1)Introduction
Les défauts dans les entraînements électriques se repartissent en deux catégories que sont, les défauts qui se produisent dans la machine électrique et ceux qui se produisent dans la chaîne d’entraînement à l’extérieur de la machine. Notre étude se limite aux problèmes qui se développent au sein de la machine.
2)L’étude statistique des défauts :
Une étude statistique est effectuée en 1998, par une compagnie d’assurance allemande de systèmes industriels, sur les pannes des machines asynchrones de moyenne puissance (de 50kW à 200kW) a donné les résultats suivants ; [6].
Stator 60 %
Rotor 20 %
Mécanique 18 %
Autres 12 %
Une autre étude statistique a été faite sur les machines de grande puissance (de 100kW à 1MW) a donnée les résultats suivants ; [6].
1-Stator 13 %
2-Autres 34 %
3-Rotor 08 %
4-Couplage mécanique 04 %
5-Roulement 41 %
3)Présentation des défauts
3.1)Défaillance au rotor
Pour le rotor, les défaillances sont essentiellement dues à un problème :
• thermique (surcharge,)
• électromagnétique
• résiduel (déformation,)
• dynamique (arbre de transmission,)
• mécanique (roulement,)
• environnemental (agression,)
Les défauts qui sont les plus récurrents, localisés au niveau du rotor, peuvent être définis
comme suit :
• Rupture de barres
• Rupture d’une portion d’anneau de court-circuit
• Excentricité statique et dynamique
3.1.1)Problème de barres cassées pour un rotor à cage
La cassure ou rupture de barre est un des défauts les plus fréquents au rotor. Elle peut se situer soit au niveau de son encoche soit à l’extrémité qui la relie à l’anneau de court circuit. La détérioration des barres réduit la valeur moyenne du couple électromagnétique et augmente l’amplitude des oscillations, qui elles-mêmes provoquent des oscillations de la vitesse de rotation, ce qui engendre des vibrations mécaniques et donc, un fonctionnement anormal de la machine. La grande amplitude de ces oscillations accélère la détérioration de la machine. Ainsi, le couple diminue sensiblement avec le nombre de barres cassées induisant un effet cumulatif de défaillance. L’effet d’une cassure de barre croît rapidement avec le nombre de barres cassées.
Une ou plusieurs barres cassées provoquent un déséquilibre du courant rotorique, qui est composé de deux systèmes direct et inverse. Le système inverse crée un champ tournant à la fréquence (-fg) par rapport au rotor et (f-2fg) par rapport au stator, il va induire un courant statorique de fréquence (f-2fg) différente de celle du réseau, [6].
Par le même raisonnement, on aura un courant statorique qui comporte des composantes de fréquence :
fbc=f (1±2kg) (I.1)
k ∈N
f : fréquence d’alimentation
g : glissement
fr : fréquence de rotation
f : fréquence d’alimentation
fbc : fréquence générée par le défaut
3.1.2)Problème d’enroulement pour un rotor bobiné
Cette panne se traduit par une augmentation d’une résistance d’un enroulement, ce qui provoque un déséquilibre du courant rotorique.
Par le même raisonnement que pour le problème du barre cassée, on aura un courant statorique qui a des composantes de fréquence f (1±2kg) k ∈N.
3.1.3)Ruptures d’anneaux
3.1.4)Problème d’excentricité
• excentricité dynamique :
Le centre de rotation du rotor différent du centre géométrique du stator et le centre du rotor tourne autour du centre géométrique de ce stator
Ces excentricités créent des courants statoriques de fréquence
fexc= [1±n ((1-g)/p)] f (I.2)
n∈N
g: glissement
p: nombre de paire de pôles
f : fréquence d’alimentation
3.2)Défaillance au stator
L'apparition d'un défaut au niveau des circuits électriques statoriques de la machine asynchrone peut avoir des origines diverses. Nous pouvons citer, par exemple, les défauts de type courts-circuits inter-spires qui apparaissent à l'intérieur des encoches statoriques.
Ce type de défaut peut être causé par une dégradation des isolants des spires du bobinage statorique. Nous pouvons citer aussi les courts-circuits apparaissant entre une phase et le neutre, entre une phase et la carcasse métallique de la machine ou encore entre deux phases statoriques. Ces défauts ont le plus souvent une origine mécanique. En effet, des vibrations excessives peuvent mener à un desserrement des boulons de la plaque à bornes de la machine créant ainsi le court-circuit. Une cosse mal serrée à la jonction du câble d'alimentation et des bornes de la machine peut être à l'origine d'une ouverture de phase.
Le défaut le plus couramment rencontré reste encore la fusion d'un fusible de protection.
Ces défauts peuvent être détectés par une analyse harmonique des courants absorbés par la machine, [5].
3.3)Défaillances aux paliers
3.3.1)Défauts des roulements
Les roulements à billes jouent le rôle d’interface électromécanique entre le stator et le rotor.
En outre, ils représentent l’élément de maintien de l’axe de la machine permettant d’assurer une bonne rotation du rotor.
Ce type de défaut est le plus fréquent sur les machines de grande puissance. Il est généralement lié à l’usure du roulement et plus précisément une dégradation des billes, ou de la bande de roulement. Ses causes possibles sont :
•l’usure due au vieillissement
• la température de fonctionnement élevée
• la perte de lubrification
• l’huile contaminée (par des paillettes métalliques issues de la dégradation des billes ou de la bande de roulement)
• le défaut de montage
• les courants d’arbres (Shaft Current)
• décollement, effritement de surface provoqué par une surcharge
Sur le système, ce type de défaut se traduit par des oscillations du couple de charge, une apparition de pertes supplémentaires et un jeu entre la bague interne et la bague externe du roulement entraînant des vibrations par les déplacements du rotor autour de l’axe longitudinale de la machine. Dans le cas le plus défavorable, la présence d’un roulement défectueux peut amener le blocage du moteur, [9].
3.3.2)Défaillance du flasque
Les défauts créés par les flasques de la machine asynchrone sont le plus généralement causés à l'étape de fabrication. En effet, un mauvais positionnement des flasques provoque un désalignement des roulements à billes, ce qui induit une excentricité au niveau de l'arbre de la machine. Il est possible de détecter ce type de défaillance par une analyse vibratoire ou une analyse harmonique des courants absorbés par la machine, [8].
3.3.3)Défaillance de l'arbre
L'arbre de la machine peut laisser paraître une fissure due à l'utilisation d'un mauvais matériau lors de sa construction. A court ou long terme, cette fissure peut mener à une fracture nette de l'arbre provoquant ainsi un arrêt irrémédiable de la machine asynchrone.
Les milieux corrosifs peuvent aussi affaiblir la robustesse de l'arbre de la machine.
Par exemple, l'humidité peut provoquer des microfissures et conduire à une destruction complète de la machine. Une excentricité statique, dynamique ou mixte peut induire des efforts considérables sur l'arbre moteur, amenant ainsi une fatigue supplémentaire. Une analyse vibratoire, une analyse par ultrason, une analyse fréquentielle des courants absorbés ou simplement une analyse visuelle de l'arbre de la machine permet de détecter ce type de défaillance, [8].
4)Les effets des défauts
.4.1)Effets de défauts statoriques (court-circuit)
Les courts-circuits des spires restent parmi les défauts les plus nocifs au bon fonctionnement de la machine asynchrone, ils sont généralement présents au niveau du stator.
En effet une étude expérimentale a montré que la valeur de courant circulant dans les spires en court-circuit est de l’ordre de dix fois plus importante que celle du courant nominal absorbé par la machine.
Un tel si important courant entraîne une augmentation considérable de la température au niveau du bobinage, qui engendre à son tour une dégradation continuelle des isolants, et par accumulation le bousillage de la machine.
De part ce qui est cité auparavant, ce genre de défaut fait apparaître, et des perturbations au niveau du couple électromagnétique, synonyme d’une présence d’une composante supplémentaire du couple ce qui affecte à son tour les courants statoriques, ainsi la création d’un champ magnétique additionnel dans la machine de fréquence ±fs (où fs est la fréquence de synchronisme).
Ces composantes entraînent des harmoniques de fréquence (k fs) dans les courants absorbés par machine, [10].
La variation des paramètres se fait comme suit:
4.2)Effets des défauts rotoriques
En général les défauts les plus rencontrés au niveau du rotor de la machine asynchrone à cage d’écureuil sont respectivement, barre cassée, et cassure d’une portion d’anneau qui génèrent tous les deux des perturbations remarquables qui affectent le bon fonction de la machine.
Ce type de défauts entraînent une création d’un champ tournant de sens opposé à celui généré par le stator, à son tour crée des courants supplémentaires dans le bobinage statorique à des fréquences induites
Ces courants vont générer un couple oscillatoire car il aura interaction entre ces courants et le flux fondamental crée par l'alimentation statorique. Dès lors, ce couple additionnel issu du produit du flux par le courant est proportionnel à l'amplitude de courant et la fréquence(1− 2g)f .
La fréquence d'oscillation sera donc de 2gf et engendrera une oscillation de vitesse à cette fréquence dont l'amplitude dépendra de l'inertie du (moteur + charge). Cette oscillation devitesse va générer une variation de flux, donc une force électromotrice de fréquence fondamentale plus deux supplémentaires liées aux oscillations de vitesse. Celles –ci sont proportionnelles à l'amplitude de la variation de la vitesse et généreront deux courants additionnels de fréquence (1− 2g)f et (1+ 2g)f de même valeur. Cependant, le courant de création à la fréquence (1− 2g)f vient se soustraire à celui crée par le défaut rotorique, [9].
Conclusion
Après avoir étudié et représenté les différentes parties constituant la machine asynchrone triphasée à cage d’écureuil à savoir (stator, rotor, paliers), nous nous sommes intéressés ensuite à synthétiser les défauts qui se produisent de manière intempestive au niveau de la machine, tout en mettant l’accent sur leurs genèses et effets ainsi sur leurs répartitions,c’est pour quoi nous avons abordé les études statistiques qui convergent vers le même résultats ; c’est bien la dominance des défauts statoriques par rapport aux autres pour des machines de moyenne puissance d’une part, et de l’autre, les défauts des roulements pour des machines de forte puissance.
En arrivant à comprendre même d’une manière approximative le comportement de ces différents défauts et de les cernés, engendre un apport de plus à l’industrie d’une manière générale.fig.1.6.
Les défauts dans les entraînements électriques se repartissent en deux catégories que sont, les défauts qui se produisent dans la machine électrique et ceux qui se produisent dans la chaîne d’entraînement à l’extérieur de la machine. Notre étude se limite aux problèmes qui se développent au sein de la machine.
2)L’étude statistique des défauts :
Une étude statistique est effectuée en 1998, par une compagnie d’assurance allemande de systèmes industriels, sur les pannes des machines asynchrones de moyenne puissance (de 50kW à 200kW) a donné les résultats suivants ; [6].
Stator 60 %
Rotor 20 %
Mécanique 18 %
Autres 12 %
Une autre étude statistique a été faite sur les machines de grande puissance (de 100kW à 1MW) a donnée les résultats suivants ; [6].
1-Stator 13 %
2-Autres 34 %
3-Rotor 08 %
4-Couplage mécanique 04 %
5-Roulement 41 %
3.1)Défaillance au rotor
Pour le rotor, les défaillances sont essentiellement dues à un problème :
• thermique (surcharge,)
• électromagnétique
• résiduel (déformation,)
• dynamique (arbre de transmission,)
• mécanique (roulement,)
• environnemental (agression,)
Les défauts qui sont les plus récurrents, localisés au niveau du rotor, peuvent être définis
comme suit :
• Rupture de barres
• Rupture d’une portion d’anneau de court-circuit
• Excentricité statique et dynamique
3.1.1)Problème de barres cassées pour un rotor à cage
La cassure ou rupture de barre est un des défauts les plus fréquents au rotor. Elle peut se situer soit au niveau de son encoche soit à l’extrémité qui la relie à l’anneau de court circuit. La détérioration des barres réduit la valeur moyenne du couple électromagnétique et augmente l’amplitude des oscillations, qui elles-mêmes provoquent des oscillations de la vitesse de rotation, ce qui engendre des vibrations mécaniques et donc, un fonctionnement anormal de la machine. La grande amplitude de ces oscillations accélère la détérioration de la machine. Ainsi, le couple diminue sensiblement avec le nombre de barres cassées induisant un effet cumulatif de défaillance. L’effet d’une cassure de barre croît rapidement avec le nombre de barres cassées.
Une ou plusieurs barres cassées provoquent un déséquilibre du courant rotorique, qui est composé de deux systèmes direct et inverse. Le système inverse crée un champ tournant à la fréquence (-fg) par rapport au rotor et (f-2fg) par rapport au stator, il va induire un courant statorique de fréquence (f-2fg) différente de celle du réseau, [6].
Par le même raisonnement, on aura un courant statorique qui comporte des composantes de fréquence :
fbc=f (1±2kg) (I.1)
k ∈N
f : fréquence d’alimentation
g : glissement
fr : fréquence de rotation
f : fréquence d’alimentation
fbc : fréquence générée par le défaut
Cette panne se traduit par une augmentation d’une résistance d’un enroulement, ce qui provoque un déséquilibre du courant rotorique.
Par le même raisonnement que pour le problème du barre cassée, on aura un courant statorique qui a des composantes de fréquence f (1±2kg) k ∈N.
3.1.3)Ruptures d’anneaux
La rupture de portion d’anneau est un défaut qui apparaît aussi fréquemment que la cassure de barres. Ces ruptures sont dues soit à des bulles de coulées ou aux dilatations différentielles entre les barres et les anneaux,
Comme il est difficile de le détecter, ce défaut est généralement groupé, voir confondu, avec la rupture de barres dans les études statistiques. Ces portions d’anneaux de courtcircuit véhiculent des courants plus importants que ceux des barres rotoriques. De ce fait, un mauvais dimensionnement des anneaux, une détérioration des conditions de fonctionnement (température, humidité,…) ou une surcharge de couple et donc de courants, peuvent entraîner leur cassure.
La rupture d’une portion d’anneau déséquilibre la répartition des courants dans les barres rotoriques et par suite, engendre un effet de modulation d’amplitude sur les courants statoriques similaire à celui provoqué par la cassure de barres, [3].
La rupture d’une portion d’anneau déséquilibre la répartition des courants dans les barres rotoriques et par suite, engendre un effet de modulation d’amplitude sur les courants statoriques similaire à celui provoqué par la cassure de barres, [3].
La position du rotor par rapport au stator peut présenter des dissymétries qui sont regroupées en trois catégories, [6].
• Excentricité statique : le centre de rotation de l’arbre du rotor n’est pas celui du centre géométrique du stator
• Excentricité statique : le centre de rotation de l’arbre du rotor n’est pas celui du centre géométrique du stator
Le centre de rotation du rotor différent du centre géométrique du stator et le centre du rotor tourne autour du centre géométrique de ce stator
fexc= [1±n ((1-g)/p)] f (I.2)
n∈N
g: glissement
p: nombre de paire de pôles
f : fréquence d’alimentation
L'apparition d'un défaut au niveau des circuits électriques statoriques de la machine asynchrone peut avoir des origines diverses. Nous pouvons citer, par exemple, les défauts de type courts-circuits inter-spires qui apparaissent à l'intérieur des encoches statoriques.
Ce type de défaut peut être causé par une dégradation des isolants des spires du bobinage statorique. Nous pouvons citer aussi les courts-circuits apparaissant entre une phase et le neutre, entre une phase et la carcasse métallique de la machine ou encore entre deux phases statoriques. Ces défauts ont le plus souvent une origine mécanique. En effet, des vibrations excessives peuvent mener à un desserrement des boulons de la plaque à bornes de la machine créant ainsi le court-circuit. Une cosse mal serrée à la jonction du câble d'alimentation et des bornes de la machine peut être à l'origine d'une ouverture de phase.
Le défaut le plus couramment rencontré reste encore la fusion d'un fusible de protection.
Ces défauts peuvent être détectés par une analyse harmonique des courants absorbés par la machine, [5].
Les roulements à billes jouent le rôle d’interface électromécanique entre le stator et le rotor.
En outre, ils représentent l’élément de maintien de l’axe de la machine permettant d’assurer une bonne rotation du rotor.
Ce type de défaut est le plus fréquent sur les machines de grande puissance. Il est généralement lié à l’usure du roulement et plus précisément une dégradation des billes, ou de la bande de roulement. Ses causes possibles sont :
•l’usure due au vieillissement
• la température de fonctionnement élevée
• la perte de lubrification
• l’huile contaminée (par des paillettes métalliques issues de la dégradation des billes ou de la bande de roulement)
• le défaut de montage
• les courants d’arbres (Shaft Current)
• décollement, effritement de surface provoqué par une surcharge
Sur le système, ce type de défaut se traduit par des oscillations du couple de charge, une apparition de pertes supplémentaires et un jeu entre la bague interne et la bague externe du roulement entraînant des vibrations par les déplacements du rotor autour de l’axe longitudinale de la machine. Dans le cas le plus défavorable, la présence d’un roulement défectueux peut amener le blocage du moteur, [9].
Les défauts créés par les flasques de la machine asynchrone sont le plus généralement causés à l'étape de fabrication. En effet, un mauvais positionnement des flasques provoque un désalignement des roulements à billes, ce qui induit une excentricité au niveau de l'arbre de la machine. Il est possible de détecter ce type de défaillance par une analyse vibratoire ou une analyse harmonique des courants absorbés par la machine, [8].
3.3.3)Défaillance de l'arbre
L'arbre de la machine peut laisser paraître une fissure due à l'utilisation d'un mauvais matériau lors de sa construction. A court ou long terme, cette fissure peut mener à une fracture nette de l'arbre provoquant ainsi un arrêt irrémédiable de la machine asynchrone.
Les milieux corrosifs peuvent aussi affaiblir la robustesse de l'arbre de la machine.
Par exemple, l'humidité peut provoquer des microfissures et conduire à une destruction complète de la machine. Une excentricité statique, dynamique ou mixte peut induire des efforts considérables sur l'arbre moteur, amenant ainsi une fatigue supplémentaire. Une analyse vibratoire, une analyse par ultrason, une analyse fréquentielle des courants absorbés ou simplement une analyse visuelle de l'arbre de la machine permet de détecter ce type de défaillance, [8].
4)Les effets des défauts
.4.1)Effets de défauts statoriques (court-circuit)
Les courts-circuits des spires restent parmi les défauts les plus nocifs au bon fonctionnement de la machine asynchrone, ils sont généralement présents au niveau du stator.
En effet une étude expérimentale a montré que la valeur de courant circulant dans les spires en court-circuit est de l’ordre de dix fois plus importante que celle du courant nominal absorbé par la machine.
Un tel si important courant entraîne une augmentation considérable de la température au niveau du bobinage, qui engendre à son tour une dégradation continuelle des isolants, et par accumulation le bousillage de la machine.
De part ce qui est cité auparavant, ce genre de défaut fait apparaître, et des perturbations au niveau du couple électromagnétique, synonyme d’une présence d’une composante supplémentaire du couple ce qui affecte à son tour les courants statoriques, ainsi la création d’un champ magnétique additionnel dans la machine de fréquence ±fs (où fs est la fréquence de synchronisme).
Ces composantes entraînent des harmoniques de fréquence (k fs) dans les courants absorbés par machine, [10].
La variation des paramètres se fait comme suit:
En général les défauts les plus rencontrés au niveau du rotor de la machine asynchrone à cage d’écureuil sont respectivement, barre cassée, et cassure d’une portion d’anneau qui génèrent tous les deux des perturbations remarquables qui affectent le bon fonction de la machine.
Ce type de défauts entraînent une création d’un champ tournant de sens opposé à celui généré par le stator, à son tour crée des courants supplémentaires dans le bobinage statorique à des fréquences induites
Ces courants vont générer un couple oscillatoire car il aura interaction entre ces courants et le flux fondamental crée par l'alimentation statorique. Dès lors, ce couple additionnel issu du produit du flux par le courant est proportionnel à l'amplitude de courant et la fréquence(1− 2g)f .
La fréquence d'oscillation sera donc de 2gf et engendrera une oscillation de vitesse à cette fréquence dont l'amplitude dépendra de l'inertie du (moteur + charge). Cette oscillation devitesse va générer une variation de flux, donc une force électromotrice de fréquence fondamentale plus deux supplémentaires liées aux oscillations de vitesse. Celles –ci sont proportionnelles à l'amplitude de la variation de la vitesse et généreront deux courants additionnels de fréquence (1− 2g)f et (1+ 2g)f de même valeur. Cependant, le courant de création à la fréquence (1− 2g)f vient se soustraire à celui crée par le défaut rotorique, [9].
Après avoir étudié et représenté les différentes parties constituant la machine asynchrone triphasée à cage d’écureuil à savoir (stator, rotor, paliers), nous nous sommes intéressés ensuite à synthétiser les défauts qui se produisent de manière intempestive au niveau de la machine, tout en mettant l’accent sur leurs genèses et effets ainsi sur leurs répartitions,c’est pour quoi nous avons abordé les études statistiques qui convergent vers le même résultats ; c’est bien la dominance des défauts statoriques par rapport aux autres pour des machines de moyenne puissance d’une part, et de l’autre, les défauts des roulements pour des machines de forte puissance.
En arrivant à comprendre même d’une manière approximative le comportement de ces différents défauts et de les cernés, engendre un apport de plus à l’industrie d’une manière générale.fig.1.6.
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