Brevet FR2683049A1 — publié le 19930430

PROCEDE DE DETECTION DE DEFAUTS DANS UNE MACHINE ELECTRIOUE TOURNANTE La présente invention concerne un procédé de détection de défauts, et en particulier de défauts préjudiciables, apparaissant au cours du fonctionnement d'une machine électrique tournante, comme par exemple une machine à rotor bobiné, une machine à cage d'écureuil, ou toute autre machine électrique tournante. Lors de leur fonctionnement, les machines tournantes en général sont soumises à de nombreuses contraintes qui peuvent entraîner à plus ou moins long terme des pannes importantes. Des statistiques ont montré notamment que, pour des machines à cage d'écureuil (dans lesquelles le rotor est constitué de deux anneaux métalliques parallèles entre eux et liés l'un à l'autre au moyen de barres métalliques parallèles soudées ou coulées à leurs deux extrémités aux anneaux), dont la puissance est supérieure à 75 kW, 10% des pannes proviennent d'un défaut au niveau du rotor, et que 50% de ces dernières sont dues à des ruptures de barres ou d'anneaux provoquées par un défaut de soudure entre barre et anneau ou par une ouverture d'anneau. Ces ruptures peuvent conduire à la destruction de la machine. En effet, elles génèrent des contraintes vibratoires sur l'ensemble des pièces de la machine qui entraînent la destruction des paliers de maintien de l'axe du rotor et parfois celle du bobinage statorique par contact entre le rotor et le stator. Lorsque ces ruptures ne sont pas détectées à llavance, elles peuvent être la cause de pertes d'exploitation importantes, car la machine s'arrête en cours d'exploitation et aucune autre machine n'est prévue pour la remplacer immédiatement. C'est le cas également lorsque des défauts de rupture de soudure ou de connexions dans les bobinages d'une machine tournante quelconque ne sont pas détectés suffisamment à l'avance. C'est pourquoi de tels défauts sont dits préjudiciables ; on cherche donc à les détecter sur les machines tournantes en cours de fonctionnement. On connaît actuellement plusieurs procédés de détection de défauts sur les machines tournantes. Un premier procédé connu consiste à analyser le comportement vibratoire de la machine par rapport à un état de référence correspondant à une machine neuve ou en bon état. Par cette méthode, une rupture de soudure par exemple provoque une très faible variation (de l'ordre de 0,1 à 1%) sur certaines des raies du spectre en fréquences. Cette réponse est donc faible et ne permet pas en pratique de déterminer avec certitude l'origine du signal. Un second procédé connu consiste en une analyse harmonique des courants présents au niveau du stator, ou courants statoriques. Dans une machine à cage d'écureuil, lorsque les barres sont en bon état, elles sont toutes traversées par un courant d'intensité efficace identique. La rupture d'une barre provoque une augmentation de l'intensité du courant traversant les barres immédiatement voisines. Ce déséquilibre dans les courants rotoriques est à l'origine de deux champs magnétiques perturbateurs tournant à +gf (où g est le glissement et f la fréquence fondamentale de la machine, ctest-à-dire la fréquence du réseau d'alimentation, soit par exemple 50 Hz) et à -gf par rapport au rotor, et donc à (l-g)f+gf et à (1-g)f-gf par rapport au stator. Ces champs perturbateurs induisent des courants statoriques parasites. L'analyse harmonique des courants statoriques aux fréquences f(1+2g) et f(1-2g) permet alors de déceler une rupture de barre. Cependant, de nombreux défauts intrinsèques au rotor créent des harmoniques au voisinage du fondamental du même ordre de grandeur que celles dues à la rupture d'une seule barre. Certains de ces défauts intrinsèques apparaissent également progressivement en cours de fonctionnement, mais ne mettent pas en danger l'exploitation et la machine elle-même ; ces défauts ne sont donc pas préjudiciables, et gênent le procédé de détection des défauts plus graves. Ainsi, ce second procédé ne permet de déceler de manière sûre que la rupture de plusieurs barres. Or il est en pratique important de détecter l'amorce de rupture de la première barre, car au moment de la détection de la rupture de plusieurs barres, il n'est plus possible d'intervenir afin de programmer un arrêt de la machine et d'éviter une dégradation trop importante de cette dernière. Ce second procédé n'est donc pas satisfaisant. Le but de la présente invention est donc de réaliser un procédé de détection de défauts, et en particulier de défauts préjudiciables, apparaissant au cours du fonctionnement d'une machine tournante, qui permet de détecter notamment une amorce de défaut afin de prévoir et de programmer un arrêt éventuel de la machine. La présente invention propose à cet effet un procédé de détection de défauts apparaissant au cours du fonctionnement d'une machine tournante comprenant un rotor et un stator, caractérisé en ce qu'il consiste à analyser l'évolution du couple électromagnétique instantané au cours du temps. Plus précisément, le procédé selon l'invention comprend les opérations suivantes - une première opération de mesure, à charge de la machine donnée, de la valeur, dite valeur de référence, du couple électromagnétique instantané de la machine à l'état neuf, - une deuxième opération de mesure, à charge de la machine équivalente à la charge donnée, de la valeur, dite valeur courante, du couple électromagnétique instantané de la machine en cours de fonctionnement, - une troisième opération d'analyse harmonique des valeurs de référence et courante pour obtenir respectivement des spectres de raies de référence et courant, - une quatrième opération de comparaison du spectre courant au spectre de référence, - une cinquième opération de programmation d'un arrêt de la machine si un défaut préjudiciable apparu lors du fonctionnement a été détecté. Grâce à cette analyse, il est possible de détecter, dans une machine à cage d'écureuil par exemple, une amorce de rupture de la première barre ou d'un anneau, et donc de programmer un arrêt de la machine en conséquence. Ceci permet d'éviter une détérioration irrémédiable de la machine et de limiter les pertes d'exploitation. A la différence des méthodes connues, qui procèdent à l'étude de grandeurs mécaniques ou de courants statoriques, le procédé selon l'invention permet d'effectuer l'analyse d'une grandeur qui traduit directement, à la vitesse de synchronisme près, qui est une constante, la puissance transmise au rotor par le stator. Ainsi, l'étude du couple électromagnétique instantané fournit des informations moins atténuées que celles fournies par les procédés de l'art antérieur, et permettant donc de déceler et de discriminer plus facilement et plus sûrement que dans les procédés de l'art antérieur une amorce de défaut dans la machine tournante. En effet, l'analyse du comportement vibratoire fournit des informations indirectes concernant l'état du rotor, et donc fortement atténuées, car elles proviennent des effets d'un défaut rotorique sur les vibrations des paliers de maintien de l'axe du rotor ; de même, l'analyse des courants statoriques permet d'avoir accès aux informations nécessaires par l'intermédiaire du stator, et donc également de manière atténuée. Avantageusement, la quatrième opération comprend une comparaison des spectres de référence et courant aux fréquences supérieures à celles d'une bande de fréquences entourant la fréquence fondamentale de la machine, afin de déceler la présence d'un défaut préjudiciable éventuel apparu en cours de fonctionnement. Grâce à cette comparaison, il est possible de déceler immédiatement les défauts préjudiciables apparus en cours de fonctionnement. En effet, les défauts non préjudiciables apparus en cours de fonctionnement créent des raies aux fréquences supérieures à celles de la bande précédente qui sont négligeables devant les raies engendrées à ces mêmes fréquences par les défauts préjudiciables. Selon un perfectionnement du procédé selon l'invention, la quatrième opération peut comprendre en outre une opération de comparaison des spectres de référence et courant sur une bande de fréquences entourant la fréquence fondamentale de la machine. I1 est ainsi possible, grâce au procédé selon l'invention, de détecter d'autres défauts que les défauts préjudiciables. Si les spectres courant et de référence sont identiques aux fréquences supérieures à celles entourant le fondamental, et s'ils diffèrent autour du fondamental, on peut conclure à la présence de défauts non préjudiciables. Le suivi des spectres courant et de référence au cours du temps permet alors de constater l'évolution des défauts non préjudiciables. La bande de fréquences entourant le fondamental peut avoir une largeur de 300 Hz. Ceci permet d'observer toutes les raies situées au voisinage du fondamental, notamment lorsque ce dernier se trouve à 50 Hz. Le procédé selon l'invention est destiné par exemple à détecter des amorces de rupture d'anneaux ou de barres dans une machine tournante à cage d'écureuil. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description suivante du procédé selon l'invention, donnée à titre illustratif et nullement limitatif. Les figures lA, lB, 2A, 2B, 3A et 3B montrent des courbes illustrant les résultats obtenus lors des différentes étapes du procédé selon l'invention. On va maintenant décrire plus en détail les opérations successives du procédé selon l'invention qui consiste - dans une première opération, à mesurer la valeur instantanée du couple électromagnétique sur une machine neuve ou en bon état ; cette valeur sera appelée dans la suite valeur de référence, - dans une deuxième opération, à mesurer la valeur instantanée du couple électromagnétique sur la même machine à partir de sa mise en route et en cours de fonctionnement cette mesure doit être effectuée à charge de la machine équivalente à celle de la mesure effectuée au cours de la première opération. La valeur obtenue sera appelée dans la suite valeur courante, - dans une troisième opération, à effectuer une analyse fréquencielle des valeurs de référence et courante précédentes. On effectue pour cela une transformée de Fourier des valeurs obtenues aux deux opérations précédentes sous forme de fonctions temporelles, afin d'obtenir deux spectres fréquenciels : un spectre de référence et un spectre courant ; le spectre de référence, correspondant à une charge donnée de la machine, peut par exemple faire partie des caractéristiques d'une machine tournante neuve (ou réparée) fournies à l'utilisateur par le constructeur (ou le réparateur), - dans une quatrième opération, à comparer les spectres calculés à l'étape précédente afin de détecter la présence de défauts éventuels et de déterminer si certains de ces défauts sont ou non préjudiciables. Plus précisément, la quatrième opération comprend deux phases principales - une première phase d'étude des raies des spectres de référence et courant se trouvant dans une bande de fréquences entourant la fréquence fondamentale ; on peut prendre par exemple une bande de fréquences comprise entre 0 et 300 Hz. En effet, un défaut quel qu'il soit a nécessairement une influence sur le fondamental et les fréquences voisines du fondamental. Une comparaison qualitative suffit à détecter la présence d'un défaut au niveau du rotor : une différence d'amplitude entre les raies du spectre courant et celles du spectre de référence traduit la présence d'un défaut rotorique, - une seconde phase d'étude des raies des spectres de référence et courant aux fréquences supérieures et très supérieures à 300 Hz. En effet, aux très hautes fréquences (typiquement supérieures à 600 Hz environ), les raies du spectre courant dues à des défauts du rotor apparus en cours de fonctionnement de la machine, mais non préjudiciables, sont très négligeables devant celles dues à des défauts rotoriques tels que des amorces de ruptures de barres ou d'anneau, ou de bobinages. Encore une fois, une comparaison qualitative des spectres de référence et courant à ces fréquences permet de détecter une amorce de rupture ou une rupture de barre ou d'anneau, c'est-à-dire un défaut rotorique préjudiciable. Enfin, la dernière opération du procédé selon l'invention consiste, en cas de détection lors de l'opération précédente d'un défaut préjudiciable apparu en cours de fonctionnement, à programmer un arrêt de la machine. Pour mesurer le couple électromagnétique instantané, on mesure à chaque instant le flux dans l'entrefer et l'intensité des courants statoriques, et l'on déduit de ces deux valeurs celle du couple électromagnétique instantané. Pour la mesure des courants statoriques, on utilise un transformateur dit "à flux nul" qui permet de perturber le moins possible le fonctionnement de la machine, en entraînant le moins de pertes d'énergie possible et en assurant la sécurité du personnel et du matériel de mesure. La mesure du flux dans l'entrefer est effectuée au moyen de deux spires installées dans le stator. Bien entendu, tout autre mode de mesure peut être utilisé sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Les figures lA, lB, 2A, 2B, 3A et 3B représentent des courbes illustrant les fonctions obtenues aux différentes étapes du procédé selon l'invention pour une machine à cage d'écureuil neuve et pour une machine à cage d'écureuil ayant un anneau cassé. Dans les figures 1A et lB, les courbes 1 et 1' représentent en fonction du temps t et à charge équivalente de la machine, la valeur instantanée C du couple électromagnétique respectivement pour la machine en bon état et pour la machine dont le rotor a un anneau cassé. La fonction représentée par la courbe 1 est donc le résultat de la mesure de la première opération, et la fonction représentée par la courbe 1' celui de la mesure de la deuxième opération. Dans les figures 2A et 2B, les courbes 2 et 2' représentent respectivement en fonction de la fréquence (0Nes spectres de référence et courant du couple électromagnétique. En ordonnée, on a pris comme référence l'amplitude du fondamental de la machine en la posant égale à un dans le spectre de référence. Dans les figures 3A et 3B, les courbes 3 et 3' représentent respectivement en fonction de la fréquence v les spectres de référence et courant du couple électromagnétique avec une échelle verticale très agrandie par rapport à celle des figures 2A et 2B. Une comparaison qualitative des courbes des figures 2A et 2B montre l'existence d'un défaut rotorique. On observe notamment que les raies situées à 50 et à 200 Hz ont été respectivement divisée et multipliée par deux entre le spectre de référence et le spectre courant. Une comparaison qualitative des courbes des figures 3A et 3B montre l'existence d'un anneau cassé : on observe que les raies situées à 700 et 800 Hz ont augmenté de manière significative dans le spectre courant par rapport au spectre de référence. Si l'on désire uniquement déceler l'apparition de défauts préjudiciables, la comparaison qualitative des courbes des figures 3A et 3B au cours du temps suffit. En revanche, si l'on souhaite également suivre l'évolution au cours du temps des défauts intrinsèques et non préjudiciables, on peut effectuer une comparaison qualitative des courbes des figures 2A et 2B au cours du temps. Alors qu'avec le procédé d'analyse des courants statoriques de l'art antérieur, la présence de plusieurs barres cassées provoquait une variation d'amplitude d'environ 3% sur les raies proches du fondamental, il suffit d'un seul anneau cassé pour provoquer une variation d'amplitude d'environ 60% sur les raies voisines du fondamental. Grâce au procédé selon l'invention, il est donc plus facile et plus sûr de déceler la rupture d'un anneau ; il en est de même pour la rupture d'une première barre ou pour celle d'une connexion ou d'un bobinage dans une machine tournante quelconque. De même, une amorce de rupture quelle qu'elle soit, qui n'est pas détectable au moyen des procédés de l'art antérieur car elle provoque une très faible variation d'amplitude des raies concernées, devient détectable au moyen du procédé selon l'invention du fait de la multiplication de l'amplitude des raies concernées par un facteur 20 environ permettant cette détection grâce à l'étude du couple électromagnétique instantané. REVENDICATIONS 1/ Procédé de détection de défauts apparaissant au cours du fonctionnement d'une machine électrique tournante comprenant un rotor et un stator caractérisé en ce qu'il consiste à analyser l'évolution du couple électromagnétique instantané au cours du temps. 2/ Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - une première opération de mesure, à charge de ladite machine donnée, de la valeur, dite valeur de référence, du couple électromagnétique instantané de ladite machine à ltétat neuf, - une deuxième opération de mesure, à charge de ladite machine équivalente à ladite charge donnée, de la valeur, dite valeur courante, du couple électromagnétique instantané de ladite machine en cours de fonctionnement, - une troisième opération d'analyse harmonique desdites valeurs de référence et courante pour obtenir respectivement des spectres de raies de référence et courant, - une quatrième opération de comparaison dudit spectre courant audit spectre de référence, - une cinquième opération de programmation d'un arrêt de ladite machine si un défaut préjudiciable apparu lors dudit fonctionnement a été détecté. 3/ Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite quatrième opération comprend une comparaison desdits spectres de référence et courant aux fréquences supérieures à celles d'une bande de fréquences entourant la fréquence fondamentale de ladite machine, afin de déceler la présence dtun éventuel défaut préjudiciable apparu en cours de fonctionnement. 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ladite quatrième opération comprend en outre une comparaison desdits spectres de référence et courant sur une bande de fréquences entourant la fréquence fondamentale de ladite machine. 5/ Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que ladite bande de fréquences a une largeur de 300 Hz. 6/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il est destiné à détecter des amorces de rupture d'anneaux ou de barres dans une machine tournante à cage d'écureuil.