CONTRIBUTION AU DIAGNOSTIC ET A LA DETECTION DES...

CONTRIBUTION AU DIAGNOSTIC ET A LA DETECTION DES

DEFAUTS D’UN GENERATEUR ASYNCHRONE A CAGE

RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTÈRE DE L'ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITÉ BADJI MOKHTAR –ANNABA-

FACULTÉ DES SCIENCES D'INGÉNIEUR DÉPARTEMENT D'ELECTROMÉCANIQUE

Année : 2017 / 2018

Mémoire

Pour l’obtention d’un diplôme de Master 2

THEME

Option : Maintenance Industrielle

Présenté par : RIZI KHALED

Soutenu le : 20/06/2018

Président : Mr KABOUCHE

Examinateurs : Mr TOLBA S

Mme DJEMAI M

Directeur de mémoire Mr BOURAS AK

Résumé :

De par sa robustesse et son adaptation actuellement aux entraînements électriques à

vitesse variable, le moteur à induction demeure le plus sollicité dans le milieu industriel.

Cependant, dans les chaînes de production où il exerce un rôle stratégique, le maintien de la

continuité de son fonctionnement non dégradé nécessite une attention particulière dans le

cadre de sa surveillance, car une panne peut à tout moment surgir et causer de grandes pertes.

Ce travail s’inscrit dans le concept de la surveillance et du diagnostic des défauts auxquels

sont soumis fréquemment les entraînements électromécaniques asynchrones, à savoir, la

machine asynchrone triphasée à rotor en court circuit. Notre contribution a pour thématique la

détection déséquilibre mécanique (ou balourd), du désalignement et de leurs fusion.

Traditionnellement, pour surveiller et diagnostiquer ces défaillances dans les applications

électromécaniques, l’analyse des signaux vibratoires et sonores ont été les plus abordées.

Cependant, l’approche novatrice de notre travail offre une association de la MCSA des

courants de la phase statorique et du neutre avec l’interprétation visuelle des motifs extraits de

la représentation en 3D du carré des intensités des courants phasiques.

Comme les dégradations électriques et mécaniques précités surgissent généralement en

basse fréquence et peuvent se masquer l’un l’autre, l’application simultanément de plusieurs

techniques de traitement du courant statorique a été jugée nécessaire. L’approche de l’analyse

fréquentielle moyennant la Transformée de Fourier (FFT), la Transformée de Hilbert (HT) et

les spectrogrammes 3D/2D a été supplées par une technique de reconnaissance de forme en

3D afin de séparer la lecture des dégradations précitées et d’en identifier leur nature.

L’application de la MCSA a été réalisée sur une génératrice asynchrone à cage « Leroy

Somer » de puissance 270 KW accouplée avec un moteur diesel « Volvo » pour former un

groupe électrogène. Le recours à cette panoplie de signatures fréquentielles et orbitales dont

l’obtention ne nécessite qu’un matériel simple et à faible coût, contribue à améliorer la

fiabilité du diagnostic prédictif des dégradations isolées et fusionnées à savoir la rupture de la

cage rotorique , le déséquilibre massique, le désaxement et la dégradation de la denture des

engrenages. Les résultats satisfaisants obtenus permettent sans ambigüité d’anticiper l’arrêt

définitif du système et par conséquent, programmer l’arrêt indispensable sans perturber la

production.

Mots-clés : machine asynchrone à cage, MCSA, balourd, désalignement, motifs 3D, FFT,

HT, GT (spectrogramme 3D), STFT (spectrogramme 2D).

DEDICACES ET REMERCIEMENT

1

Dédicaces

Je remercie avant tout Allah le tout puissant qui m’a permis d’acquérir les capacités

physiques et intellectuelles nécessaires à la réalisation de ce projet de fin d’étude.

Je dédie enfin mon travail à mes parents, à ma femme, à mon adorable bébé

«Mouhamed Wassim» et à mon frère «Ilyes» ; en leur exprimant mon amour mon respect et

ma vive gratitude pour leur patience leur amour. Leurs prières qui m’ont toujours

accompagné et encouragé à la réussite tout le long de mes études qu’Allah les protège sans

oublier mes collègues de travail (ENNA/Service Energie) en exception « Mr. Lafia Faouzi »et

« Mr. Ayad Tarek » dont l’expérience (ayant eux-mêmes vécu ces étapes) m’a énormément

aidé dans différents domaines.

Et enfin mes amis qui m’ont toujours soutenus dans mon travail.

Remerciement

L’ensemble des travaux présentés dans ce mémoire a été possible grâce au concours de

mon encadreur « Dr. Bouras Abdelkrim » que je remercie vivement au passage pour son suivi,

ses mises au point et ses conseils patients prodigués tout le long du périple et pour m’avoir

permis de mener à terme ce mémoire .

Toute notre gratitude à tous nos professeurs du département «Electromécanique»

grâce auquel j’ai pu mener à terme mes études durant cette année et parvenir à ce stade.

Sommaire

2

RESUME

DEDICACE ET REMERCIEMENT………………………………………………………1

INTRODUCTION GENERALE.………………………………………………............... 8

CHAPITRE I : CONSTITUTION DE LA MACHINE ASYNCHRONE ET SES

PRINCIPAUX DEFAUTS

I-1-Introduction ………………………………………………………………………………9

I-2-Eléments constituants la machine Asynchrone ………………………………………...9

I-2-1-Le stator

I-2-2-Le Rotor

I-2-3- Les Paliers

I-3-Principe de fonctionnement de la machine asynchrone ……………………………...12

I-3-1- Fonctionnement à vide

I-3-2-Fonctionnement en charge

I-4-Étude statistique des différents défauts de la machine asynchrone………………….13

I-4-1-Défaillances d'ordre électrique

I- 4-1-1- Défaillances des circuits électriques rotoriques

I-4-1-2- Défaillances des circuits électriques statorique

a) Défauts d'isolant dans un enroulement

b) Court-circuit entre spires :

c) Court-circuit entre phases :

d) Défauts de circuit magnétique

I-4-2-Défaillances d’ordre mécanique

a) défaillances des roulements :

b) défaillances des flasques :

c) défaillances de l'arbre mécanique :

d) défauts de déséquilibre massique ou « Balourd »

e) défaut de désalignement:

f) défauts dans les engrenages

I-5Conclusion……………………………………………………………………………...26

CHAPITRE II : GENERALITE SUR LA MAINTENANCE ET LES TECHNIQUES

DE SURVEILLANCE DE LA (MPC)

II.1 Introduction…………………………………………………………………………….27

II-2-Définition de la maintenance ………………………………………………………….27

II -3-Différents types de maintenance ……………………………………………………..27

II-3-1- Maintenance corrective

Sommaire

3

II.3-2-Maintenance préventive

II-3-2-1- Maintenance préventive systématique

II-3-2-2-Maintenance préventive conditionnelle (prédictive)

II-3-3 Principaux Avantages de la M. P. C

II-3-4 Choix de type de maintenance

II-4-Surveillance …………………………………………………………………………….32

II-4-1- Etapes en processus de surveillance

II-4-2 Types de surveillance

II-4-2-1 Surveillance "On-line" ou suivi continu

II-4-2-2 Surveillance "off-line" (hors ligne) ou suivi périodique

II-4-3- Le Choix du type de surveillance

II-5 Techniques en surveillance des machines tournantes …………………37 II-5-1- La thermographie infrarouge

II-5-2-L'analyse des huiles

II-5-3- L'analyse vibratoire

II-5-4-L‘analyse acoustique ou par Ultrasons

II-5-5- Diagnostique par mesure du flux magnétique axial de fuite

II-5-6 Diagnostique par l’analyse du courant statorique

II-5-8-Choix de l’outil de surveillance suivant les défauts potentiels

II-6- Conclusion……………………………………………………………………………42

CHAPITRE III : TECHNIQUE DE LA (MCSA) ET LES METHODES DE

DIAGNOSTIC ET DE TRAITEMENT DE SIGNAL

III-1-Introduction………………………………………………………………………........43

III-2-Diagnostique par l’analyse du courant statorique………………………………….43

III-3- Les méthodes de diagnostique………………………………………………………44

III-3-1-Diagnostic par les méthodes internes

III-3-2- Diagnostic par les méthodes externes

III-3-3-Diagnostic par les Méthodes inductives

III-3-4-Diagnostic par les Méthodes déductives

III-4-Les technique de l’analyse de signal dans la machine asynchrone………………..46

III-4-1-La transformée de Fourier

III-4-2-Méthode de représentation tridimensionnelle des courants statoriques

(3D)

III-4-3-Transformée de HILBERT (HT)

III-4-4-Transformée de Fourier à court terme (STFT))

III-4-5-Signatures du Spectrogramme de La Transformée de Gabor (TG)

III-5-Conclusion………………………………………………………………………….53

Sommaire

4

CHAPITRE IV : TECHNIQUE DE LA (MCSA) ET LES METHODES DE

DIAGNOSTIC ET DE TRAITEMENT DE SIGNAL

IV-1-Introduction………………………………………………………………………...54

IV-2-Historique de l’Etablissement National de la Navigation Aérienne (ENNA)….54

IV-3-la mise en œuvre de la MCSA……………………………………………………..56

IV-3-1-Génératrice à surveiller

IV-3-2-Déroulement des événements

IV-4-Phase de calcul théorique………………………………………………………….60

IV-5-Résultats Expérimentaux et Interprétations………………………………………61

IV-5-1- Signaux temporels avec et sans défaut

IV-5-2- Traitement de signal et analyse

IV-5-2-2-Transformée de Hilbert (HT)

IV-5-2-3Représentation en 3D des trois courants

IV-5-2-4- Spectrogramme en utilisant la STFT

IV-5-2-5-Spectrogramme TG

CONCLUSION GENERALE…………………………………………………………….76

Sommaire

5

LISTES DES FIGURES

CHAPITRE I

Figure I-1 : vue éclatée d’une machine asynchrone

Figure I-2 : Stator

Figure I-3 : Rotor à cage d’écureuil

Figure I-4 : Principe de fonctionnement d’un moteur asynchrone

Figure I-5-a : schéma de fonctionnement d’un moteur avec défaut

Figure I-5-b : Rupture de barre

Figure I-6 modélisations schématiques de l’excentricité statique et dynamique

Figure I-7 : court circuit entre spires

Figure I-8 : Les roulements à billes

Figure I-9 : Défaut de balourd

Figure I-10-a : Désalignement parallèle

Figure I-10-b : Désalignement angulaire

Figure I-11 : Types d’engrenages

Figure I-12 : Défauts d’une dent cassée

CHAPITRE II

Figure-II-1 : Différents types de maintenance

Figure-II-2 : Principe de la maintenance corrective

Figure II-3: Principe de la maintenance préventive systématique

Figure II-4 : Principe de la maintenance préventive conditionnelle

Figure II-5 : Enoncé de la fonction globale d’une politique de maintenance préventive

conditionnelle

Figure II-6 : Choix optimal du temps d’intervention de la maintenance et son impact sur la

production

Figure II-7 : Choix de type de maintenance

Figure II-8 : Architecture générale d’un système de surveillance en ligne

Figure II-9 : composantes de la surveillance industrielle

Figure II-10 : Les types de surveillance des machines

Figure II-11 : Surveillance On-line (en ligne) ou suivi continu

Figure II-12 : Surveillance off-line ou suivi périodique

Figure II-13 : Le choix du type de suivi

Figure II-14 : Différentes techniques de la surveillance des machines tournantes

Figure II-15 : Principe de l’analyse thermographique :

a) Image visible d’un disjoncteur électrique,

b) Visualisation d’un défaut de connexion sur l image thermique

Figure II-16 : Principe de l’analyse vibratoire :

a) Mesures des vibrations,

b) Représentation du spectre vibratoire

Figure II-17 : diagnostic par mesure du flux magnétique

Sommaire

6

CHAPITRE III

Figure III-1- principe de la technique d’analyse des courants statoriques

Figure III-2 : représentation de la transformée de fourier rapide

Figure III-3 : représentation 3D de deux états sain et avec défaut d’une machine électrique

asynchrone

Figure III-4 : signal d’une machine tournante

Figure III-5 : spectre obtenu en utilisant la HT

Figure III-6 : principe de la STFT

Figure III-7 : spectrogramme 2D


CHAPITRE IV

Figure IV-1-a : vue panoramique de l’établissement national de la navigation aérienne

Figure IV-1-b: logo de l’Etablissement National de la Navigation Aérienne ENNA.

Figure IV -2-a : génératrice Leroy somer

Figure IV -2-b : plaque signalétique de la génératrice

Figure IV -3 : déroulement des événements de la MCSA

Figure IV -4-a : accouplement (ventilateur) génératrice/moteur diesel

Figure IV -4-b : patte de droite et fixation (silent bloc)

Figure IV -4-c : patte de gauche et fixation (silent bloc)

Figure IV-5-a : Signal pris de la génératrice à l’état sain

Figure IV-5-b : Signal pris de la génératrice avec défaut combiné (balourd /désalignement)

Figure IV-6-a : spectre de la génératrice saine (fft)

Figure IV-6-b : spectre de la génératrice en présence de défaut combiné (fft)

Figure IV-6-c : spectres superposés des deux états (sain/défaillant) de la génératrice (fft)

Figure IV-7-a : spectre de la génératrice saine (HT)

Figure IV-7-b : spectre de la génératrice en présence de défaut combiné (HT)

Figure IV-7-c : spectres superposés des deux états (sain/défaillant) de la (HT)

Figure IV-8-a : représentation en 3D de la génératrice saine

Figure IV-8-b : représentation en 3D de la génératrice avec défaut combiné

(balourd/désalignement)

Figure IV-9-a: représentation (temps/fréquence) de la génératrice saine

Figure IV-9-b : représentation (temps/fréquence) de la génératrice avec un défaut combiné


Figure IV-10-a : Spectrogramme 3D d’une génératrice saine

Figure IV-10-b : Spectrogramme 3D d’une génératrice avec un défaut combiné


Sommaire

7

LISTE DES TABLEAUX

Tableau I-1 : défauts des machines électriques selon l’origine

Tableau II-1 Choix de l’outil de surveillance

Tableau II-2 : Choix de l’outil de surveillance suivant les défauts potentiels

LISTE DES ACRONYMES :

MCSA : Motor Curent Signature Analysis.

FFT : Transformée Rapide de Fourier (Fast Fourier Transform).

HT : Transformée de Hilbert (Hilbert Transform).

GT : Transformée de Gabor.

STFT : Transformée de Fourier à court terme (Short Time Fourier Transform)

MPC : Maintenance Préventive Conditionnelle.

MPS : Maintenance Préventive Systématique.

SYMBOLES :

N : vitesse de rotation [CPM]

fs: la fréquence du réseau d’alimentation du moteur à induction ; fs = 50Hz

fr : la fréquence de rotation de l’arbre rotorique.

fexe : fréquence "d’excentricité"

fcc : fréquence " de court-circuit "

f int, ext : fréquence de passage de la cage intérieure et extérieure.

fba: fréquence "balourd"

fde : fréquence "désalignement"

nb : nombre de billes

Db : diamètre des billes, [mm]

Dc : distance du centre des billes, [mm]

θ : L’angle de contact de la bille avec la cage. [rad]

g : le glissement.

p : nombre de pairs de pôles.

Nr : nombre d’encoches au rotor

INTRODUCTION GENERALE

8

Introduction générale :

Actuellement, les machines asynchrones sont considérées comme l’outil de conversion

électromécanique le plus utilisé dans le milieu industriel. Cet engouement pour ce type de

machine est justifié par sa simplicité de construction, son faible coût d’achat et sa

robustesse mécanique.

La surveillance d’un tel dispositif implique le diagnostic des défauts : il consiste la

détection d’un changement anormal dans le comportement ou l’état d’un système et dans la

localisation de sa cause. Le but est de garantir la sécurité et la continuité de service et

d’enregistrer les événements utiles pour la maintenance curative ou le retour d’expérience.

Mon mémoire s’intéresse à la surveillance et au diagnostic des défauts des moteurs

asynchrones à cage d’écureuil. Il s’articule autour de quatre chapitres.

Le premier chapitre est un rappel sur la constitution de la machine asynchrone à cage

d'écureuil. La seconde partie traite les différentes défaillances pouvant affecter la machine

asynchrone. Nous avons mis, surtout l’accent sur les défauts les plus fréquents d’après les

statistiques, à savoir : les défauts de roulement, les défauts statoriques et les défauts rotoriques

Le second chapitre est consacré aux types de maintenance et aux différentes techniques et

méthodes employées dans le domaine de surveillance et de diagnostic dans le cadre de la

maintenance préventive conditionnelle

Le troisième chapitre décrié la méthode de contribution à la surveillance et au diagnostic

des défauts de la machine asynchrone à cage d’écureuil (MCSA) et à l’approche signal.

Plusieurs techniques de diagnostic ont été développées. Elles se basent sur le traitement et

l’analyse fréquentiel du courant statorique. Le but est d’extraire une information pertinente et

fiable.

Le quatrième chapitre mis en évidence une analyse pratique de deux défauts fréquemment

rencontrés en phase de diagnostic (balourd/désalignement) en utilisant les méthodes de

traitement signal telle que transformée de Fourier rapide (fft), transformée d’Hilbert (HT), la

représentation en (3D) des trois courant (ia, ib, ic), et le spectrogramme, et enfin une

conclusion générale.

CHAPITRE I : CONSTITUTION DE LA MACHINE ASYNCHRONES A CAGE ET

SES PRINCIPAUX DEFAUTS

9

I-1-Introduction :

Le premier chapitre a pour objectif de revenir rapidement sur la constitution des machines

Asynchrones et de synthétiser les différents défauts pouvant survenir sur une telle machine.

I-2-Eléments constituants la machine Asynchrone :

La machine à induction comprend un stator et un rotor constitués de tôles d'acier au

silicium et comportant des encoches dans lesquelles on place les enroulements. Le stator est

fixe; on y trouve les enroulements reliés à la source. Le rotor est monté sur un axe de rotation

sur le quel sont placés les enroulements qui seront accessibles de l'extérieur, (Fig. I- 1) [1]

Figure I-1 : vue éclatée d’une machine asynchrone.



10

I-2-1-Le stator :

Le circuit magnétique est un empilement de tôles d’acier découpées, faisant apparaître

les différentes encoches statoriques, on isole habituellement les tôles d’une mince couche de

vernis ou de silicate de soude (Fig. I-2). Le bobinage statoriques est constitué de deux parties:

les conducteurs d’encoches et les têtes de bobines. Les conducteurs d’encoches permettent de

créer dans l’entrefer le champ magnétique à l’origine de la conversion électromagnétique.

Quant aux têtes de bobines elles permettent la fermeture des courants en organisant leur

circulation, l’objectif étant d’obtenir une répartition des forces magnétomotrices et du flux la

plus sinusoïdale possible dans l’entrefer, pour limiter les oscillations du couple

électromagnétique.

Figure I-2 : Stator

I-2-2-Le Rotor :

Le circuit magnétique du rotor est constitué d’un assemblage de tôles ferromagnétiques

rainurées. Dans les petits moteurs, les tôles sont découpées dans une seule pièce et assemblées

sur un arbre. Dans les plus gros moteurs, chaque lamination est constituée de plusieurs

sections montées sur un noyau. On trouve deux types de rotor : bobiné ou à cage d’écureuil.



11

Figure I-3 : Rotor à cage d’écureuil

a)Rotor Bobiné :

Les enroulements rotoriques sont localisés dans les encoches situées à la périphérie du

rotor. Ces enroulements sont bobinés de manière à obtenir un enroulement triphasé à « p »

paires de pôle. Les bobinages rotoriques sont toujours couplés en étoile, et les trois bornes

accessibles sont reliées à la carcasse du stator à l’aide d’un système constitué de trois bagues

tournants et de trois balais fixes. (Fig. I-2)

b) Rotor à cage :

La grande majorité des moteurs sont à cages. Dans chaque encoche rotoriques est placée

une barre. Ces barres sont en cuivre pour les moteurs de forte puissance, et en alliage

d’aluminium pour les machines de faible et moyenne puissance. Elles sont réunies à chaque

extrémité du rotor par des anneaux réalisant le court-circuit. L’enroulement rotoriques ainsi

réalisé n’est pas accessible à partir du stator. (Fig. I-3)



12

I-2-3- Les Paliers :

Les paliers, qui permettent de supporter et de permettre la rotation de l'arbre rotoriques,

sont constitués de flasques et de roulements à billes insérés à chaud sur l'arbre. Les flasques,

moulés en fonte, sont fixés sur le carter statorique grâce à des boulons ou des tiges de serrage

comme nous pouvons le visualiser sur la (Fig. I-1) L'ensemble ainsi établi constitue alors la

machine asynchrone à cage d'écureuil.

I-3- Principe de fonctionnement de la machine asynchrone :

L’étude du fonctionnement du moteur asynchrone consiste à admettre qu’un stator formé

de trois bobines avec des axes décalés de (120°) et alimentées par un réseau triphasé équilibré,

crée dans l’entrefer du moteur un champ magnétique, tournant à la fréquence de

synchronisme (ns) (voir Fig. I-4).

Un rotor en court-circuit, balayé par ce champ tournant, est traversé par des courants

induits (courants de Foucault). Le rotor donc soumis à des forces électromagnétiques de

Laplace. L’ensemble de ces forces crée un couple moteur qui entraîne le rotor en rotation. Ce

dernier tourne dans le même sens que le champ tournant, mais sa fréquence de rotation est

nécessairement inférieure à celle du champ tournant d’où l’appellation d’asynchrone.

En effet, si les deux fréquences de rotation étaient égales, il n’y aurait plus création de

courants induits dans le rotor et donc plus de couple moteur. Ceci résulte de la loi de Lenz qui

énonce que la f.é.m. induite s’oppose toujours par ses effets à la cause qui lui donne

naissance.

Figure I-4 : Principe de fonctionnement d’un moteur asynchrone



13

I-3-1- Fonctionnement à vide :

Le régime à vide : c’est lorsque le moteur n’entraîne pas de charge.

Conséquence : le glissement est nul est le moteur tourne à la vitesse de

synchronisme.

A vide: g ≈ 0 par conséquent (no = ns) et (Cu= C0)

Le facteur de puissance à vide est très faible (cos φ < 0,2) et le courant absorbée

reste fort (P : puissance active est petit et Q : puissance réactive est grande). On

parle alors de courant réactif ou magnétisant (servant à créer le champ magnétique).

I-3-2-Fonctionnement en charge :

Le moteur est maintenant chargé, c'est-à-dire que l’arbre de ce dernier entraîne une

charge résistante qui s’oppose au mouvement du rotor. En régime permanent, ou régime

établi : Cu = Cr

I-4-Étude statistique des différents défauts de la machine asynchrone :

D’après [1], les défauts peuvent être classés selon leurs origines en deux catégories :

interne et externe.

Les défauts internes sont provoqués par les constituants de la machine (bobinages du

stator et du rotor, circuits magnétiques, cage rotorique, entrefer mécanique, etc.). Les défauts

externes sont causés par le type d'alimentation, la charge mécanique ainsi que par

l'environnement d'utilisation de la machine. Une classification des défauts qui existent dans

les machines électriques selon leurs origines est présentée dans le Tableau I.1. [2]



14

Tableau I-1 : défauts des machines électriques selon l’origine

I-4-1-Défaillances d'ordre électrique :

Les défaillances d'origine électrique peuvent, dans certain cas, être la cause d'un arrêt de

la machine au même titre que celles d'ordre mécanique. Ces défaillances se séparent en deux

catégories bien distinctes. Nous pouvons citer les défaillances qui apparaissent au niveau des

circuits électriques statoriques et celles qui apparaissent au niveau des circuits électriques

rotoriques

.

I-4-1-1. Défaillances des circuits électriques rotoriques :

Pour le circuit rotorique, Les défaillances sont essentiellement dues à un problème [3] [4]:

Thermique (surcharge,)

Dynamique (arbre de transmission,)

Mécanique (roulement)

Environnemental (agression,...)

Les défauts les plus récurrents qui sont 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



15

a) Ruptures de barres :

Au cours des vingt dernières années, il y a eu poursuite des efforts à l'étude et le diagnostic

des défauts dans les machines asynchrones et, en particulier, de nombreux travaux ont été

consacrés au problème de la rupture des barres rotoriques ainsi que le développement de

techniques de diagnostic non intrusives [5-7]. Certains travaux de recherches ont été basés sur

la technique des éléments finis (EF) [8-13], où de plus amples informations peuvent être

récupérées à des fins de diagnostic. Il est bien établi d'utiliser des courants de ligne comme un

paramètre indicatif [14] qui peut donner un aperçu de la base d'un système de surveillance de

l'état non-invasive pour la détection précoce des dégradations.

Un autre effort de recherche a été axé sur l'analyse de la signature du courant statorique

[15-18] afin de détecter les défauts électriques et mécaniques affectant les moteurs à

induction. Un autre problème constamment signalé dans la littérature et qui a également reçu

beaucoup d'attention de la part des chercheurs, c’est l'échec lié à l’échauffement. Pour par

exemple, des recherches ont été menées sur les ventilateurs de refroidissement des moteurs à

induction par une analyse de la sensibilité thermique [19-21].

Dans cette référence, les problèmes de conception thermique ont été examinés et des

algorithmes d'optimisation de conception ont également été développés. Une analyse

thermique magnétique couplée d'un moteur à induction ayant pour objectif principal de

parvenir à une prédiction rapide et précise de la performance IM a été propose dans [22]. Le

problème de d échauffement d'un moteur lorsque l'une des barres du rotor est totalement

cassée a été simulé dans certains journaux [23]; certains documents ont étudié les

caractéristiques de l’échauffement et la distribution de la chaleur du moteur avec les rotors

sains et défaillants [24-26]. Bien que de nombreux journaux aient couvert ce domaine de

recherche, des problèmes techniques persistent encore lors de l'analyse des champs

thermiques des moteurs électriques en présence des défauts de rupture des barres de la cage

rotorique.(voir Fig. I-5)

Figure I-5-a : schéma de fonctionnement d’un moteur avec défaut

Figure I-5-b : Rupture de barre



16

L’effet d’une cassure de barre croit rapidement avec le nombre de barres cassées. Le

modèle diffère pour la simulation car le rang de la matrice afférent au rotor n’est plus

constant. Néanmoins, les fréquences engendrées, autour de la fréquence fondamentale de

l’alimentation, par un défaut de barre ou de portion d’anneau, sont :

fb = (1± 2.k.g) fs (I-1)

Avec k = 1,2,3…. ; k ϵ N

Par contre, les harmoniques d’espaces gênèrent eux aussi des fréquences dont la

relation est :

fb = [(k/p) (1-g) ± g] fs (I-2)

Avec k = 1,2,3…. ; k ϵ N

(p) étant le nombre de paire de pôle [35]

b) Ruptures d’anneaux :

La rupture de portion d’anneaux est un défaut qui apparait aussi fréquemment que celui

de la cassure de barres. Les fissures sont dues aux dilatations différentielles entre les barres et

les anneaux. Comme il est difficile de détecte ce défaut car il est généralement groupé, voir

confondu, avec la rupture de barres dans les études statistiques. Ces portions d'anneaux de

court-circuit 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 courante dans les barres

rotoriques et de ce fait, elle engendre un effet de modulation d'amplitude sur les courants

statoriques, tout à fait similaire à celui provoqué par la cassure de barres. [5]

c) Excentricité statique et dynamique :

Parfois, la machine électrique peut être soumise à un décentrement du rotor, se traduisant

par des oscillations de couple suite au décalage entre la rotation de l’arbre et le centre du rotor

(Figure I-6). Ce phénomène, dont l’origine peut être liée à un positionnement incorrect des



17

paliers lors de l'assemblage, à un défaut de roulement (usure), à un défaut de charge, ou à un

défaut de fabrication (usinage) (voir Fig. I-6)

On distingue généralement trois cas d'excentricité :

L’excentricité statique, c’est lorsque le rotor est déplace du centre de l'alésage stator

mais tourne toujours autour de son axe.

L'excentricité dynamique, c’est lorsque le rotor est positionné au centre de l'alésage

mais, ne tourne plus autour de son axe.

L'excentricité qu'on pourrait qualifier de 'mixte', cette dernière associe les deux cas

précédemment cités.

Figure I-6 modélisations schématiques de l’excentricité statique et dynamique [27]

Ce défaut modifie aussi bien le comportement magnétique que celui mécanique de la

machine. En effet, l’augmentation de l’excentricité dans l’entrefer induit une augmentation

des forces électromagnétiques qui agissent directement sur le noyau statorique ainsi que

l’enroulement correspondant, ce qui engendre une dégradation de son isolation.

D'autre part, cette augmentation peut avoir comme conséquence des frottements entre le

stator et le rotor en raison des forces d'attraction magnétique qui déséquilibrent le système.

Ceci donne naissance à des niveaux de vibration considérables dans les enroulements.

Les fréquences proches du fondamental sont données par la relation :

fexe = [1 ± n (1-g/p)] fs (I-3)

Où :

- fexe : fréquence "d’excentricité".

- n : 1, 2, 3, . . ., n Є N.

- g : le glissement.

- p : nombre de pairs de pôles.

- fs : fréquence d’alimentation.



18

Cette relation a l’avantage de ne pas nécessiter de connaissance précise de la machine

asynchrone car elle ne fait pas apparaître de terme lié à sa conception [27]

Une seconde approche consiste à utiliser une expression liant le défaut de barre cassée à

celle de l’excentricité et des encoches au rotor.

C’est ainsi qu’une équation, sous forme compacte, fait apparaître les harmoniques de

fréquences relatives à ces défauts, et qui dépendent pour beaucoup du nombre de paires de

pôles.

fexe = [(k.Nr ± nd) (1-g/p) ± n ɷs] fs (I-4)

Où :

- f exe: fréquence " d’excentricité "

- k : 1, 2,3, . . ., k Є N,

- Nr : nombre d’encoches au rotor,

- nd Є N,

- g : le glissement,

- p : nombre de pairs de pôles,

- nωs : 1, 3, 5, . . ., nωs Є N,

- fs : fréquence d’alimentation [10]

I-4-1-2- Défaillances des circuits électriques statorique

Pour le circuit statorique, les défaillances sont principalement dues à un problème [28]:

Thermique (surcharge….)

électrique (diélectrique….)

Mécanique (bobinage…..)

Environnemental (agression….)

Les défauts qui sont les plus récurrents, localisés au niveau du stator, peuvent être définis

comme suit :

Défaut d’isolant

Court-circuit entre spires

Court-circuit entre phases

Défaut de circuit magnétique



19

a) Défauts d'isolant dans un enroulement :

La dégradation des isolants dans les enroulements peut provoquer des courts- circuits. En

effet, les différentes pertes (Joule, fer, mécanique,...) engendrent des phénomènes thermiques

se traduisant par une augmentation de la température des différents organes du moteur.

Cependant, les matériaux d’isolation ont une limite de température, de tension et de

mécanique. De ce fait, si l'environnement de travail d'un matériau d'isolation dépasse une de

ces limites, ce matériau va se dégrader de manière prématurée ou accélérée et finira par ne

plus assurer sa fonction. Dans ce cas, un court-circuit peut apparaître dans l’enroulement

concerné.

Les différentes Causes pour ce type de défaut sont :

la dégradation de l'isolant à la fabrication.

la tension de l’enroulement supérieure à la limite du matériau d’isolation,

le courant élevé dans l'enroulement dû à un court-circuit, un défaut du convertisseur,

une surcharge.

Ceci entraîne une élévation de la température dégradant prématurément le matériau

d’isolation.

les vibrations mécaniques.

le vieillissement naturel des isolants.

Tous les matériaux isolants ont une durée de vie limitée ; même pendant une utilisation

'normale', l'isolant finit naturellement par se dégrader

Fonctionnement dans un environnement sévère [29]

b) Court-circuit entre spires :

Un court-circuit entre spires d’une même phase est un défaut assez fréquent. Cette

défaillance a pour origine un ou plusieurs défauts d’isolant dans l’enroulement concerné

[30,31]. Il entraine une augmentation des courants statoriques dans la phase affectée. Une

légère variation de l’amplitude sur les autres phases, modifie le facteur de puissance et

amplifie les courants dans le circuit rotorique. (Voir Fig. I-7)

Ceci a pour conséquence une augmentation de la température au niveau des enroulements

et, de ce fait, une dégradation accélérée des isolants, pouvant provoquer ainsi, un défaut en

chaine (apparition d’un 2ème court-circuit). Par contre, le couple électromagnétique moyen

délivré par la machine reste sensiblement identique en dehors d’une augmentation des

oscillations proportionnelles au défaut.



20

Figure I-7 : court circuit entre spires

Il a été montré que le courant statorique avait un spectre enrichi suite à la création d’un

court-circuit entre plusieurs spires au stator. Les fréquences sont données par la relation :

fcc = [n/p (1-g) ± k] fs (I-5)

Où :

- fcc : fréquence " de court-circuit ",

- f : fréquence d’alimentation,

- n : 1, 2,3, . . ., n Є N,

- p : nombre de paires de pôles,

- g : le glissement,

- k : 1, 3, 5, . . ., k Є N.

c) Court-circuit entre phases :

Ce type de défaillance peut arriver en tout point du bobinage, cependant les répercussions

ne seront pas les mêmes selon la localisation. Cette caractéristique rend difficile une analyse

de l’incidence de ce défaut sur le système [3,32]. L’apparition d’un court-circuit proche de

l’alimentation entre phases, induirait des courants très élevés qui conduiraient à la fusion des

conducteurs d’alimentation et/ou à la disjonction par les protections.

D’autre part, un court-circuit proche du neutre entre deux phases engendre un

déséquilibre sans provoquer la fusion des conducteurs. Les courants statoriques sont

totalement déséquilibrés et ce déséquilibre est proportionnel au défaut qui apparait. Les

courants dans les barres ainsi que dans les anneaux sont augmentés lors de l’apparition de ce

défaut. La détection de ce type de défaut peut reposer sur le déséquilibre des courants de

phases.



21

d) Défauts de circuit magnétique :

Ces défauts aboutissent dans la plupart des cas à une dissymétrie au niveau du

fonctionnement de la machine, qui à son tour peut accentuer le problème par des phénomènes

de surchauffe, de surtension, d’élévation importante du courant [33,34], etc.

4-2 -Défaillances d’ordre mécanique :

Les défaillances d’ordre mécaniques sont en général, les plus rencontrées parmi tous les

défauts que rencontre la machine asynchrone [35,36]. Ces défauts peuvent apparaître au

niveau des roulements à billes, des flasques ou encore de l’arbre moteur tels que le défaut de

balourd et de désalignement.

a) Défaillances des roulements :

Les roulements à billes jouent un rôle très important dans le fonctionnement de tout type

de machines électriques. Les défauts de roulements peuvent être causés par un mauvais choix

de matériau dès l’étape de fabrication. Les problèmes de rotation au sein de la culasse du

roulement, causés par un roulement abîmé, écaillé ou fissuré, peuvent créer des perturbations

au sein de la machine. Nous savons que des courants électriques peuvent circuler au niveau

des roulements d'une machine asynchrone ce qui peut provoquer la détérioration de ces

derniers. La graisse, qui permet la lubrification et la bonne rotation des roulements peut, dans

certaines applications, se solidifier et causer une résistance à la rotation. L'analyse vibratoire

de la machine ou l'analyse harmonique des courants statoriques permet de délecter ce genre de

défaillances. (Voir Fig. I-8)

Figure I-8 : les roulements à billes



22

La relation entre les vibrations des roulements à billes et le spectre du courant statorique est

basée sur le fait que toutes les excentricités interfèrent sur le champ dans l’entrefer de la machine

asynchrone. Un défaut de roulement à billes se manifeste par la répétition continuelle du contact

défectueux avec la cage de roulement extérieur comme intérieur.

La fréquence de répétition sera pour la cage intérieure et extérieure :

f int = (nb/2) fr [1+ (Db/Dc) cos θ] ; [HZ] (I-6-a)

f int = (nb/2) fr [1- (Db/Dc) cos θ] ; [HZ] (I-6-b)

Le spectre en courant est alors décrit par :

f int, ext = fs ± [n (nb/2) fr [1± (Db/Dc) cos θ]] ; [HZ] (I-7)

- g : le glissement.

- fs : fréquence d’alimentation. [HZ]

- fr : fréquence de rotation mécanique. [HZ]

- n : 1, 2,3, . . . ; n Є N,

- nb : nombre de billes,

- Db : diamètre des billes, [mm]

- Dc : distance du centre des billes, [mm]

- θ : L’angle de contact de la bille avec la cage. [rad]

En considérant que le nombre de billes est compris entre 6 et 12 habituellement, deux

relations couramment rencontrées sont :

fext = 0,4. nb.fr (I-8-a)

fint = 0 ,6 . nb.fr (I-8-b)

Donc le spectre en courant s’enrichi de :

f int, ext = fs ± n fr (ext, int) ; [HZ] (I-9)



23

b) Défaillances des flasques : Les défauts créés au niveau des 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.

c) Défaillances de l'arbre mécanique : 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.

d) Défauts de déséquilibre massique ou « Balourd » : La grande sensibilité du courant aux variations de couples, captées par le moteur asynchrone

et par voie de conséquences, aux défauts mécaniques (balourd) induisant ces dernières, fait de

l'analyse spectrale du courant (MCSA) un outil d'investigation extrêmement puissant .Les défauts

de déséquilibre massique ou « balourd » sont détectés par la surveillance des fréquences

appropriées de la phase du courant statorique. (Voir Fig. I-9)

fd = (k f1 ± m fr) ; [HZ] (I-10) Où

- f1 : la fréquence du réseau d’alimentation du moteur à induction

- fr : la fréquence de rotation de l’arbre rotorique.

Le balourd entraîne l’émergence de raies aux fréquences définies par (1.12). Pour (m=k=1) et

avec des amplitudes de moindre importance aux fréquences du courant pour (m=1) et (k =2).

Balourd dynamique Balourd statique

I-9-défaut de balourd



24

e) Défaut de désalignement: Le désalignement est un problème plus fréquent que le balourd, et la raison en est bien

Simple. Malgré l’emploi de paliers auto-alignant, et d’accouplements flexibles, il est difficile

d’aligner deux arbres, ainsi que leurs paliers afin d’assurer qu’il n’y existe aucune force qui puisse

causer la vibration [41]. (Voir Fig. I-9)

On distingue deux types de désalignement « parallèle et angulaire ».

Figure I-10-a : Désalignement parallèle Figure I-10-b : Désalignement angulaire

Désalignement angulaire : Il se produit quand l’axe de rotation de deux machines a un angle

différent.

f) Défauts dans les engrenages :

Un engrenage est composé de l’ensemble de deux roues dentées engrenant lune avec

l’autre, permettant de transmettre de la puissance entre deux arbres rapprochés avec un

rapport de vitesse constant. Selon la position relative des deux arbres, on distingue trois

classes d’engrenages (Fig. I-10) [41] :

Les engrenages parallèles « les 2 arbres sont parallèles ».

Les engrenages concourants « les 2 arbres sont tels que leurs prolongements se

coupent ».

Les engrenages gauches « les 2 arbres occupent une position relative quelconque ».

Les dentures d’engrenage peuvent être droites, hélicoïdales ou à chevrons. Les efforts,

en conséquence, sont :

Uniquement radiaux sur les engrenages parallèles, à denture droite ou à chevrons,

Mixtes « radiaux et axiaux » sur les engrenages à denture hélicoïdales, les engrenages

coniques et les engrenages à roue et vis sans fin.



25

Figure I-11 : Types d’engrenages

Les engrenages sont des éléments de transmissions de mouvement qui peuvent être

touchés par des défauts tel que :

Des piqûres pour les dents taillées.

Des écaillages de la denture.

Des fissures.

Des ruptures au terme de fissures.

Des grippages qui conduisent à d’importantes détériorations.

Les principaux défauts survenant sur un couple d’engrenages d’un réducteur simple sont

les défauts répartis sur toute la denture et les défauts localisés sur une partie de la denture.

Figure I-12 : Défauts d’une dent cassée

Plus généralement, les détériorations superficielles d’engrenages sont le résultat de

différents phénomènes pouvant intervenir au cours du fonctionnement du système.



26

I-5- Conclusion :

Dans ce chapitre, nous avons tenté de décrire les différentes parties (compartiments) de la

machine asynchrone à cage d'écureuil et son principe de fonctionnement. Et d’illustrer les

différentes défaillances qui apparaissent dans notre machine (excentricité, court-circuit,

rupture de barre ...); en mentionnant les fréquences caractéristiques de ces défauts au fur et à

mesure.

CHAPITRE II : GENERALITE SUR LA MAINTENACE ET LES TECHNIQUES DE SURVEILLANCE DE LA (MPC)

27

II-1- Introduction

La maintenance industrielle est devenue un enjeu clef pour la durabilité des machines

et des installations mécaniques dont dépend l’accroissement de la productivité des unités

de production.

Ce chapitre donne des notions sur la maintenance industrielle et ses différents types.

Ainsi qu’un aperçu sur les techniques les plus utilisées et les applications dans la

surveillance industrielle des machines tournantes.

Dans les entreprises, la maintenance est considérée comme fonction stratégique et est

définie comme étant un ensemble des actions techniques, administratives et de

management destinées à maintenir un bien industriel en bon état de marche durant un

cycle de vie ou à le rétablir dans un état dans lequel il peut accomplir la fonction requise

II-2-Définition de la maintenance :

La maintenance est l'ensemble de toutes les actions techniques, administratives et de

management durant le cycle de vie d'un bien, destinées à le maintenir ou à le rétablir dans

un état dans lequel il peut accomplir la fonction requise (norme NF EN 13306) [37].

Une fonction requise est une fonction, ou un ensemble de fonctions d'un bien

considérées comme nécessaires pour fournir un service donné.

II-3-Différents types de maintenance :

Selon l‘évolution de la maintenance, on distingue trois types de maintenance [38-39]

comme le montre la Figure (II-1):

• La maintenance corrective (MC).

• La maintenance préventive systématique (MPS).

• La maintenance préventive conditionnelle (MPC).

Figure–II-1 : Différents types de maintenance


28

II-3-1- Maintenance corrective

La maintenance corrective (appelée également réactive) est exécutée après détection

d'une panne et est destinée à remettre un bien dans un état lui permettant d’accomplir une

fonction requise. Ainsi l’application d’actions relevant de la maintenance corrective vient

en réponse directe à l’apparition d’une défaillance [38-39]

La Figure (II-2) présente ces activités qui touchent généralement deux types

d’intervention :

Les interventions palliatives qui remettent le système en état de fonctionnement provisoire ;

Les interventions curatives permettant de réparer le système d’une manière définitive.

Figure-II-2 : Principe de la maintenance corrective

II-3-2-Maintenance préventive

La maintenance préventive dont le but est de minimiser l’apparition des défaillances

des équipements, est exécutée avant la détection de toute panne [40,41]. La continuité du

service s’en voit, ainsi, assurée, car ce type de maintenance permet :

La diminution du temps d’arrêt dû aux pannes ;

L’augmentation de la durée de vie des équipements ;

La diminution ou même par annulation des défaillances en service ;

L’élimination des causes d’accidents dus aux dépannages ;

La décision d’opérations de révision au moment des arrêts de travail.

Parmi les techniques de maintenance préventive, on distingue deux types de maintenance

(systématique et conditionnelle).


29

II-3-2-1- Maintenance préventive systématique :

La maintenance préventive systématique est exécutée à des intervalles de temps

préétablis ou selon un échéancier fixé sur la base de la durée de vie minimale des

composants mécaniques ou électriques d’une machine [42,43]. En d’autres termes, les

interventions sont effectuées à des dates planifiées à l’avance, avec une périodicité

dépendant de différents facteurs d’usures de matériels (voir Figure II-3).

Figure II-3: Principe de la maintenance préventive systématique

II-3-2-2-Maintenance préventive conditionnelle (prédictive) :

La maintenance préventive conditionnelle (MPC) s’intéresse plus étroitement à l’état

du système. Tout en étant, comme la précédente, exécutée à titre préventif, elle reste

conditionnée par l’état de la machine. Ainsi, ce type de maintenance s’appuie sur la

surveillance du process et/ou des paramètres significatifs (indicateur vibratoire,

température, .., etc.) de son fonctionnement pour décider et intégrer des actions

conséquentes [44,45]. Cette définition est illustrée dans la Figure II-4.

Figure II-4 : Principe de la maintenance préventive conditionnelle


30

Devant la diversité et les spécificités des systèmes mécaniques, l’application de

politique de maintenance préventive conditionnelle dépend des outils disponibles ou à

développer et qui doivent être appropriés. La politique adoptée et les moyens mis en

œuvre sont à même de permettre à l’équipe de surveillance de diagnostiquer les défauts

apparaissant sur le système en fonctionnement et de décider des interventions de

réparation (voir Fig. II-5).

Figure II-5 : Enoncé de la fonction globale d’une politique de maintenance

préventive conditionnelle

II-3-3- Principaux Avantages de la M. P. C :

Répondant au critère d’optimisation de process et au souci de rationalisation des

ressources, tous types confondus, la description décrite ci-dessus, semble être très

appropriée, notamment lorsqu’il s’agit de process importants et/ou des systèmes

complexes. On compte parmi les avantages de la maintenance préventive conditionnelle

[44,45] ;ce qui suit:

• Diminution du nombre d’arrêts de production intempestifs

• Réparation des machines seulement lorsqu'elles le nécessitent.

• Augmentation de la disponibilité des équipements.

• Suppression des arrêts systématiques.

• Limitation de la gravité des réparations.

• Intervention plus ciblée (localisation préalable des pannes).

• Réduction des coûts de réparation.

• Amélioration de la sécurité.

• Approvisionnement des pièces de rechange selon les besoins réels.


31

Le choix optimal du temps d’intervention de la maintenance et son impact sur la

production est illustré dans la Figure II-6.

Figure II-6 : Choix optimal du temps d’intervention de la maintenance et son impact

sur la production

II-3-4- Choix de type de maintenance :

Le choix de la mise en place de la maintenance dans une entreprise est résumé dans

le schéma de la Figure II-7 [46,47]. La rentabilité demeure l’élément déterminant. Il est

parfois, économiquement, judicieux d’attendre une panne pour avoir recours à une

maintenance curative avec la maitrise préalable de cette dernière, alors qu’il peut s’avérer

plus rentable dans d’autres cas de privilégier prédiction et prévention. Les entreprises

opèrent donc des choix parmi les différents types de maintenance en fonction de multiples

éléments techniques, économiques, et autres facteurs internes ou externes [46,47].

- La fréquence des défaillances cycliques ou aléatoires des équipements ;

- Les aptitudes et compétences du personnel de maintenance ou des sous-traitants ;

- Les politiques et modes d’organisation du travail ;

- Les produits…


32

Figure II-7 : Choix de type de maintenance

II-4-Surveillance :

Elément de la maintenance préventive conditionnelle, le rôle principal de la

surveillance des machines tournantes est de fournir, de manière continue, des

connaissances sur leurs états sans arrêter la ligne de production. L’objectif à ce niveau est

d'améliorer la disponibilité et la sécurité, ainsi que la minimisation des pertes dans la

production [47,48].

La Figure II-8 représente l’architecture générale d’un système de Surveillance en ligne.

Figure II-8 : Architecture générale d’un système de surveillance en ligne


33

II-4-1- Etapes en processus de surveillance :

La surveillance se compose de deux phases principales qui sont la détection et le

diagnostic (voir la Figure II-9) [48]:

La détection : Dont le but est de déterminer la présence ou non d’un défaut affectant le procédé. Elle consiste à analyser et déceler ses effets sur le système

(symptômes).

Le diagnostic : Se basant sur les défauts détectés, cette étape consiste en : - Une localisation : Qui sert à déterminer le type de défaut affectant le procédé en

Moyen d’indications relatives à l’élément en défaut ;

- Une identification : Qui sert à déterminer exactement la cause de ces symptômes

en Identifiant la nature du défaut.

Figure II-9 : composantes de la surveillance industrielle

II-4-2 Types de surveillance :

Selon leur importance et leur criticité, les machines peuvent nécessiter un système de

surveillance en ligne doté de fonctions de diagnostic ou un système de surveillance hors

ligne, tel est la cas des machines simples comme les pompes ou les ventilateurs On

distingue fondamentalement deux types de surveillance (voir Figure II-10) [49,50].


34

Figure II-10 : Les types de surveillance des machines

II-4-2-1 Surveillance "On-line" ou suivi continu :

Ce type de surveillance est utilisé en permanence sur des machines spécifiques et dont

il surveille constamment les états de fonctionnement par la mesure en continu des

paramètres physiques notamment ceux à évolution rapide tels que vitesse, traction,

vibrations, Etc. Ainsi, il joue un rôle important dans l’efficacité de la conduite de process,

générant immédiatement, dans la salle de contrôle [35,36], un signal d’alarme lors d’un

changement soudain de l’état de la machine. Cette technique se base, généralement, sur

un diagnostic dit à base de modèles qui repose sur une modélisation comportementale et

structurelle du système à diagnostiquer. Son principe consiste à faire une comparaison

entre le comportement prédit issu d’un modèle de représentation (de bon fonctionnement)

et le comportement réellement observé. Cette comparaison permet de détecter les

incohérences afin de déduire les causes de défauts. Le maintien d’un bon fonctionnement

de l’ensemble passe donc par la mise en place des outils de détection des défaillances

éventuelles et des systèmes de commande robustes.

La Figure II-11 représente un système de surveillance en ligne [49,50].


35

Figure II-11 : Surveillance On-line (en ligne) ou suivi continu

II-4-2-2 Surveillance "off-line" (hors ligne) ou suivi périodique :

Avec ce type de surveillance, les mesures, prélèvements, vérifications sont effectués à des

moments préétablis et à intervalles réguliers. En thermographie infrarouge ou en analyse

d’huiles, par exemple, où l’évolution du paramètre physique est plutôt lente, la

surveillance est nécessairement périodique [49,50].

La Figure II-12 représente un système de surveillance off-line ou suivi périodique

[49,50].

Figure II-12 : Surveillance off-line ou suivi périodique


36

II-4-3- Le Choix du type de surveillance :

Le choix du type de surveillance dépend du type de machine à étudier et du type de

défaillance que l‘on souhaite détecter. Les questions déterministes sur le choix du type de

surveillance sont résumées sur la Figure II-13 [49,50].

Figure II-13 : Le choix du type de suivi

II-5 Techniques en surveillance des machines tournantes :

Aujourd’hui, plusieurs techniques peuvent être employées pour surveiller l'état des

machines tournantes par l’analyse des vibrations, du bruit, de la température, du courant,

Etc. [50,51].

Les différentes techniques de la surveillance des machines tournantes sont illustrées dans

la Figure II-14.

Figure II-14 : Différentes techniques de la surveillance des machines tournantes


37

II-5-1- La thermographie infrarouge :

Cette technique permet de mesurer la température de composants sans contact. Elle

peut être utilisée pour la surveillance des machines tournantes notamment pour la

détection de défauts qui se manifestent par un échauffement anormal à la surface de

l‘équipement.

La thermographie permet de réaliser des mesures à distances et d‘obtenir

instantanément une image thermique de la zone inspectée [50-51].

Le principe de l’analyse thermographique est illustré dans la Figure II-15.

Figure II-15 : Principe de l’analyse thermographique :

a) Image visible d’un disjoncteur électrique,

b) Visualisation d’un défaut de connexion sur l image thermique

II-5-2-L'analyse des huiles :

L’huile est en contact permanent avec les pièces en mouvement. Elle fournit de

nombreuses informations sur l’état de la machine. Lorsque l’équipement est mis à rude

épreuve, la qualité du lubrifiant s’en voit affectée.

L’analyse d’huile est appliquée à toutes les machines contenant des fluides de

lubrification (réducteurs, motoréducteurs, moteurs thermique, etc.). Elle consiste à

prélever un échantillon d‘huile et de l‘analyser (recherche des particules d‘usure) pour

déduire l‘état de l’équipement [37,38].

II-5-3- L'analyse vibratoire

La surveillance vibratoire qui s’adapte le plus aux composants mécaniques des

machines tournantes en fonctionnement est la technique la plus utilisé dans l'industrie.

Elle permet la détection de la majorité des défauts susceptibles d’apparaître. Les études et

analyses menées dans ce domaine ont, non seulement, montré la présence permanente de

la vibration dans les machines en cours de fonctionnement, mais encore, l’existence d’une

forte corrélation ente ce comportement et l’état de la machine. Ainsi plus l’état de

détérioration de la machine est avancé plus les niveaux de vibration sont importants 37,38].


38

Figure II-16 : Principe de l’analyse vibratoire :

a) Mesures des vibrations,

b) Représentation du spectre vibratoire

II-5-4-L‘analyse acoustique ou par Ultrasons :

Pour des applications spécifiques et la recherche de défauts bien précis, on retrouve

ces deux méthodes, dont la première consiste en une détection de tout bruit anormal en

moyen de microphones placés à une certaine distance de l’équipement, tandis que la

deuxième est dédiée à la détection de défauts dont la signature est de faible amplitude et

de haute fréquence tel qu’un début de dégradation d’un roulement [50-51].

II-5-5- Diagnostique par mesure du flux magnétique axial de fuite

Le flux de fuite axial peut être détecté par une bobine (bobine exploratrice) enroulée

autour de l'arbre de la machine (Fig. II-17) et aussi par n'importe quel arrangement

symétrique simple des bobines placées à l'extrémité de l’arbre de la machine ou par

d'autres dispositifs sensibles tels que les sondes à effet hall.

Lorsque la bobine est enroulée autour de l'arbre d'une machine électrique, elle est le

siège d'une force électromotrice (F.e.m) induite qui est liée aux flux de fuite axiaux.

Les flux de fuites sont présents dans toutes les machines électriques en raison des

asymétries dans les circuits électriques et magnétiques qui sont dues aux fluctuations du

réseau électrique et les tolérances pendant le processus de fabrication.

L’analyse spectrale de la tension induite peut être utilisée pour identifier les différentes

asymétries et défauts. Le contenu d’harmoniques des flux de fuites axiaux du stator et du


39

rotor est directement en relation avec les harmoniques contenus respectivement dans les

courants du stator et du rotor.

La conséquence directe d’un défaut est l’augmentation du flux de fuite axial. Cette

augmentation du flux est la condition nécessaire pour l’utilisation du flux de fuite axial

comme une technique de diagnostique, c'est-à-dire ce dernier doit avoir une valeur

importante.

Figure II-17 : diagnostic par mesure du flux magnétique

II-5-6 Diagnostique par l’analyse du courant statorique :

Technique dédiée à la machine électrique, dont on s’intéresse en détails dans le

chapitre suivant.

II-5-7-Choix d’outils de surveillance :

Tenant compte des impératifs du process, tel qu’une chaîne de production,

de son type, de sa complexité et autres conditions de l’environnement, Le

choix d’une technique de surveillance pour le diagnostic, la localisation et

l’identification d’une défaillance revêt une grande importance et se doit

d’être le plus approprié .Ainsi, en fonction de ces considérations on pourra opter pour un ou plusieurs choix pour un type de surveillance [52,53]. Le tableau II-1

donne un aperçu sur les critères pris en compte pour le choix de l’outil de

surveillance.


40

Tableau II-1 Choix de l’outil de surveillance


41

II-5-8-Choix de l’outil de surveillance suivant les défauts potentiels :

Le tableau II-2 illustre le choix de l’outil de surveillance suivant les défauts potentiels

[52,53].

Tableau II-2 : Choix de l’outil de surveillance suivant les défauts potentiels


42

II-6- Conclusion :

Ce chapitre a été consacré à la maintenance industrielle pour l’importance que

présente cette fonction en entreprise. A l’impact direct sur les taux de production et la

qualité des produits, sa maitrise permet la minimisation des autres postes de dépense pour

l’industriel.

Nous en avons, ainsi, présenté, dans ce deuxième chapitre, les concepts, et exposé ses

différents types avec les techniques de surveillance relevant de ce domaine. Nous avons,

également, donné un aperçu sur les différentes stratégies de surveillance.

CHAPITRE III : TECHNIQUE DE LA (MCSA) ET LES METHODES DE DIAGNOSTIC

ET DE TRAITEMENT DE SIGNAL

43

III-1-Introduction :

Dans ce chapitre on détermine les méthodes et les techniques les plus utilisées pour la

détection des défauts mécanique, électrique et combiné dans la machine asynchrone.

III-2-. Diagnostique par l’analyse du courant statorique :

Cette méthode est un outil puissant pour détecter la présence des défauts mécaniques et

électriques. Elle présente plusieurs avantages par rapport aux autres méthodes, parce qu’elle

ne demande ni l’introduction d’un capteur au niveau de la machine ni l’utilisation d’un

équipement coûteux et encombrant mais seulement un capteur de courant (sonde à effet de

hall ou transformateur de courant) qui donne une image sur le courant de phase statorique.

C’est cette méthode de diagnostique qui sera utilisée comme outil de diagnostique dans la

recherche des différents défauts dans ce travail.

C’est une méthode de surveillance, qui consiste à utiliser le spectre du courant statorique

[41-43]. Sachant que dans un spectre de courant d’un moteur sans défaut apparaît uniquement

la composante du fondamental, pour une répartition sinusoïdale de la Fmm.

Dans le cas d’une répartition non sinusoïdale de la (f.m.m) en plus du fondamental

apparaît des harmoniques de l’encochage rotorique, cas d’un moteur à cage.

Pour montrer le principe de cette méthode, on considère le cas d’une asymétrique

rotorique d’un moteur asynchrone, l’existence de ce défaut engendre un courant de défaut

dans le rotor, Ce courant produit une Fmm pulsatile dont la fréquence d’ondulation est (sf),

cette (f.m.m) produit dans l’enroulement statorique une harmonique à deux composantes, la

première ayant la fréquence (1- 2s) f et la deuxième ayant la fréquence (1+2s) f.

(Fig .III-1).

Figure III-1- principe de la technique d’analyse des courants statoriques



44

III-3- Les méthodes de diagnostique :

Les méthodes de diagnostic sont nombreuses mais on peut les classer suivant deux axes: Les méthodes outils mathématiques qui permettent de modéliser les systèmes, les

causes et les symptômes de défaillance, pour faciliter les démarches inductives et

déductives, qui relèvent du domaine des méthodes de diagnostic interne.

Les méthodes capables de reproduire sous forme informatique, les modes de raisonnement de l'homme. Ces derniers sont basés sur la discipline de l’intelligence

artificielle et sont du domaine des méthodes de diagnostic externe.

On peut classer les méthodes de diagnostic en premier lieu dans les deux grandes Familles

[44-46] :

Les méthodes internes et externes

Les méthodes inductives et déductives

III-3-1-Diagnostic par les méthodes internes :

Le diagnostic de défaillances par des méthodes internes requiert un modèle du système à

surveiller, et s'il n'y en pas, on élaborer un qui convienne (fiable et suffisamment précis). Ce

modèle peut varier selon les objectifs. Il peut être plus ou moins agrégé, représentatif d'un

modèle de bon fonctionnement ou de fonctionnement caractéristique d’une ou plusieurs

défaillances. Habituellement un modèle est une description formelle (Mathématique) du

système à surveiller. Mathématiquement on peut avoir plusieurs modèles du même système

comme en automatique par exemple, peuvent être à temps continu ou discret, descriptibles au

moyen d'équations différentielles ou d'équations aux différences. Un modèle peut aussi être

très difficile à obtenir, de plus, il peut être plus ou moins approximatif [44-46].

Ces méthodes de diagnostic internes reposent sur la comparaison de mesures réelles sur le

système à surveiller et des informations que fournit le modèle. Les écarts caractérisent le

fonctionnement du système:

à un écart nul, correspond un fonctionnement de type normal.

à un écart non nul, correspond un fonctionnement de type défaillant.

Ces méthodes internes se classent en deux grandes catégories ; les méthodes de

redondance analytiques qui utilise les techniques d'estimation d'état et les techniques

d’estimations paramétriques qui ont pour but l'estimation des paramètres du modèle.

Les méthodes internes de diagnostic se distinguent selon le modèle utilisé :

Modèle de simulation: c'est une description de la structure physique et du comportement du

système. Les modèles analytiques utilisés dans ce mode de diagnostic sont représentés par des

équations d'état ou des fonctions de transfert. Les perturbations sont prisent en compte de

manière additive à travers des matrices. Les défauts sont prisent en compte soit de la même

manière soit en modifiant la structure même du modèle.



45

Equation de parité: une relation ou équation qui génère un résidu est appelée relation ou

équation de parité. Les équations de parité primaire peuvent être obtenues à partir des

équations qui décrivent la structure et le comportement du système et les équations de parité

additionnelles sont obtenues par l’intermédiaire de transformations afin d'améliorer la tache

de diagnostic.

Observateur : Un modèle capable d'engendrer une approximation du vecteur d'état est appelé

estimateur d'état ou observateur d'état. Le modèle est décrit sous une représentation de

variables d'état. L'analyse du comportement des estimations des états qui ont un sens physique

permet la réalisation du diagnostic.

Estimation paramétrique : La détection et la localisation des défaillances par estimation

paramétrique, consiste à déterminer les valeurs numériques des paramètres structuraux d'un

modèle de connaissance qui gouverne le comportement dynamique du système. La première

étape est donc, l'élaboration d'un modèle mathématique de complexité raisonnable pour

caractériser la machine en fonctionnement sain et dégradé. Le type de défaut que l'on pourra

détecter dépend du choix du modèle.

En effet, les défauts statoriques ou rotoriques doivent être discriminés au niveau des

paramètres physique estimés, pour qu'on puisse les détecter et les localiser. Le modèle de Park

est souvent utilisé en diagnostic pour l'estimation paramétrique. Les cassures de barres

provoquent une augmentation dans la résistance rotorique apparente [43].

Modélisation des signaux : Dans cette méthode, le contenu spectral, l'évolution temporelle

des variables mesurées sont exploitées pour détecter et localiser les défauts. L'analyse

spectrale plus particulièrement est utilisée depuis de très nombreuses années pour détecter des

défaillances dans les machines électriques. Ces cas se prêtent bien à cette approche dans la

mesure où de nombreux défauts (rupture de barres, dégradations des roulements,….) se

traduisent par l'apparition de fréquences caractéristiques directement liées à la vitesse de la

machine.

III-3-2- Diagnostic par les méthodes externes :

Les méthodes externes de diagnostic supposent qu'aucun modèle n'est disponible pour

décrire les relations de cause à effet. La seule connaissance repose sur l'expertise humaine par

apprentissage. Le module de reconnaissance utilise les observateurs issues du système, des

entrées et des sorties, afin de trouver les relations de cause à effet. Dans ces méthodes de

diagnostic le facteur déterminant est l'algorithme de classification.

III-3-3-Diagnostic par les Méthodes inductives :

Ces méthodes de diagnostic correspondent à une approche montante ou recherche en

avant. Il s'agit de trouver le défaut à partir de ses effets sur le système. Ces méthodes utilisent

un mécanisme de raisonnement en avant qui a pour objectif d'interpréter les symptômes ainsi

que leurs combinaisons afin de trouver le défaut.



46

III-3-4-Diagnostic par les Méthodes déductives :

Le raisonnement en arrière est la principale caractéristique de ces méthodes. Les

méthodes déductives doivent trouver quels sont les effets dans les systèmes. Une vérification

des «effets trouvés par rapport aux effets possibles » permet de confirmer Ou d'infirmer

l'existence du défaut. Ce qui justifie notre raisonnement [47,49].

Le diagnostic peut utiliser soit un seul type de raisonnement (avant ou Arrière) soit une

combinaison de raisonnements (avant et arrière). Dans ce denier cas, le raisonnement est

appelé raisonnement mixte ou avant arrière. La connaissance "à priori" de la cause " défaut "

implique la connaissance de certains effets [49].

III-4- Les technique de l’analyse de signal dans la machine asynchrone :

Beaucoup de méthodes d'analyse du signal ont été proposée pour le diagnostic de défauts,

parmi ces méthodes on trouve la FFT (Fast Fourier Transform), une des méthodes les plus

utilisées et les mieux établies. Malheureusement, les méthodes basées sur la FFT ne sont pas

appropriées à l'analyse des signaux non-stationnaires et ne peuvent pas indiquer l'information

inhérente dans ces signaux. Habituellement, les composants non stationnaires contiennent des

informations abondantes sur les défauts de la machine.

L’application consécutive de la FFT, 3D, HT et TG a pour objectif de concilier les

avantages des signatures spectrales, orbitales et temporelles au profit d’une détection et une

lecture fiable des défauts naissants et de leur fusion affectant un système.

En outre, cette panoplie de signatures, a le privilège de préconiser un matériel simple et à

faible coût et peut être exploitée par des opérateurs pas forcément expert en la matière. Les

résultats peuvent contribuer à établir une perspective d’approche automatique par l’ajout de

techniques de prise de décision qui serait capable de donner un diagnostic fiable et améliorer

la gestion en maintenance du parc de machines

III-4-1-La transformée de Fourier :

L'analyse de Fourier est une base majeure de la physique et des mathématiques. Elle est

indissociable du traitement du signal, et ce pour deux raisons principales. La première est

l'universalité du concept de fréquence sur lequel elle repose. La seconde tient à la structure

même de l'analyse de Fourier qui se prête aisément à des transformations communes comme

le filtrage linéaire en les traduisant de manière particulièrement simple [50].

Le principe de la transformée de Fourier repose sur le fait que toute fonction périodique

peut être représentée comme la somme d'une série de sinus et de cosinus dont on fait varier

d'une part les amplitudes en les multipliant par des coefficients, et d'autre part les phases en

les décalant de manière à ce qu'elles s'additionnent ou se compensent.

x(f)= (III-1)



47

Cependant, l'analyse de Fourier, de par sa nature, montre assez vite ses limitations:

Son calcul nécessite la connaissance de toute l'histoire temporelle du signal (équation III-1,

transformation de Fourier, équation (III-2) transformation de Fourier inverse) ; de plus, dans

une transformée de Fourier l'information sur le temps est présente (la transformée inverse est

donc possible), mais elle est cachée dans les phases: elle est en pratique impossible à extraire.

On en est donc réduit à étudier un signal soit en fonction du temps soit en fonction des

fréquences qu'il contient sans possibilité de conjuguer les deux analyses.

x(f)= (III-2)

(a)

(b)

Figure III-2 : représentation de la transformée de fourier rapide



48

Malgré l'introduction et les succès de la transformée de Fourier rapide (FFT), est donc par

définition peu adaptée à l'étude des signaux non-stationnaires. Hors, ces signaux se

rencontrent beaucoup plus souvent que les signaux stationnaires.

III-4-2-Méthode de représentation tridimensionnelle des courants

statoriques (3D) :

Cette détection basée sur l’analyse des trois courants (Ia, Ib, Ic). La plupart des méthodes

employées pour identifier et classifier les défauts du moteur asynchrone défectueux sont

basées sur l'analyse des courants statoriques. L'approche proposée emploie également

l'analyse des courants statoriques, Cependant, dans cette méthodologie le problème est

converti dans une analyse de reconnaissance des structures. Avec les conditions idéales pour

le moteur asynchrone et une alimentation non équilibrée de tensions, les courants statoriques

sont donnés par l’équation (III-3) [50]

Ia = Im sin (ωt-φ)

Ib = Im sin (ωt

-φ) (III-3)

Ib = Im sin (ωt

- φ)

Ia, Ib, et Ic : les courants statoriques des trois phases;

Im : la Valeur maximale du courant;

ω: Pulsation;

φ: Angle de la phase;

t : temps.

Dans l'approche proposée les courants sont identifiés en tant que modèles typiques pour

chaque mode défectueux. Ceci est accompli en l’analysant dans un espace à trois dimensions.

Pour un moteur sain, le modèle correspondant du courant est un cercle centré à l'origine

des coordonnées (Figure III-3-a), (R) dénote son rayon (équation III-4).

R2 = Ia

2+Ib

2+Ic

2 (III-4)

(a) machine saine (b) machine avec rupture de barre

Figure III-3 : représentation 3D de deux états sain et avec défaut d’une machine

électrique asynchrone



49

Pour un moteur asynchrone fonctionnant en mode défectueux, le modèle précédent n'est

plus valide. Ainsi, avec un certain rotor présentant des barres cassées ou des fissurations

de l’anneau, le modèle représentant les courants n'est plus un cercle mais plutôt une couronne

ayant deux rayons: λ max et λ min et une épaisseur au niveau de la circonférence du cercle qui

peut servir comme indice du l degré de gravité du défaut (nombre de barres), correspond à la

largeur (section) de cet épaisseur comme l’équation (III-5) c.à.d. la différence entre ces deux

rayons, comme est présenté dans la Figure III-3.

Srt

(III-5)

III-4-3-Transformée de HILBERT (HT) :

La transformation de Hilbert est l'un des opérateurs les plus importants dans le domaine de

théorie du signal. Étant donné une fonction u (t), sa transformée de Hilbert, désignée par

H (u (t)), est calculé à travers l'intégrale

III-6

La transformée de Hilbert est nommée d’après David Hilbert (1862-1943).Sa première

utilisation remonte à 1905 dans le travail de HILBERT concernant les fonctions analytiques

au problème de Riemann. En 1928, il a été prouvé par Marcel Reisz (1886-1969), que la

transformée de Hilbert est un operateur linéaire borne sur Lp(R) pour 1<p<1.

Ce résultat a été généralisé pour la transformée de Hilbert en plusieurs dimensions (et

operateurs intégraux singuliers en général) par Antoni Zybmund (1900-1992) et Alberto

Calderon (1920-1998).Principalement, l’importance de la transformation est due à sa

propriété d’étendre réelle fonctions en fonctions analytiques. Cette propriété induit

certainement un grand nombre des applications, en particulier dans la théorie du signal, et

évidemment la transformée de Hilbert n’est pas simplement intéressant pour les

mathématiciens.

Ce mémoire s’articule autour d’un objectif d’acquérir plus de connaissances sur la

transformée de Hilbert et certains de ses applications au traitement de signal..



50

Figure III-4 : signal d’une machine tournante

Figure III-5 : spectre obtenu en utilisant la HT



51

III-4-4-Transformée de Fourier à court terme (STFT)) :

La transformée de Fourier à court terme (Fig.III-4) offre des cartes d'un signal à deux

dimensions (temps - fréquence).

La transformée de Fourier à court terme (TFCT ou STFC en anglais), connue également

par la TF à fenêtre glissante est un développement qui étend la technique de la TF standard

pour gérer des données non-stationnaires .L'idée est d'analyser le signal fenêtre par fenêtre. La

TF de chaque portion de signal fenêtrée est calculée comme suit:

III-7

Où

x(t) représente le signal temporel échantillonné

w (t) est la fenêtre temporelle de largeur T et centrée en τ qui permet d'extraire une portion de signal, w* dénote le complexe conjugué de w

III-8

Figure III-6 : principe de la STFT



52

Le Spectrogramme de la TFCT peut être exploité comme un outil pour l’analyse temps-

fréquentielle du signal courant transitoire à des fins de diagnostic et de détection de défauts

mécaniques affectant un système d’entraînement électromécanique Moteur à induction-

réducteur.


III-4-5-Signatures du Spectrogramme de La Transformée de Gabor (TG) :

Tout comme la TF, la transformée de Gabor(TG) d'un signal contient toutes les

informations portées par le signal. Le spectrogramme de Gabor est utilisé pour estimer la

teneur en fréquence d'un signal. Il représente comme indiquée sur l’équation (III-9) un signal

du domaine de temps, s(t), avec la combinaison linéaire de fonctions élémentaires [51]:

III-9

L'idée du spectrogramme de la transformée de Gabor est simple et peut être une bonne

alternative au spectrogramme de la TFCT. Elle dispose d’une meilleure résolution temps-

fréquence (RTF) pour le diagnostic et la détection prédictive des défauts.



53


III-5-Conclusion :

Dans ce chapitre nous avons adopté la technique de la MCSA (analyse des courants

statoriques), en illustrant les outils mathématiques qui permettent de modéliser les systèmes,

les causes et les symptômes de défaillance, pour faciliter les démarches inductives et

déductives, qui relèvent du domaine des méthodes de diagnostic interne et les méthodes

capables de reproduire sous forme informatique, les modes de raisonnement de l'homme.

Par suite nous avons exposé les technique de l’analyse de signal dans la machine

asynchrone Les approches du signal courant sont très utilisée actuellement en diagnostic.

Ces approches comme pour l’analyse vibratoire reposent sur la connaissance des signaux

du comportement du système sain, auxquels seront comparés les signaux mesurés pendant les

situations en défaillance.les méthodes traditionnelles et avancées d'analyse des signaux à des

fins de diagnostic en régime transitoire et en régime permanent sont l'analyse spectrale, la

transformée de Fourier à court terme TFCT ou STFC (short Time Fourier Transformer), de

Gabor ainsi que la transformée de fourrier rapide FFT ,et la transformée d’HILBERT (HT)

Ces outils de détection et de localisation trouveront leur application et seront validés sur la

génératrice Leroy somer dans la partie analytique du dernier chapitre.

CHAPITRE IV : APPLICATION DE LA (MCSA) SUR UNE

GENERATRICE ASYNCHRONE A CAGE

54

IV-1-Introduction:

Dans ce chapitre nous utilisons la technique de surveillance dite MCSA pour diagnostiquer

une génératrice asynchrone à cage d’écureuil en captant le signal des trois courants

phasiques via un analyseur de courant (fluke i30) lié à un oscilloscope et que les données

soient transférées vers un PC pour le traitement des ces signaux.

Nous allons créer un défaut mécanique combiné (balourd statique et un désalignement

angulaire) ; et de comparer les deux signatures spectrales (moteur sain et moteur défaillant)

en se basant sur les calculs expérimentales des différentes fréquences appropriées.

Nous utilisons comme outil informatique le Matlab simulink 2017 et d’essayer

d’appliquer les méthodes décrites dans le chapitre III.

IV-2-Historique de l’Etablissement National de la Navigation Aérienne

(ENNA) [63]

Depuis l’indépendance, cinq organismes ont été chargé de la gestion de l’exploitation et du

développement de la navigation aérienne en Algérie : OGSA, ONAM, ENEMA, ENNA.

De 1962 à 1968 c’est l’Organisation de Gestion st de Sécurité Aéronautique (OGSA) ;

organisme algéro-français, qui a géré l’ensemble des services d’exploitation de l’aviation

civile en Algérie.

Le 1er

Janvier 1968, l’OGSA a été remplace par l’Office de la Navigation Aérienne et de

météorologie (ONAM).Ce dernier a été remplacé, en 1969, par l’établissement national pour

l’Exploitation Météorologique et Aéronautique (ENEMA) qui a géré la navigation aérienne

jusqu’à 1983.

En 1975, les activités de météorologie ont été transférées à l’office créé le 29 Avril 1975,

sous forme d’Etablissement public à caractère administratif.

Le décret N° 83.311 du 07/05/1983 a réaménagé les structures de l’ENEMA et modifié sa

dénomination pour devenir ENESA « Entreprise nationale d’Exploitation et de Sécurité

Aéronautique » avec statut d’entreprise nationale à caractère économique.

Afin de clarifier les attributions de l’ENESA, il a été procédé aux réaménagements de ses

statuts ainsi qu’au changement de dénomination en « ENNA » par décret exécutif N°91-149

du 18 mai 1991.



55

L’ENNA : Etablissement Public à caractère Industriel et commercial (EPIC), sous

tutelle du Ministère des travaux publics et des transports, est dirigé par un

directeur général et administré par un Conseil d’Administration.

Figure IV-1-a : vue panoramique de l’établissement national de la navigation aérienne

ENNA.

Figure IV-1-b: logo de l’Etablissement National de la Navigation Aérienne ENNA.



56

IV-3-la mise en œuvre de la MCSA :

IV-3-1-Génératrice à surveiller :

Le bien à surveiller est une génératrice asynchrone à cage d’écureuil (voir Figure IV-2-a)

d’une marque reconnue mondialement «LEROY SOMER» installée dans la centrale du

service Energie (ENNA) est accouplée avec un moteur diesel de marque «VOLVO»

l’ensemble nous donne un groupe électrogène ; ses caractéristiques sont illustrés dans sa

plaque signalétique (voir Figure IV-2-b).

Figure IV -2-a : génératrice Leroy somer

Figure IV -2-b : plaque signalétique de la génératrice



57

IV-3-2-Déroulement des événements :

La campagne d’essai s’est déroulée comme suit: (voir Fig. IV-3)

En première étape, c’est de prélever les intensités des trois phases (ia, ib et ic) et

d’avoir des résultats dites d’un moteur sain et de les traiter (avoir une signature de

référence).

En deuxième étape, la fixation d’une masselotte sur le disque d’accouplement et de

ventilation de la génératrice pour créer un balourd statique (sur un seul plan)

(Voir Fig. IV-4-a).

Comme troisième étape, la création d’un désalignement angulaire en mettant une

plaque mince (2mm) sur une des deux pattes (silent bloc) de fixation de la génératrice.

(Voir Fig. IV-4-a-b)

La quatrième étape consiste à procéder au mesurage des courants en présence d’un

défaut combiné balourd et de désalignement.

A noter qu’à chaque essai, les courants de phases sont mesurés depuis l’instant de

démarrage du moteur jusqu’à son état stationnaire.

Après l’acquisition des données des trois courants via un oscilloscope ; nous traitons

les informations recueillis sur un support informatique (logiciel) MATLAB

SIMULINK 2017 en appliquant les méthodes dites de traitement de signal pour avoir

une image lisible et exploitable (spectres, spectrogramme et représentation 3D) du

défaut

Figure IV -3 : déroulement des événements de la MCSA



58

Figure IV -4-a : accouplement (ventilateur) génératrice/moteur diesel

Figure IV -4-b : patte de droite et fixation (silent bloc)



59

Figure IV -4-c : patte de gauche et fixation (silent bloc)



60

IV-4-Phase de calcul théorique:

Le calcul des fréquences appropriées au défaut crée :

fréquence du réseau électrique « SONELGAZ » dite fondamentale ;

fs = 50HZ.

fréquence de rotation fr =

=

;

fr = 17 HZ.

D’où :

N : la vitesse de rotation de la génératrice ;

N=1020 tr/min.

fréquences d’apparition d’un défaut de balourd au voisinage de la fréquence

fondamentale ; donc : fba= fs ± fr ;

fba= 50 ± 17 [HZ].

fréquences d’apparition d’un défaut de désalignement au voisinage de la fréquence

fondamentale ; donc : fde= fs ±2 fr ;

fde= 50 ± 34 [HZ].



61

IV-5-Résultats Expérimentaux et Interprétations :

IV-5-1- Signaux temporels avec et sans défaut :

Dans les deux Figures (IV-5-a) et (IV-5-b) montrent respectivement la caractéristique

temporelle du courant statorique, ou nous remarquons une modification très importante

survient sur la variation temporelle.

Figure IV-5-a : Signal pris de la génératrice à l’état sain

Figure IV-5-a : Signal pris de la génératrice avec défaut combiné (balourd /désalignement)



62

IV-5-2- Traitement de signal et analyse :

Dans ce qui suit nous allons étudier le signal recueilli des deux états (sain et avec défaut)

de notre génératrice en appliquant les outils et les méthodes de traitement de signal via

« MATLAB SIMULINK 2017 ».

IV-5-2-1Méthode N° 1 : Transformée de Fourier Rapide (FFT)

Spectres respectifs de l’état sain et l’état défaillant :

Figure IV-6-a : spectre de la génératrice saine (fft)



63

Figure IV-6-b : spectre de la génératrice en présence de défaut combiné (fft)



64

Figure IV-6-c : spectres superposés des deux états (sain/défaillant) de la génératrice (fft)

Interprétation :



65

Nous constatons une différence flagrante entre les spectres du courant pour génératrice

saine (Fig. IV-6-a) et celui de défaut combiné (Fig. IV-6-a). Hors la fréquence fondamentale

conformément à la théorie a toujours une amplitude élevée dans les deux spectres, en

comparant les deux spectres (Fig. IV-6-c) on constate que les fréquences marqueuses de

défaut de balourd (33,2Hz et 66,64 Hz) et de désalignement (17,58Hz et 83.98 Hz)

apparaissent clairement d’une amplitude plus élevée par rapport à l’état sain. On peut donc

conclure que la méthode suivi (fft) peu nous servir de support plus fiable en termes de

diagnostic. ; Elle S’avère judicieuse pour témoigner et identifier la nature du défaut.



66

IV-5-2-2-Transformée de Hilbert (HT) :

Les spectres respectifs : sains- avec défaut - spectres superposés

Figure IV-7-a : spectre de la génératrice saine (HT)



67

Figure IV-7-b : spectre de la génératrice en présence de défaut combiné (HT)



68

Figure IV-7-c : spectres superposés des deux états (sain/défaillant) de la (HT)



69

Interprétation :

Cette méthode a pour but de confirmer la fiabilité des résultats obtenus par

la fft. Nous constatons une différence flagrante entre les spectres du courant pour génératrice

saine (Fig. IV-7-a) et celui de défaut combiné (Fig. IV-7-a). Hors la fréquence fondamentale

conformément à la théorie a toujours une amplitude élevée dans les deux spectres, en

comparant les deux spectres (Fig. IV-6-c) on constate que les fréquences marqueuses de

défaut de désalignement (17,58Hz et 83.98 Hz) et de balourd (33,2Hz et 66,64 Hz) et

apparaissent clairement d’une amplitude plus élevée par rapport à l’état sain. On peut donc

conclure que la méthode suivi (HT) pour un diagnostic complémentaire de la fft.



70

IV-5-2-3Représentation en 3D des trois courants :

Figure IV-8-a : représentation en 3D de la génératrice saine

Figure IV-8-b : représentation en 3D de la génératrice avec défaut combiné




71

Interprétation :

On voit clairement dans l’état sain (Fig. IV-8-a) les trois courants ont une représentation

3D de forme ovale ; en comparant cette dernière avec celle obtenue avec un défaut combiné

(balourd/désalignement), on voit clairement la déformation en passant d’une forme connue

homogène à une forme hétérogène non reconnue en terme de forme. Il faut remarquer que

l’augmentation de la section est un paramètre indicateur de la gravité de la défaillance.



72

IV-5-2-4- Spectrogramme en utilisant la STFT :

Figure IV-8-a: représentation (temps/fréquence) de la génératrice saine

Figure IV-9-b : représentation (temps/fréquence) de la génératrice avec un défaut combiné




73

Interprétation :

On comparant les deux spectrogrammes 2D ; on peut voir clairement l’aire

coloré en orange dégradé vers le jaune autour de la fréquence fondamentale

(fs=5Hz) prend de l’ampleur dans le cas de défaut combiné (Fig. IV-9-b) de

celle de l’état sain ((Fig. IV-9-a) donc on peut dire que cette représentation peut

nous servir comme outil de dépistage.



74

IV-5-2-5-Spectrogramme TG :

Figure IV-10-Spectrogramme 3D d’une génératrice saine

Figure IV-10-Spectrogramme 3D d’une génératrice avec un défaut combiné




75

Interprétation :

En comparant les deux spectrogrammes 3D ,on remarque une différence entre

l’état sain et défaillant ; on voit clairement que la gaborette représentative de la

fondamentale est la seule qui a de l’ampleur par rapport aux autres gaborettes

dans la plage de fréquence [45Hz -55Hz] ; par contre à l’état défaillant on

visualise que la gaborette fondamentale s’est élargie dans la plage de fréquence

[15Hz -90Hz] qui confirme l’existence d’un état anormal c’est celui d’un défaut

combiné (balourd/désalignement).

Suite à cette interprétation on peut utiliser cette méthode pour effectuer un

prés-diagnostic.

CONCLUSION GENERALE

76

Conclusion générale :

De nos jours, la surveillance, le diagnostic industriel et la détection rapide et prématurée

des dégradations des machines asynchrones sont devenus indispensable et incontournable

pour leur sûreté de fonctionnement, d’autant plus que ces dernières, qu’elles soient en régime

moteur ou générateur, sont très répandues dans les applications industrielles et en particulier

lorsqu’elles sont associées aux convertisseurs de puissance.

Ainsi, la maintenance et la surveillance des machines asynchrones deviennent nécessaires

afin de rentabiliser les installations industrielles et contribuer à obtenir un meilleur gain de

productivité. Pour cela il s’avère important de développer des outils de diagnostic prédictif

des défauts de la machine Pour aborder l'étude, nous avons établi une constitution de la

machine asynchrone en citant les défauts qui peuvent intervenir dans cette dernière.

Dans ce travail, nous avons ciblé deux défauts d’origine mécanique (balourd statique et

désalignement angulaire) créés volontairement sur une génératrice asynchrone à cage, en

appliquant la technique dite technique de l’analyse des courants statorique (MCSA) dans le

cadre de la maintenance préventive conditionnelle (MPC).

Les approches de la transformé de Fourier FFT, de la transformée de Hilbert HT, de la

représentation en 3D des courant statoriques phasiques, et le spectrogramme (2D et 3D) ; ces

techniques sont simples à mettre en œuvre et leurs résultats sont facilement interprétables.

Par conséquent, elles permettent de réaliser un diagnostic approfondi et sont à la portée d’une

population de mainteniciens d’un niveau technique moyen.

BIBLIOGRAPHIE

77

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