HAL Id: hal-01083923
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Modélisation et Détection d’un Défaut Interspires Naissant dans l’Enroulement Statorique d’une Machine
Synchrone à Aimants Permanents
Najla Haje Obeid
To cite this version:
Najla Haje Obeid. Modélisation et Détection d’un Défaut Interspires Naissant dans l’Enroulement
Statorique d’une Machine Synchrone à Aimants Permanents. JCGE 2014, Jeunes Chercheurs en Génie
Electrique, Jun 2014, Saint-Louis, France. �hal-01083923�
Modélisation et Détection
dans l'Enroulement Statorique d'une Machine Synchrone à
Université de Lorraine
2 Avenue de la Forêt de Haye 54518 Vandœuvre
RESUME – Le vieillissement de l'isolant demeure la cause principale
d'une MSAP. Ce vieillissement fragilise l'isolation jusqu'à la détruire complètement. Les types de effet diffèrent selon l'emplacement des points faibles dans l'enroulement.
bobines avec les efforts électromagnétiques donne naissance à un court bobines. Ce document contient un modèle d
se basant sur la simulation et les résultats expérimentaux.
ABSTRACT – Insulation aging remains the leading cause of
weakens the insulation until its total deterioration. Types of the resulting faults differ according to the location of the weaknesses in the winding. The combination of
inter-turn short circuit at the end winding. This paper contains a model of the intermittent short circuit and suggests an adapted online detection method based on the simulation and experimental results.
MOTS-CLES – détection de défauts, défaut naissant, têtes de bobines.
1. Introduction
Les défaillances soudaines dans les machines chaines de production. Afin de les éviter des informations sur l'état de santé du système.
réparation et le temps de remplacement
détection précoce réduit non seulement les coûts de électriques, l'un des défauts les plus important
peut causer un court-circuit entre les spires détériorées influencent le vieillissement de l'enroulement
naissants entre spires [1] - [2].
Le champ de fuite dans les têtes de bobines
ce qui crée des vibrations mécaniques à ce niveau de l'enroulement isolantes et accélèrent le vieillissement
l’apparition d'un court-circuit intermittent entre
Il existe deux catégories de détection de défauts entre spires catégorie de méthode nécessite la mise hors service du moteur de fonctionnement [4] - [5] - [6].
Dans cet article, nous présentons les
modélisées par un court-circuit intermittent entre spires accompagnée par les résultats expérimentaux de son application
2. Modèle du défaut intermittent
Dans le but de proposer un modèle permettant de simuler et d'analyser le comportement d'une machine électrique quand un défaut intermittent se produit, dans un premier temps
étection d'un Défaut Interspires
l'Enroulement Statorique d'une Machine Synchrone à Aimants Permanents
Najla HAJE OBEID
Université de Lorraine - Laboratoire GREEN
2 Avenue de la Forêt de Haye 54518 Vandœuvre-lès-Nancy France najla.haje-obeid@univ-lorraine.fr
Le vieillissement de l'isolant demeure la cause principale des défauts entre spires dans l'enroulement du stator Ce vieillissement fragilise l'isolation jusqu'à la détruire complètement. Les types de
effet diffèrent selon l'emplacement des points faibles dans l'enroulement. La combinaison du vieillissement ques donne naissance à un court-circuit intermittent entre spires dan bobines. Ce document contient un modèle du court-circuit intermittent et propose un procédé de détection en ligne
sur la simulation et les résultats expérimentaux.
Insulation aging remains the leading cause of inter-turn fault in the stator winding of
weakens the insulation until its total deterioration. Types of the resulting faults differ according to the location of the The combination of end winding aging with electromagnetic efforts gives rise to intermittent turn short circuit at the end winding. This paper contains a model of the intermittent short circuit and suggests an adapted online detection method based on the simulation and experimental results.
détection de défauts, défaut naissant, défaut précoce, défaut intermittent, défaut entre spires, vibrations des
Les défaillances soudaines dans les machines électriques peuvent causer des graves impacts pour les en de les éviter et de planifier les temps d'arrêt et de maintenance, il est des informations sur l'état de santé du système. C'est pourquoi la détection précoce de défaut
le temps de remplacement. En plus, la présence de défauts influence sur l'efficacité détection précoce réduit non seulement les coûts de réparation, mais aussi la perte d'énergie
plus importants est la rupture d'isolation entre les spires de l'enroulement statorique circuit entre les spires détériorées. Les conditions d'utilisation et les heures d'exploitation
'enroulement et la dégradation de l'isolant et par conséquent sur l'apparition de têtes de bobines du stator peut provoquer une variation dans les
à ce niveau de l'enroulement. Ces vibrations affectent la dégradation des mat le vieillissement de l'enroulement [3]. Une conséquence possible de ces phénomènes est
rmittent entre spires.
Il existe deux catégories de détection de défauts entre spires: le test hors ligne et la surveillance en ligne. La première la mise hors service du moteur, tandis que la seconde n'a pas d'incidence sur
défauts naissants causés par les vibrations mécaniques intermittent entre spires. Nous présentons également une métho accompagnée par les résultats expérimentaux de son application.
Modèle du défaut intermittent
Dans le but de proposer un modèle permettant de simuler et d'analyser le comportement d'une machine électrique quand nt se produit, dans un premier temps, nous présentons les défauts naissant
1
spires Naissant l'Enroulement Statorique d'une Machine Synchrone à
e
dans l'enroulement du stator Ce vieillissement fragilise l'isolation jusqu'à la détruire complètement. Les types de défauts résultants de cet La combinaison du vieillissement des têtes de mittent entre spires dans les têtes de circuit intermittent et propose un procédé de détection en ligne adapté en
turn fault in the stator winding of a PMSM. This aging weakens the insulation until its total deterioration. Types of the resulting faults differ according to the location of the ectromagnetic efforts gives rise to intermittent turn short circuit at the end winding. This paper contains a model of the intermittent short circuit and suggests an
défaut intermittent, défaut entre spires, vibrations des
peuvent causer des graves impacts pour les entreprises et les , il est indispensable d'avoir précoce de défaut permet de planifier la a présence de défauts influence sur l'efficacité du moteur, ainsi la la perte d'énergie. Dans les machines les spires de l'enroulement statorique qui onditions d'utilisation et les heures d'exploitation et par conséquent sur l'apparition de défauts efforts électromagnétiques . Ces vibrations affectent la dégradation des matières Une conséquence possible de ces phénomènes est : le test hors ligne et la surveillance en ligne. La première n'a pas d'incidence sur la poursuite par les vibrations mécaniques des têtes de bobines . Nous présentons également une méthode de détection en ligne
Dans le but de proposer un modèle permettant de simuler et d'analyser le comportement d'une machine électrique quand naissants entre spires provoqués
par les vibrations mécaniques des têtes de bobines d
un modèle équivalent et les effets secondaires de sa présence.
défaut en ligne sera présenté.
Pour commencer, nous présentons le système d'équations d'une MSAP saine:
0 0
0 0
0 0
0 0 0 0 Avec , et : les te
: la résistance d'une phase, : l'inductance d Dans les machines électriques, l'enroulement Ces vibrations sont au niveau des têtes de Ce phénomène affaiblit l'isolation des spires
liée à l'intensité des efforts, et comme ces forces sont grand, plus le risque de court-circuit est important circuit est probable lorsque le courant est maximal, donc Dans cet article, le modèle choisi est un court
aléatoire lorsque le courant prend des v
de créer ce défaut sur des spires de la phase "a" du stator du courant .
Figure 1: enroulement statorique d'une MSAP
En présence du court-circuit, le modèle Va
Vb
Vc
0
Rs
00 -Ra2
R0s
00
00 Rs
0
-Ra2
00 Ra2 Rf
iiba
ic
if -
Avec , et : les tensions, courants et forces électromotrices ( le courant de court-circuit, ": la fem
phase, ": la résistance des spires court
circuitées, #$ ", # " %, # $ , #$ : les inductances mutuelles entre les
Figure
des têtes de bobines du stator. Cette présentation comprend une interprétation du défaut, condaires de sa présence. Dans un deuxième temps, un procédé de
Pour commencer, nous présentons le système d'équations d'une MSAP saine:
00 &'&
: les tensions, courants et forces électromotrices (fem) des phases a, b et c inductance d'une phase.
nes électriques, l'enroulement statorique, composé de plusieurs bobines, subit des vibrat
es têtes de ses bobines et elles sont dues aux variations des efforts électromagnétiques.
des spires. La probabilité de contact entre les extrémités vibrantes endommagées es comme ces forces sont proportionnelles au carré du courant stator
circuit est important. Pour un enroulement, alimenté par un courant alternatif, le courant est maximal, donc lorsque il est proche de ses pics [7] -
, le modèle choisi est un court-circuit intermittent entre spires (figure 1) apparaissant d'une manière lorsque le courant prend des valeurs proche de son maximum en valeur absolue (fig
es spires de la phase "a" du stator et par conséquence, sa commande est liée
: enroulement statorique d'une MSAP Figure 2: Commande du CC intermittent aléatoire
de la MSAP devient [9] - [10] - [11]:
Ls
00 -La2-Ma1a2-Ma2a3
L0s
-M0a2b
00 Ls
-Ma2c
-La2-Ma1a2-Ma2a3
-Ma2b
-Ma2c
La2
d dt
: les tensions, courants et forces électromotrices (fem) des phases a, b et c fem des spires court-circuitées, : la résistance d'une phase,
court-circuitées, ./: la résistance de court-circuit, ": l'inductance des les inductances mutuelles entre les différents enroulements
Figure 3: commande de la MSAP contrôlée en courant
2 Cette présentation comprend une interprétation du défaut, , un procédé de détection de
(1) s phases a, b et c su stator, , subit des vibrations mécaniques.
efforts électromagnétiques.
robabilité de contact entre les extrémités vibrantes endommagées est courant statorique, plus le courant est courant alternatif, le court- - [8].
apparaissant d'une manière igure 2). Nous avons choisi et par conséquence, sa commande est liée aux valeurs crêtes
: Commande du CC intermittent aléatoire
d dt
ia
ib
ic
if
ea
eb
ec
-ea2
(2)
phases a, b et c du stator, /: résistance d'une phase, : l'inductance d'une inductance des spires court- enroulements.
L'endroit du court-circuit et le nombre de architecture et de l'emplacement de ses t de santé de l'enroulement et augmente avec la
Expérimentalement, notre machine d’essai nous permet de cour
entier d'une phase du stator. Pour cette raison, les résultats de simulation de court-circuit sur la phase "a" de l'enroulement statorique
pour une machine saine, et la figure 5 présente le courant
conditions de fonctionnement. Nous pouvons remarquer les déformations au niveau du courant lors de l'apparition de défaut.
L’étude en simulation n’est pas suffisante pour prendre en compte l’ensemble des phénomènes parasites à hautes fréquences, nous avons donc réalisé un circuit électronique
entre les spires de la phase "a" du stator.
onduleur de tension commandé par une modulation de largeur d'impul présentons dans les figures 6 et 7 successivement
présence de défaut intermittent.
Nous avons choisi de présenter uniquement le courant les courants et sont affectés afin de conserver
Figure 4: Simulation du courant 12 d'une MSAP
Figure 6: courant 12 expérimental d'une MSAP saine
circuit et le nombre de spires court-circuitées dans un enroulement statorique de ses têtes de bobines. Alors que, la fréquence d’apparition augmente avec la dégradation de l'isolant.
Expérimentalement, notre machine d’essai nous permet de court-circuiter uniquement 50% des spires de l'enroulement . Pour cette raison, les résultats de simulation présentés sont fait sous les
la phase "a" de l'enroulement statorique en utilisant le modèle (2). La figure la figure 5 présente le courant de cette machine en cas de défaut
conditions de fonctionnement. Nous pouvons remarquer les déformations au niveau du courant lors de l'apparition de simulation n’est pas suffisante pour prendre en compte l’ensemble des phénomènes parasites à hautes un circuit électronique créant un court-circuit intermittent et nous l'avons inséré u stator. Pour les différents essais, l'enroulement triphasé du stator est alimenté par un onduleur de tension commandé par une modulation de largeur d'impulsion (MLI) contrôlée en courant
successivement le courant expérimental de notre machine
Nous avons choisi de présenter uniquement le courant , mais nous notons que le stator est couplé en étoile et donc sont affectés afin de conserver 0.
d'une MSAP saine Figure 5: Simulation du courant
expérimental d'une MSAP saine Figure 7: courant 12 expérimental d'une MSAP en défaut 3 dans un enroulement statorique dépendent de son d’apparition du défaut dépend de l'état circuiter uniquement 50% des spires de l'enroulement sont fait sous les mêmes conditions . La figure 4 présente le courant en cas de défaut sous les mêmes conditions de fonctionnement. Nous pouvons remarquer les déformations au niveau du courant lors de l'apparition de simulation n’est pas suffisante pour prendre en compte l’ensemble des phénomènes parasites à hautes circuit intermittent et nous l'avons inséré triphasé du stator est alimenté par un sion (MLI) contrôlée en courant (figure 3). Nous de notre machine d'essai avec et sans mais nous notons que le stator est couplé en étoile et donc
courant 12 d'une MSAP en défaut
expérimental d'une MSAP en défaut
Figure 8: courant expérimental
Figure 10: tension expérimental
Les déformations dues à la présence de le repère (d,q). Dans les figures 8, 9, 10 et 11
entre les deux régimes sain et en défaut, des courants statoriques ( sortie des régulateurs de courant ( &34/
la présence de différences entres les deux défaut sera développée ultérieurement.
3. Détection du défaut
Les formes d'ondes sinusoïdales de courants et en raison du nombre de pages limité dans cet article,
uniquement. D'après les figures 5 et 7 l'occurrence des courts-circuits entre spires tensions, de la puissance, etc...
: courant expérimental 15 Figure 9: courant expérimental
expérimental 65789 Figure 11: tension expérimental
défaut affectent les courants et les tensions dans le repère ( 8, 9, 10 et 11, nous avons choisi de présenter une comparaison défaut, des courants statoriques (&, :) ainsi que des tensions de
&34/, :34/) pour les résultats expérimentaux. D'après ces figures, nous remarquons entres les deux régimes. Dans le but d'analyser cette différence, une méthode de détection de
Les formes d'ondes sinusoïdales de courants et de tensions sont affectées par la présence de défauts
ité dans cet article, nous avons choisi de présenter parmi ces composantes le courant s 5 et 7, le courant d'une machine en défaut présente des
entre spires. Ces déformations affectent le spectre harmonique des courants, des 4 ourant expérimental 1;
expérimental 6;789
nsions dans le repère (a,b,c) ainsi que dans comparaison, dans le repère (d,q), tensions de référence issues de la D'après ces figures, nous remarquons ette différence, une méthode de détection de
tées par la présence de défauts. Précédemment, et parmi ces composantes le courant présente des pics coïncidents avec spectre harmonique des courants, des
Afin de visualiser l'impact du défaut sur le spectre fréquentiel, nous avons appliquée la transformée de Fourier discrète (TFD) aux courants et aux tensions dans le repère (d,q)
fonctionnement sans défaut à un autre avec défaut.
Et dans le but de traiter différentes possibilités de Cas 1: :34/ = 3 A, <=4 = 1050 tr/min
Cas 2: :34/= 5 A, <=4 = 1050 tr/min Cas 3: :34/= 3 A, <=4 = 450 tr/min Cas 4: :34/ = 5 A, <=4 = 450 tr/min
Avec :34/ la référence de :et <=4 La vitesse mécanique du rotor .
Pour les quatre cas, nous comparons le spectre d'une machine saine à une machine est contrôlée en courant ce qui explique l'écart
variation de vitesse. Nous mentionnons
Figure 12: spectre de
Figure 14: spectre de 6
Afin de visualiser l'impact du défaut sur le spectre fréquentiel, nous avons appliquée la transformée de Fourier discrète (TFD) aux courants et aux tensions dans le repère (d,q) et nous avons comparé les spectres d'un régime de
s défaut à un autre avec défaut.
de traiter différentes possibilités de fonctionnement, nous allons présenter l'étude de
La vitesse mécanique du rotor .
, nous comparons le spectre d'une machine saine à une autre en défaut
en courant ce qui explique l'écart léger des pics, dans les spectres de la TFD, que notre machine dispose de quatre paires de pôles.
: spectre de 15, cas 1 Figure 13: spectre de 1
65789, cas 1 Figure 15: spectre de 6;789
5 Afin de visualiser l'impact du défaut sur le spectre fréquentiel, nous avons appliquée la transformée de Fourier discrète et nous avons comparé les spectres d'un régime de
nous allons présenter l'étude de quatre cas :
défaut. Nous rappelons que la de la TFD, due à la légère
1;, cas 1
;789, cas 1
Figure 16: spectre de
Figure 18: spectre de 6
Figure 20: spectre de
spectre de 15, cas 2 Figure 17: spectre de 1
65789, cas 2 Figure 19: spectre de 6;789
spectre de 15, cas 3 Figure 21: spectre de 1
6 1;, cas 2
;789, cas 2
1;, cas 3
Figure 22: spectre de 6
Figure 24: spectre de
Figure 26: spectre de 6
65789, cas 3 Figure 23: spectre de 6;789
spectre de 15, cas 4 Figure 25: spectre de 1
65789, cas 4 Figure 27: spectre de 6;78
7
;789, cas 3
1;, cas 4
;789, cas 4
En analysant les différents spectres ci-dessus, nous pouvons dire qu' u fonctionnement normal sans défaut, est la présence d'un
(&, :) et des tensions de références (
mode sain (420 Hz lorsque la vitesse est de 1050
En observant les différences entre le système sain et celui
remarquons que le défaut affecte l’amplitude de l’harmonique de rang six presque totalement alors que pour les autres cas, il est atténué.
court-circuit qui est liée à l’état plus ou moins avancé de la détérioration de l’isolant contact entre les spires endommagées est fréq
Une méthode de détection possible peut (&, :) et des tensions de références ( &34/
4. Détection en temps réel
Sur la base de ce qui précède, nous développons une méthode par filtrage l’harmonique de rang six des courants
traitement de signal réalisé est présenté dans la figure d'un filtre passe-bas. Le filtre passe-bande
bas retient la composante continue du signal
La présence du défaut se traduit par une atténuation du signal en sort Pour automatiser la détection, nous pouvons fixer
lorsque la machine est saine.
D'après les différents spectres des fig composantes "d", d'un système défectueux, ou pour la tension. Par conséquent, pour seulement.
En raison de la limitation de pages dans ce document, nous L'exemple traité correspond au cas 1. La f
système sain et un autre en défaut, alors que
Comme prévu, nous pouvons remarquer que dans peuvent être facilement distinguées de c
Figure 28: courant 15
dessus, nous pouvons dire qu' une des caractéristiques de notre
est la présence d'un harmonique de rang six important dans le spectre des courants
&34/, :34/). D'après les figures 12 à 27, ce pic apparaît pour les quatre cas lorsque la vitesse est de 1050 tr/min et 180 Hz quand elle est de 450 tr/min
entre le système sain et celui en défaut pour trouver un indicateur de défaut
affecte l’amplitude de l’harmonique de rang six. Pour les graphes du cas 1, ce pic disparait our les autres cas, il est atténué. Ce changement de forme dépend de
circuit qui est liée à l’état plus ou moins avancé de la détérioration de l’isolant, plus le défaut est avancé, plus le est fréquent et plus la déformation du spectre est importante.
Une méthode de détection possible peut-être basée sur la surveillance de l’amplitude de l’harmonique six des courants
&34/, :34/).
Sur la base de ce qui précède, nous développons une méthode de détection de défaut en temps par filtrage l’harmonique de rang six des courants (&, :) ou des tensions de références ( &34/
est présenté dans la figure 30, il s'agit de l'utilisation successive
bande extrait l’harmonique de rang six, et après l'élévation au carré, le filtre passe bas retient la composante continue du signal (Valeur efficace au carré).
La présence du défaut se traduit par une atténuation du signal en sortie du dispositif de la figure
pouvons fixer un seuil de détection inférieur à la valeur prise par l’indicateur igures 12 à 27, nous remarquons que le pic du sixième
s "d", d'un système défectueux, sont plus claires que celles des composantes "q", que ca soit pour le pour la méthode en temps réel, nous choisissons d'utiliser la
pages dans ce document, nous allons présenter un seul exemple de cette méthode.
La figure 28 présente une comparaison après traitement , alors que la figure 29 présente la même comparaison pour
Comme prévu, nous pouvons remarquer que dans les conditions de défaut, les composantes filtrées de s de celles du système sain. ce qui permet de détecter le défaut en temps réel.
filtré Figure 29: tension 65789
8 ctéristiques de notre système dans un dans le spectre des courants 12 à 27, ce pic apparaît pour les quatre cas en
tr/min).
pour trouver un indicateur de défaut pertinent, nous s du cas 1, ce pic disparait de forme dépend de la fréquence du , plus le défaut est avancé, plus le
importante.
être basée sur la surveillance de l’amplitude de l’harmonique six des courants
en temps réel. L'idée est d’extraire
&34/, :34/). Le principe du successive d'un filtre passe-bande et ion au carré, le filtre passe- ie du dispositif de la figure 30.
de détection inférieur à la valeur prise par l’indicateur pic du sixième harmonique dans les s "q", que ca soit pour le courant , nous choisissons d'utiliser la composante "d"
allons présenter un seul exemple de cette méthode.
traitement du courant & entre un la tension &34/.
les composantes filtrées de & et &34/
permet de détecter le défaut en temps réel.
5789 filtrée
5. Conclusion
Dans certains secteurs de l'industrie et
acceptables et les méthodes de surveillance doivent être mises en œu service et de réparation. Afin d'éviter un long
précoce.
Dans l'étude présentée ci-dessus, nous avons montré que nou circuit naissant dans les têtes de bobines
court-circuit intermittent aléatoire entre
Tout d'abord, nous avons montré que le défaut peu l'application de la TFD aux courants statoriques (
défaut tend à diminuer l’amplitude de l’harmonique de rang six Cette méthode n'est pas en temps réel, de plus
rendre en temps réel.
Une méthode de détection en temps réelle à aussi été proposée ell extrait l’harmonique de rang six du courant
signal est extraite. La diminution de cet indicateur traduit la présence de défaut ce qui peut permettre de fixer un seuil de détection pour un service de maintenance.
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Figure 30: montage de filtrage
Dans certains secteurs de l'industrie et des domaines de transport, les défaillances de machines électriques ne sont pas méthodes de surveillance doivent être mises en œuvre afin de minimiser les temps d
un long arrêt de fonctionnement, il faut avoir des méthode , nous avons montré que nous sommes capables de détecter es têtes de bobines d'un enroulement statorique d'une MSAP. Ces défaut
entre les spires endommagées.
e le défaut peut être détecté grâce à la surveillance du spectre fréquentiel obtenu par courants statoriques ( &, :) ainsi qu'aux tensions de référence ( &34/
nuer l’amplitude de l’harmonique de rang six.
de plus elle nécessite la présence d'un expert pour une
Une méthode de détection en temps réelle à aussi été proposée elle utilise un dispositif de filtrage passe
extrait l’harmonique de rang six du courant & ou de la tension &34/, ensuite une image de la valeur efficace de ce signal est extraite. La diminution de cet indicateur traduit la présence de défaut ce qui peut permettre de fixer un seuil de détection pour un service de maintenance.
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9 domaines de transport, les défaillances de machines électriques ne sont pas vre afin de minimiser les temps de mise hors des méthodes de détection de défaut e détecter certains défauts de court-
défauts sont modélisés par un surveillance du spectre fréquentiel obtenu par
&34/, :34/). La présence de pour une prise de décision. Pour la e utilise un dispositif de filtrage passe-bande qui ensuite une image de la valeur efficace de ce signal est extraite. La diminution de cet indicateur traduit la présence de défaut ce qui peut permettre de fixer un seuil
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