Brevet FR3056301A1 — publié le 20180323

SYSTÈME ET PROCÉDÉ DE DÉTECTION D'UNE DÉCHARGE ÉLECTRIQUE DANS UN DISPOSITIF ÉLECTRIQUE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé et un système de détection d'une décharge électrique dans un dispositif électrique embarqué et en particulier, pour la détection de défauts ou prémices de panne dans le dispositif électrique. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Actuellement, il existe une émergence accélérée d'utilisation de dispositifs électriques embarqués de fortes puissances électriques dans des véhicules et moyens de transports et en particulier dans des aéronefs. En effet, les dispositifs électriques embarqués permettent de réduire l'empreinte écologique et la consommation de carburant de ces moyens de transports. En outre, les dispositifs électriques embarqués sont souvent dimensionnés de façon particulière pour qu'ils soient optimisés en termes de ratio puissance/poids afin de respecter des objectifs de masse très sévères. Pour atteindre des ratios optimaux, les dispositifs électriques embarqués ont la particularité d'avoir des vitesses de rotation élevées supérieures à 10000 tr/min pour les machines électriques et d'être alimentés par des tensions modulées ou alternatives supérieures à plusieurs centaines de volts. Les contraintes élevées en vitesse et en tension accroissent le vieillissement des isolants des conducteurs électriques à l'intérieur des dispositifs électriques embarqués. Plus particulièrement, ces dispositifs, étant généralement pilotés en amont par des convertisseurs de puissance, sont soumis à de forts gradients en tension avec des fréquences d'occurrences très élevées pouvant provoquer la création de décharges électriques au sein des dispositifs. Ces décharges électriques présentent un risque de dégradation des isolants. De la même manière, sur des dispositifs électriques intégrant des composants électroniques de puissance, les tensions peuvent atteindre ou dépasser de façon transitoire des seuils limites et risquent à terme de dégrader ou claquer les composants électroniques. 3056301 2 D'une manière générale, un dispositif électrique comporte des moyens de protection conventionnels vis-à-vis de courts-circuits, de surintensités ou d'autres défaillances. Ces moyens de protection permettent d'éviter la dégradation totale du dispositif électrique et sont efficaces quand les défauts sont énergétiques comme les 5 courts-circuits, continus et progressifs comme les surcharges, ponctuels mais avec de fortes variations en courant et en tension, ou répétitifs dans le temps. Or, les moyens conventionnels ne sont pas très efficaces contre les défauts et leurs prémices de natures furtives, non stationnaires, et très peu énergétiques. Toutefois, de par leur caractère difficilement détectable, ces défauts qui 10 appartiennent à la famille des décharges électriques (par exemple, prémices de l'amorçage d'arc électrique, impulsion de trichel, aigrettes, etc.) peuvent endommager les isolants des conducteurs électriques à l'intérieur des dispositifs électriques embarqués. Actuellement, il existe des techniques efficaces de détection de décharges électriques dans un réseau électrique comme par exemple dans la demande de brevet de 15 la demanderesse FR1256146. Cette technique repose sur le couplage de l'analyse des signaux électriques créés par un défaut électrique avec l'analyse de signaux complémentaires de natures différentes créés par le même défaut électrique. Toutefois, il y a une différence entre la détection dans un réseau électrique et celle dans un dispositif électrique. En effet, les trajets parcourus par des signaux électriques ou 20 complémentaires dans un dispositif électrique sont très inférieurs à ceux parcourus à l'intérieur d'un réseau électrique. En outre, le dispositif électrique comporte en général un convertisseur de puissance présentant un fort gradient de tension qui perturbe la mesure de signaux électriques. L'objet de la présente invention est par conséquent de proposer un système et un 25 procédé permettant une détection rapide et avec une grande précision d'une décharge électrique dans un dispositif électrique embarqué. EXPOSÉ DE L'INVENTION 30 La présente invention est définie par un système de détection d'une décharge 3056301 3 électrique dans un dispositif électrique embarqué, comportant: -une chaîne d'acquisition configurée pour acquérir des signaux électrique et acoustique créés par un phénomène de décharge électrique survenu dans un milieu relatif audit dispositif électrique, et 5 -un processeur configuré pour détecter en temps réel ledit phénomène de décharge électrique en appliquant sur lesdits signaux électrique et acoustique une analyse par transformation en ondelettes continues comportant des moments nuls avec un support compact. Ainsi, le système de détection selon l'invention met en oeuvre de manière simple 10 une détection non intrusive et en temps réel de phénomènes de décharges électriques dans le dispositif embarqué. L'analyse par transformation en ondelettes continues à moments nuls est très adaptée pour reconnaître de manière simple et précise la signature d'une décharge électrique dans un espace limité et même si les signaux sont perturbés. Avantageusement, ledit processeur est configuré pour déterminer un retard 15 d'acquisition entre le signal acoustique et le signal électrique permettant de localiser spatialement ledit phénomène de décharge électrique dans ledit milieu du dispositif électrique en fonction dudit retard d'acquisition. Ceci permet une détection fiable et une localisation spatiale assez précise du défaut dans le dispositif embarqué ou son environnement. 20 Avantageusement, ladite chaîne d'acquisition est configurée pour avoir une bande passante supérieure ou égale à 1 MHz. Ceci permet de déterminer le retard d'acquisition entre le signal acoustique et le signal électrique avec une très grande précision même si le retard est très faible. Avantageusement, le processeur est configuré pour réaliser une analyse par 25 transformation en ondelettes continues ayant un nombre maximal de valeurs de décomposition et ayant une décroissance rapide ou une valeur nulle en dehors d'un intervalle d'intérêt des ondelettes. Ceci permet d'avoir une bonne résolution temps-fréquence permettant de différencier davantage entre des signaux normaux non-linéaires et des signaux de 30 décharges électriques même si la distance parcourue par les signaux est très faible. 3056301 4 Avantageusement, ledit processeur est configuré pour enregistrer au préalable des signatures relatives à des signaux normaux pouvant être non linéaires et/ou transitoires. Ceci permet de discriminer un événement de défaut réel par rapport à un 5 événement provoqué par un signal normal enregistré préalablement et ayant une signature très proche de celle d'un défaut. Selon un aspect de la présente invention, la chaîne d'acquisition comporte : - au moins un capteur électrique disposé à des bornes du dispositif électrique et configuré pour détecter des signaux électriques, et 10 - au moins un capteur de vibration disposé au voisinage dudit au moins un capteur électrique et configuré pour détecter des signaux acoustiques. Avantageusement, les capteurs électrique et de vibration sont configurés pour être autoalimentés par une tension existante aux bornes du dispositif. Ainsi, il n'est pas nécessaire d'avoir une alimentation dédiée. On peut, par 15 exemple, utiliser une alimentation par pont capacitif. Selon différents modes de réalisations, le dispositif électrique embarqué est un équipement parmi les équipements suivants : une machine électrique, un dispositif d'amorçage d'une décharge au niveau d'une bougie d'allumage, un actionneur électrique, et un dispositif de stockage d'électricité. 20 L'invention vise aussi un dispositif embarqué dans un aéronef, comportant le système de détection selon les caractéristiques ci-dessus. L'invention vise également un procédé de détection d'une décharge électrique dans un dispositif électrique embarqué, comportant les étapes suivantes: - acquérir des signaux électrique et acoustique créés par un phénomène de 25 décharge électrique survenu dans un milieu relatif audit dispositif électrique (15), et - détecter en temps réel ledit phénomène de décharge électrique en appliquant sur lesdits signaux électrique et acoustique une analyse par transformation en ondelettes continues comportant des moments nuls avec un support compact. 30 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS 3056301 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de modes de réalisation préférentiels de l'invention faits en référence aux figures jointes parmi lesquelles : La Fig. 1 illustre de manière schématique un procédé et un système de détection 5 d'une décharge électrique dans un dispositif électrique embarqué, selon l'invention ; La Fig. 2 illustre de manière schématique un système de détection d'une décharge électrique dans un dispositif électrique embarqué, selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; Les Figs. 3A-3C illustrent le traitement des signaux par le processeur de la Fig. 2 10 selon la technique de transformée en ondelette continue, selon l'invention ; La Fig. 4 est un organigramme illustrant une analyse de l'évolution d'une décharge électrique, selon un mode de réalisation de l'invention ; La Fig. 5 illustre de manière schématique une machine électrique embarquée comportant un système de détection, selon un premier exemple d'application de 15 l'invention ; La Fig. 6 illustre de manière schématique un dispositif d'amorçage embarqué comportant un système de détection, selon un deuxième exemple d'application de l'invention ; Les Figs. 7A et 7B sont des graphiques illustrant des exemples de retard 20 d'acquisition entre les signaux électrique et mécanique, en relation avec la Fig. 6 ; et La Fig. 8 illustre de manière schématique un dispositif de stockage d'électricité embarqué, selon un troisième exemple d'application de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS 25 La Fig. 1 illustre de manière schématique un procédé et un système de détection d'une décharge électrique dans un dispositif électrique embarqué, selon l'invention. Le système 1 de détection comporte une chaîne d'acquisition 3 et une unité de traitement 5 comprenant habituellement une unité d'entrée 7, un processeur 9, des unités de stockage 11, et une unité de sortie 13. En particulier, le processeur 9 peut être utilisé 30 pour exécuter un programme d'ordinateur enregistré dans les unités de stockage 11 et 3056301 6 comportant des instructions de code pour la mise en oeuvre du procédé de détection selon l'invention. La chaîne d'acquisition 3 est configurée pour acquérir de manière non intrusive, un signal électrique S1 et un signal acoustique S2 créés par un phénomène E de décharge 5 électrique survenu dans un milieu relatif au dispositif électrique 15. On notera que les vitesses de propagation des signaux électrique et acoustique sont connues. Plus particulièrement, la chaîne d'acquisition 3 comporte au moins un capteur électrique 17 et au moins un capteur de vibration 19. Le capteur électrique 17 est disposé à des bornes 21 du dispositif électrique 15 et est configuré pour détecter des signaux 10 électriques Si. Le capteur de vibration 19 est également disposé à des bornes 21 du dispositif électrique 15 au voisinage du capteur électrique 17 et est configuré pour détecter des signaux acoustiques. Ainsi, le capteur électrique 17 et le capteur de vibration 19 sont installés en un même endroit géographique du dispositif électrique 15. L'unité de traitement 5 est configurée pour traiter et analyser le signal électrique 15 S1 et le signal acoustique S2 reçus via l'unité d'entrée 7 depuis la chaîne d'acquisition 3. Plus particulièrement, le processeur 9 est configuré pour détecter en temps réel le phénomène E de décharge électrique en appliquant sur les signaux électrique S1 et acoustique S2 une analyse par transformation en ondelettes continues comportant des moments nuls avec un support compact. 20 En effet, de par la proximité entre une éventuelle décharge électrique E au sein du dispositif électrique 15 et les capteurs de détection 17, 19, le retard entre le signal acoustique S2 et le signal électrique S1 sera très faible et nécessite une très bonne résolution temps-fréquence. Ceci est rendu possible par la présente invention, en sélectionnant une ondelette » continue ayant des moments nuls avec un support 25 compact : f tp(odt = o avec j = 0, k pour une ondelette » possédant k + 1 moments nuls. On notera que plus 30 l'ondelette oscille plus elle possède de moments nuls et plus la résolution temps-fréquence 3056301 7 est augmentée. Ceci permet également de détecter un signal électrique avec une grande précision mêmes si ce signal a éventuellement été perturbé par un convertisseur de puissance associé au dispositif électrique 15. En outre, l'analyse par transformation en ondelettes continues permet une 5 localisation spatio-temporelle équilibrée tout en ne privilégiant pas un domaine de fréquence au détriment d'un autre, ceci par souci d'obtenir un équilibre et une grande précision entre la localisation temporelle et la localisation fréquentielle. Le principe de base de cette méthode est le fait de comprimer ou d'étirer les ondelettes continues afin qu'elles s'adaptent automatiquement aux différentes 10 composantes du signal selon une analyse dite de multi-résolution. Cette analyse utilise une fenêtre étroite pour détecter les composantes transitoires de hautes fréquences et une fenêtre large pour détecter les composantes de basses fréquences. Sur la Fig. 2 est représenté un système de détection d'une décharge électrique dans un dispositif électrique embarqué, selon un mode de réalisation préféré de 15 l'invention. Le dispositif électrique 15 embarqué peut par exemple être une machine électrique, un dispositif d'amorçage d'une décharge au niveau d'une bougie d'allumage, un actionneur électrique, ou un pack de batterie. Le dispositif électrique peut être destiné à être embarqué dans un véhicule ou dans un aéronef. 20 Le système 1 de détection est connecté au dispositif électrique 15 embarqué et en particulier, le système 1 de détection peut même être compris dans le dispositif électrique 15 embarqué. Selon un autre mode de réalisation, plusieurs dispositifs électriques embarqués peuvent être connectés à un même système 1 de détection. 25 Par ailleurs, comme dans l'exemple de la Fig. 1, le système 1 de détection comporte une chaîne d'acquisition 3 et une unité de traitement 5. La chaîne d'acquisition 3 comporte des capteurs de détection 17a, 17b, 19 installés sur des bornes 21 du dispositif électrique 15 embarqué. On notera que selon la nature du dispositif électrique 15, les capteurs de détection peuvent être installés sur des bornes 30 d'entrées ou de sorties du dispositif électrique (voir Figs. 4, 5 et 7). 3056301 8 Les capteurs de détection comportent un premier capteur de mesure de courant électrique 17a et/ou un deuxième capteur de mesure de tension électrique 17b ainsi qu'un troisième capteur de mesure de vibration 19 mécanique. Les premier et/ou deuxième capteurs 17a, 17b sont configurés pour détecter des signaux électriques représentatifs d'un 5 phénomène E de décharge électrique par la mesure et l'analyse du courant et/ou de la tension électrique aux bornes 21 du dispositif électrique 15 embarqué. Le troisième capteur 19 peut comprendre des amplificateurs ainsi que des éléments de type microphonique, piézoélectrique, ou accélérométrique et est configuré pour détecter des signaux acoustiques S2 du même phénomène E de décharge électrique afin de pouvoir 10 confirmer sa détection et la localiser. Les signaux acoustiques S2, qui sont de type sonores ou ultrasonores, ont une très bonne propagation dans les conducteurs électriques du dispositif électrique 15 et son environnement. En effet, la création d'un arc électrique est source d'ondes acoustiques qui peuvent avoir des amplitudes très élevées. Un arc électrique ou une décharge étant un 15 phénomène non linéaire à l'amorçage, la brusque variation de puissance provoquera la transmission de bruit d'amplitude sonore très brève et très élevée dans un conducteur électrique. Avantageusement, la chaîne d'acquisition 3 de mesures électriques et acoustiques est configurée pour avoir une bande passante supérieure ou égale à 1 MHz permettant 20 ainsi de mesurer tout retard d'acquisition entre le signal acoustique S2 et le signal électrique (S1a et/ou S1b) avec une très grande précision même si le retard est extrêmement faible. On notera que pour des raisons de synchronismes dans l'analyse, l'acquisition des signaux électriques S1a, S1b et acoustique S2 est faite de préférence avec la même base de 25 temps et donc avec une même fréquence d'échantillonnage. Avantageusement, les capteurs électriques 17a, 17b et de vibration 19 sont configurés pour être autoalimentés par une tension existante aux bornes du dispositif électrique 15. A titre d'exemple, l'alimentation des capteurs de mesure 17a, 17b, 19 peut être réalisée par un pont capacitif relié au dispositif électrique 15. En outre, tous les 30 composants du système 1 de détection peuvent également être autoalimentés par la 3056301 9 tension existante aux bornes du dispositif électrique 15. Par ailleurs, l'unité de traitement 5 comporte un processeur 9, des unités de stockage 11, une unité d'entrée 7 et une unité de sortie 13. L'unité d'entrée 7 est connectée à des convertisseurs analogiques/numériques « CAN » 23, 25 interfaçant les différents 5 capteurs électriques 17a, 17b et de vibration 19. L'unité de sortie 13 est connectée à des périphériques de sortie 27 de type écrans, alarmes, disjoncteurs, et/ou imprimantes. En outre, le capteur de mesure de vibration 19 est avantageusement isolé galvaniquement de l'unité de traitement 5 par des fibres optiques 29, opto-coupleurs, ou transformateurs d'isolement. En effet, la partie mesure de vibration peut avantageusement 10 comporter un étage de transformation (par exemple entre la mesure brute et la mesure traitée) pour garantir une sécurité accrue des personnes et équipements. Les Figs. 3A-3C illustrent le traitement des signaux par le processeur de la Fig. 2 selon la technique de transformée en ondelette continue, selon l'invention. Le processeur 9 est configuré pour continuellement analyser par transformées en 15 ondelettes continues les signaux électriques S1a, S1b et acoustiques S2 détectés dans le dispositif électrique 15 embarqué. Plus particulièrement, le processeur 9 est configuré pour réaliser une analyse par transformation en ondelettes continues comportant des moments nuls avec un support compact augmentant ainsi la résolution temps-fréquence. En outre, les ondelettes comportent un nombre maximal de valeurs de décomposition permettant 20 de différencier avec précision entre des signaux non-linéaires normaux et les signaux de décharges partielles. Par ailleurs, les ondelettes présentent une décroissance rapide ou une valeur nulle en dehors d'un intervalle d'intérêt des ondelettes. La première étape (Fig. 3A) consiste à choisir une ondelette tp continue ayant les propriétés indiquées ci-dessus et à la comparer à une partie d'un signal f(t) (électrique ou 25 acoustique) en commençant au même instant initial que le signal d'origine. La transformation en ondelettes consiste à créer, à partir de l'ondelette mère tp, une famille d'ondelettes tp(ax + b) qui sont des fonctions affines où a et b sont des nombres réels. Le facteur a (appelé échelle de dilatation) sert à dilater (a>1) ou à comprimer (a REVENDICATIONS1. Système de détection d'une décharge électrique dans un dispositif électrique embarqué, caractérisé en ce qu'il comporte: -une chaîne d'acquisition (3) configurée pour acquérir des signaux électrique (51) et acoustique (S2) créés par un phénomène de décharge électrique survenu dans un milieu relatif audit dispositif électrique (15), et -un processeur (9) configuré pour détecter en temps réel ledit phénomène de décharge électrique en appliquant sur lesdits signaux électrique et acoustique une analyse par transformation en ondelettes continues comportant des moments nuls avec un support compact. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit processeur (9) est configuré pour déterminer un retard d'acquisition entre le signal acoustique (S2) et le signal électrique (51) et pour localiser spatialement ledit phénomène de décharge électrique dans ledit milieu du dispositif électrique (15) en fonction dudit retard d'acquisition. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite chaîne d'acquisition (3) est configurée pour avoir une bande passante supérieure ou égale à 1 20 MHz. 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le processeur (9) est configuré pour réaliser une analyse par transformation en ondelettes continues ayant un nombre maximal de valeurs de décomposition et ayant une 25 décroissance rapide ou une valeur nulle en dehors d'un intervalle d'intérêt des ondelettes. 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit processeur (9) est configuré pour enregistrer au préalable des signatures relatives à des signaux normaux pouvant être non linéaires et/ou transitoires. 30 3056301 18 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chaîne d'acquisition comporte : - au moins un capteur électrique (17) disposé à des bornes du dispositif électrique et configuré pour détecter des signaux électriques, et 5 - au moins un capteur de vibration (19) disposé au voisinage dudit au moins un capteur électrique et configuré pour détecter des signaux acoustiques. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que les capteurs électrique (17) et de vibration (19) sont configurés pour être autoalimentés par une tension existante 10 aux bornes du dispositif. 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif électrique embarqué est un équipement parmi les équipements suivants : une machine électrique, un dispositif d'amorçage d'une décharge au niveau 15 d'une bougie d'allumage, un actionneur électrique, et un dispositif de stockage d'électricité. 9. Dispositif embarqué dans un aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte le système de détection selon l'une quelconque des revendications précédentes. 20 10. Procédé de détection d'une décharge électrique dans un dispositif électrique embarqué, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - acquérir des signaux électrique (51) et acoustique (S2) créés par un phénomène de décharge électrique survenu dans un milieu relatif audit dispositif électrique (15), et 25 - détecter en temps réel ledit phénomène de décharge électrique en appliquant sur lesdits signaux électrique et acoustique une analyse par transformation en ondelettes continues comportant des moments nuls avec un support compact.