de corps
Figure 1.3 – Synth`ese des d´efauts les plus courants dans les machines synchrones [33].
(a) Jonction entre deux conducteurs. (b) Distorsion du cuivre.
Figure 1.4 – Courts-circuits entre spires [8, 10].
´etrangers [11]. Ces diverses contraintes, parmi d’autres, peuvent alors provoquer des d´echarges partielles dans les mat´eriaux qui ont pour cons´equence une ´erosion de l’iso- lant. Par ailleurs, des hausses de temp´erature peuvent survenir pour diverses raisons (d´efaut du circuit de refroidissement, surcharge, transitoire de d´emarrage, temp´erature ambiante etc) ce qui, selon le temps d’exposition, peut d´egrader fortement la dur´ee de vie des isolants. [29].
Comme indiqu´e pr´ec´edemment, les courts-circuits qui apparaissent dans les alterna- teurs ont g´en´eralement peu de cons´equences car ils provoquent une augmentation locale de la temp´erature ainsi que de tr`es faibles vibrations du rotor. Toutefois, l’´el´evation lo- cale de la temp´erature peut exc´eder les valeurs limites de l’isolant et induire d’autres courts-circuits entraˆınant ainsi une r´eaction en chaˆıne. Par cons´equent, il est primordial
de d´etecter l’apparition de courts-circuits le plus tˆot possible, i.e. les diff´erencier d’une machine saine.
En effet, la r´eparation d’un d´efaut de ce type est relativement complexe et coˆuteuse. Elle n´ecessite de sortir le rotor et de d´emonter les frettes. Dans le cas o`u le court-circuit se trouve en partie droite, la localisation et la r´eparation sont relativement simples. La proc´edure est par contre beaucoup plus compliqu´ee si le d´efaut est situ´e sous les frettes [29].
Excentricit´es du rotor
Un alternateur peut ˆetre soumis `a un d´ecentrement du rotor (d´ecalage entre le centre de rotation de l’arbre et le centre du rotor) se traduisant par des oscillations de couple. Ce ph´enom`ene constitue les excentricit´es dont l’origine peut ˆetre li´ee `a un positionnement incorrect des paliers lors de l’assemblage, `a un d´efaut de roulement (usure), `a un d´efaut de charge, ou `a un d´efaut de fabrication (usinage) [54].
Il existe plusieurs types d’excentricit´es sch´ematis´es dans la Figure 1.5 :
– L’excentricit´e statique (cf. Fig.1.5b) est caract´eris´ee par le mˆeme d´ecalage du rotor et de son centre de rotation par rapport `a leurs positions initiales (cf. Fig.1.5a). L’´epaisseur d’entrefer ne change pas au cours du temps pour une position donn´ee et une attraction magn´etique se manifeste toujours dans la mˆeme direction, vers le stator. Cette direction correspond au vecteur de d´eplacement du rotor, i.e. l`a o`u l’´epaisseur d’entrefer est la plus faible.
– L’excentricit´e dynamique (cf. Fig.1.5c) correspond au cas o`u le centre de rotation est d´ecentr´e par rapport au rotor et au stator. Le rotor ne tournant plus autour de son centre, l’´epaisseur d’entrefer varie en fonction du temps pour une position fix´ee. Dans ce cas, la direction de l’attraction magn´etique suit la variation d’´epaisseur d’entrefer au cours du temps.
– L’excentricit´e combin´ee (cf. Fig.1.5d) se r´ef`ere `a la combinaison des deux pr´ec´edentes. Non seulement le rotor est d´ecentr´e par rapport au stator mais son centre de rota- tion l’est ´egalement.
Un d´efaut d’excentricit´e modifie les comportements magn´etique et m´ecanique de la machine. En effet, il induit une augmentation des forces ´electromagn´etiques qui agissent directement sur l’armature statorique ainsi que sur l’enroulement correspondant, ce qui donne naissance `a des contraintes vibratoires.
Les deux d´efauts rotoriques introduits ci-dessus constituent ceux qui sont les plus courants dans un alternateur de centrale de production d’´electricit´e. Leurs cons´equences
(a) Machine saine. (b) Excentricit´e statique.
(c) Excentricit´e dynamique. (d) Excentricit´e combin´ee.
Figure 1.5 – Diff´erents types d’excentricit´es.
sont souvent anodines n’induisant pas de risques pour la machine. Toutefois, la gravit´e du d´efaut peut ´evoluer avec des effets dommageables. Afin d’´eviter ces derniers, il est n´ecessaire d’effectuer une surveillance de l’´etat de la machine pour d´etecter l’apparition de ces d´efauts le plus tˆot possible et pour limiter leurs port´ees en termes de temps d’arrˆet et de r´eparations. Pour permettre cela, il est n´ecessaire de mettre en œuvre une m´ethode qui puisse suivre l’´etat de la machine et diagnostiquer un ´etat d´efaillant tout en le caract´erisant de la mani`ere la plus pr´ecoce et pr´ecise possibles.