Brevet FR3088439A1 — publié le 20200515

Description Titre de l'invention : Détection de défaut électrique dans une gé- nératrice Domaine technique [0001] L'invention relève du domaine des machines électriques tournantes, typiquement les génératrices, et en particulier les machines asynchrones à double alimentation, ou « MADA ». Technique antérieure [0002] Il est connu d'effectuer des surveillances des MADA par l'intermédiaire de mesures électriques, afin de détecter d'éventuels défauts. Les MADA étant un composant essentiel dans les éoliennes, de telles surveillances trouvent en particulier à s'appliquer dans le contexte des surveillances et maintenances préventives des éoliennes. Les mesures électriques sont peu conteuses, non intrusives, peuvent être réalisées à distance, sensiblement en temps réel et de manière automatisée. Ainsi, de telles surveillances permettent de planifier des opérations préventives lorsque des défauts mineurs sont détectés précocement, avant que de tels défauts s'aggravent et entrainent des dégradations importantes et couteuses à réparer. [0003] Parmi les méthodes de surveillance connues, beaucoup doivent être mises en oeuvre alors que les MADA sont à l'arrêt, ce qui implique d'interrompre leur fonctionnement usuel, et donc la production d'énergie dans le cas des éoliennes. [0004] Dans le contexte des éoliennes, d'autres méthodes connues sont basées sur des analyses vibratoires. Les amdyses vibratoires sont mises en oeuvre au cours du fonctionnement (sans interrompre la production d'énergie) et permettent de détecter de nombreuses anomalies dans la chaîne cinématique des éoliennes. Néanmoins, les analyses vibratoires sont peu fiables pour détecter des anomalies résultant de défauts dans les MADA. Lorsqu'une anomalie dont la cause se situe dans la MADA est détectée par analyse vibratoire, cela signifie souvent que le défaut est grave et que des mesures d'urgence doivent être mises en oeuvre. Une opération de maintenance légère n'est pas, ou plus, suffisante. [0005] Enfin, il existe des méthodes de surveillance et de détection de défauts basées sur des mesures électriques. Lesdites méthodes impliquent généralement une analyse harmonique par transformées de Fourrier de courants électriques mesurés. Ensuite, des fréquences caractéristiques de chaque type de défaut connu sont recherchées. Par nature, cela interdit une surveillance fine de variations dans le temps car les mesures sont moyennées sur le temps. En outre, de telles méthodes sont efficaces seulement à fréquence constante, ce qui n'est pas le cas, en pratique, dans une MADA. Les va- 2 nations de fréquences sont particulièrement importantes dans les MADA d'éoliennes car les fréquences dépendent de la vitesse du vent, elle-même variable au cours du temps. Enfin, la demanderesse a constaté que les fréquences caractéristiques des défauts les plus communs sont proches, en fréquence, de la fréquence fondamentale des MADA, au point d'être difficile à distinguer les unes de l'autre. Cela rend d'autant plus complexe et peu fiable de telles méthodes de surveillances, au moins pour certains défauts des MADA. 11 existe des risques élevés de ne pas détecter une anomalie réelle et d'identifier une anomalie fictive (« faux positif »). Résumé de l'invention [0006] L'invention vient améliorer la situation. [0007] 11 est proposé un procédé de surveillance et détection de défaut dans une machine asynchrone à double alimentation incluant un stator et un rotor. Le procédé est mis en oeuvre par des moyens informatiques. Le procédé comprend : a. recevoir, en entrée et en fonction du temps, une mesure de courant et une mesure de tension d'au moins une phase du stator, et une mesure de vitesse de rotation relative entre le stator et le rotor ; h. déduire des mesures de courant et de tension reçues une puissance statoriquc en fonction du temps ; c. effectuer une analyse harmonique de la puissance statorique obtenue, ladite analyse harmonique incluant d'appliquer une transformée en ondclettes à la puissance statorique obtenue, de sorte qu'une représentation harmonique de la puissance statorique, en fonction de la fréquence, est obtenue ; d. comparer la représentation harmonique obtenue à une représentation harmonique de référence, ladite représentation harmonique de référence étant sélectionnée en fonction de la mesure de vitesse de rotation, de manière à détecter des défauts dans ladite machine en fonction d'éventuelles différences identifiées par la comparaison. Ensuite, un signal d'alerte peut être généré et transmis de sorte qu'une opération de maintenance ou réparation soit planifiée. [0008] Selon un autre aspect, il est proposé un système de surveillance d'au moins une machine asynchrone à double alimentation comprenant au moins un capteur de tension, un capteur de courant, un capteur de vitesse de rotation et un module de calcul, chaque capteur étant agencé pour transmettre des données de mesure à l'au moins un module de calcul, ledit module de calcul étant agencé pour mettre en oeuvre un procédé tel que décrit dans les présentes. Selon un autre aspect, il est proposé un prognunme informatique comportant des instructions pour la mise en oeuvre de tout ou partie d'un procédé tel que défini dans les présentes lorsque ce programme est exécuté par un processeur. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un support 3 d'enregistrement non transitoire, lisible par un ordinateur, sur lequel est enregistré un tel programme. [0009] Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, option- nellement, être mises en oeuvre. Elles peuvent être mises en oeuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : [0010] Dans le procédé, la représentation harmonique de référence peut être sélectionnée en fonction, en outre, d'une puissance réactive de la machine et d'une tension statoriquc. [0011] Dans le procédé, les mesures peuvent être effectuées sur des durées comprises 1 et 5 secondes et/ou avec une fréquence d'échantillonnage comprise entre 5 et 20 kilohertz. [0012] Le procédé peut comprendre en outre, préalablement à l'analyse harmonique de la puissance statorique, une opération de détermination d'au moins une fréquence d'un défaut connu en fonction de la vitesse de rotation, l'analyse harmonique étant ensuite mise en oeuvre pour chacune des fréquences de défaut déterminées. [0013] Le procédé peut comprendre en outre, après déduction de la puissance statorique et préalablement à l'analyse harmonique de la puissance statorique, une opération de vérification de stabilité des puissances au cours de la durée de prise de mesure. [0014] Le procédé peut être répété de sorte qu'une surveillance en temps réel de la machine asynchrone à double alimentation est menée. Brève description des dessins [0015] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l'analyse des dessins annexés, sur lesquels : Fig. 1 [0016] Ifi2.11 montre un procédé selon un mode de réalisation de l'invention ; Fig. 2 [0017] I fie.21 montre une représentation harmonique des courants électriques en présence d'un défaut ; Fig. 3 [0018] Ifie.31 montre une représentation harmonique des puissances électriques en présence d'un défaut obtenue par un mode de réalisation de l'invention ; Fig. 4 [0019] [fie.4] montre une représentation harmonique de la puissance statorique totale d'une génératrice sans défaut ; Fig. 5 [0020] [fig.5] montre une représentation harmonique de la puissance statoriquc totale de la même génératrice qu'en [Fig. 4] mais avec un défaut. Description des modes de réalisation [0021] Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. [0022] Tl est maintenant fait référence à la figure 1. Un procédé de surveillance et détection de défaut dans une machine asynchrone à double alimentation (MADA) y est représenté. La MADA inclut un stator et un rotor. Le procédé est mis en oeuvre par des moyens informatiques. Le procédé comprend les opérations suivantes : a. recevoir 101, en entrée et en fonction du temps, une mesure de courant 1(t) et une mesure de tension U(t) d'au moins une phase du stator, et une mesure de vitesse de rotation v(t) relative entre le stator et le rotor ; h. déduire 102 des mesures de courant 1(t) et de tension U(t) reçues une puissance statoriquc P(t) en fonction du temps ; c. effectuer 105 une analyse harmonique de la puissance statoriquc P(t) obtenue, ladite analyse harmonique incluant d'appliquer une transformée en ondelettes à la puissance statorique P(t) obtenue, de sorte qu'une représentation P(t,f) harmonique de la puissance statorique, en fonction de la fréquence, est obtenue ; d. comparer (106) la représentation harmonique obtenue à une représentation harmonique de référence, ladite représentation harmonique de référence étant sélectionnée en fonction de la mesure de vitesse de rotation v(t), de manière à détecter des défauts dans ladite machine en fonction d'éventuelles différences identifiées par la comparaison. [0023] Dans l'exemple décrit ici, chaque MADA appartient à une éolienne. Les MADA fonctionnent, ici, en courant triphasé. Les mesures de courant et de tension (opération a) sont effectuées distinctement sur chaque phase. Ainsi, lors de la détermination ultérieure de la puissance (opération b), la puissance déduite peut être la somme des trois puissances sur les trois phases. En cas d'anomalie, le cumul sur les trois phases permet d'amplifier les différences avec une MADA de référence considérée comme dépourvue de défaut. En variante, l'analyse peut être effectuée sur une seule phase ou sur seulement certaines d'entre elles. Dans la suite, et par souci de simplification, il est fait référence à une unique phase. [0024] Les mesures sont effectuées préférentiellement sur le stator. L'installation de capteurs sur le stator est plus aisée que sur le rotor. En outre, les signaux électriques côté stator reproduisent d'une manière plus fiable l'état de la MADA. En effet, les courants circulant dans les enroulements statoriques dépendent de l'alimentation électrique et de l'impédance des enroulements, mais aussi des courants induits par le champ magnétique créé par le rotor. Ainsi, relever les tensions et courants sur les enroulements statoriques (plutôt que sur les enroulements rotoriques) permet ensuite de détecter tous les défauts, que ces derniers proviennent du stator ou du rotor. [0025] Dans les exemples décrits, les mesures sont effectuées sur quelques secondes, par exemple entre 1 et 5 secondes. La fréquence d'échantillonnage est de quelques kilohertz, par exemple entre 5 et 20 kilohertz. [0026] La déduction d'une puissance statorique PU) en fonction du temps (opération h) peut prendre différentes formes. Elle peut résulter du simple produit du courant par la tension (P(t) = U(t),I(0) d'une unique phase ou bien, par exemple, de la somme des produits tension par courant de chaque phase (P(t) = U1(0.11(t) + Un(t).L(t) + U3(0.-1, (t)), le chiffre en indice identifiant les phases les unes par rapport aux autres. [0027] Ensuite, une analyse harmonique de la puissance statoriquc (P(t)) est effectuée. Pour comprendre en quoi consiste l'analyse harmonique, il est important de comprendre que, dans le cas d'une machine idéale (MADA théorique sans défaut ; indice « OK »), la puissance instantanée peut être exprimée selon l'équation suivante : [0028] [Math.]] P.1_ 0 Ti(t) = hW - _ 0 K 1" COS ( 2 (2 s. ) ) + VrImcos (9) [0029] Avec [Math.2] U ( t ) = t' . COS (2rr f ) [0030] [Math.3] IA _tpic(t) = ItH.COS ( 2 Tr t - ig:1) 100311 C représentant la fréquence d'alimentation électrique au stator et p représentant l'angle de déphasage entre le courant et la tension. 100321 À partir de 'Math. 11, il est possible d'observer que, lorsque la tension et le courant comportent une unique et même fréquence fs, la puissance instantanée se décompose en somme d'une composante continue et d'une composante alternative à la fréquence 2.C. 100331 En présence d'un défaut, l'expression temporelle du courant statorique peut être définie à partir de l'équation générale de la modulation d'amplitude y(t) = (A+n(0).c(t), où (A+ n(t)) est la fonction modulante et c(t) la fonction modulée. Dans ce cas, l'expression du courant au stator en présence d'un défaut (indice « def ») est la suivante : [0034] [Math.4] IA _de» ) 1,4 _tt: tc(t ).[1± M.COS ( 2 f d e-)] [0035] [Math.5] m.r', la 't ( t ) - IA _OK ( t ) 2 cos ( 2 rr - .t - q)) + 2 cos ( 2 rr(f - f dEjip.t - cp ) [0036] L'équation [Math. 5] fait apparaître l'origine des deux raies caractéristiques du défaut : (f, - fier) et (f, + f,,,r) et qui sont proches de la fréquence fondamentale f,. De plus, l'expression de la puissance électrique en présence du défaut peut être : 6 [0037] [Math.6] f' A ,ieti-Pl(),;(,) mNri,,, pr, ) Mirit"co' (27-ryf f)./-q,) MXF4LE", [0038] Cette expression de la puissance montre la présence de raies autour de la fréquence 2*f, : (2f, - fief) et (2f, + fier). Cette expression montre en outre la présence de la fréquence du défaut isolée (fdef). La fréquence caractéristique du défaut dans la représentation harmonique de la puissance électrique permet ensuite le diagnostic et la détection des défauts dans la génératrice. Par exemple, pour un défaut rotorique dans les MADA, l'expression de la fréquence du défaut est (2.g.f,), avec « g » le glissement de la machine qui rend compte de l'écart de vitesse de rotation du rotor par rapport à la vitesse de rotation du champ statorique. Ainsi, les fréquences de défauts dans les MADA dépendent de la vitesse de rotation de la génératrice. [0039] Les figures 2 et 3 montrent une comparaison entre la représentation harmonique des courants ([fig.2]) et des puissances ([Fig. 3]) électriques en présence du défaut. [0040] Dans l'exemple décrit ici, une opération 103 est mise en oeuvre. L'opération 103 comprend la détermination d'au moins une fréquence fdef(t) d'un défaut connu en fonction de la vitesse de rotation v(t). Connaitre à l'avance chaque fréquence de défaut connu permet de faciliter, ensuite, l'analyse harmonique pour chacun d'entre eux à partir de mesures réelles. [0041] Dans l'exemple décrit ici, une opération 104, optionnelle, est mise en oeuvre. L'opération 104 est mise en oeuvre après calculs des puissances et avant mise en oeuvre de l'analyse harmonique. Au cours de l'opération 104, les puissances calculées en fonction du temps sont soumises à un test de stabilité. Autrement dit, il est vérifié que les puissances calculées à partir des mesures de tensions et courants sont stables au cours de la durée de prise de mesure (généralement quelques secondes). Il est ainsi vérifié que la MADA n'est pas dans un état transitoire, typiquement le démarrage ou l'arrêt. La suite du procédé (analyse harmonique) est mise en oeuvre seulement si des critères de stabilité préétablis sont remplis. Dans le cas contraire, une temporisation est mise en oeuvre, par exemple comprise entre 1 et 10 minutes, puis le procédé est ré-initialisé, de nouvelles mesures sont effectuées. Le choix des critères de stabilité dépend des dimensions de la MADA. Par exemple, le critère de stabilité peut consister à vérifier que la puissance reste supérieure à une valeur seuil pendant toute la durée de la mesure. 100421 L'analyse harmonique de la puissance statorique P0) obtenue inclut une transformée en ondelettes. En effet, les défauts à détecter dans les MADA sont caractérisés, dans la puissance électrique statorique, par des raies de fréquences dont la fréquence dépend de la vitesse de rotation de la machine, elle-même variable au cours du temps. Ainsi, contrairement à une transformée de Fourrier, une transformée d'ondelettes permet de tenir compte de la variation des fréquences et des amplitudes des raies de défauts sur la 7 durée du signal. En conséquence, la fenêtre de temps (la durée de mesure) peut être très brève, en particulier plus courte que la durée de mesure nécessaire lorsque des analyses basées sur des transformées de Fourier sont mises en oeuvre. L'analyse en ondelettes permet d'obtenir une représentation en fonction du temps et de la fréquence d'un signal. La représentation temps-fréquence met en jeu deux démarches réciproques : l'analyse et la synthèse. Pour effectuer l'analyse d'un signal, on le décompose en somme de constituants simples et universels appelés fonctions élémentaires. Les fonctions élémentaires d'une analyse de Fourier usuelle sont des fonctions sinusoïdales. Les fonctions sinusoïdales dépendent d'un unique paramètre : la fréquence. Dans le cas de l'analyse en ondelettes, les fonctions élémentaires font intervenir deux paramètres « a » et « h », où « a » est lié à la fréquence et « h » au temps. [0043] Dans les expressions mathématiques qui suivent, les coefficients Ca,,, ([Math. 7]) cor- respondent à chaque fonction élémentaire w,,,,, ([Math. 9]) utilisée pour décomposer un signal quelconque. Les coefficients Ca,' sont représentatifs de propriétés temporelles et fréquentielles du signal. Les coefficients sont calculés en faisant la somme en continu du produit PA_,,,f(t) par la famille de fonctions élémentaires v'b(t). La famille d'ondelettes rtp'j, est générée à partir d'une seule ondelette (k.1) appelée ondelette mère ou analysante ([Math. 8]). Les ve, sont construites par une translation dans le temps et par dilatation ou contraction dans le temps dcw',,,. [0044] [Math.7] C Loo P f(t (0.elt 100451 1Math.81 (p (t) cos (50.e 2 [0046] (Ondelette mère de Morlet) [0047] [Math.9] 11.1 ,( t ) - (t 100481 L'identification de la fréquence d'intérêt dans les coefficients C',, se fait en calculant la valeur du paramètre « a », aussi appelé « paramètre d'intérêt », dans I Math. 10]. La représentation dans le temps du paramètre d'intérêt « a» est faite en prenant l'ensemble des valeurs de «h ». Le paramètre d'intérêt « a » dépend de l'ondelette mère utilisée pour l'analyse en ondelette, en particulier de sa fréquence centrale. La fréquence centrale de l'ondelette mère de Morlet est égale à 0,8125. 100491 1Math.101 a ().8125 fins t inr 8 [0050] Où At est le pas de temps des mesures et flin la fréquence d'intérêt. [0051] L'analyse en ondelettes de la puissance électrique statorique commence par le calcul du paramètre d'intérêt « a » en fonction des fréquences de défauts recherchés ([Math. 10]). Les résultats calculés par l'analyse en ondelette dépendent du temps et de cc paramètre d'intérêt « a ». Ainsi, pour chaque fréquence de défaut (fdef(t) obtenue à l'opération 103) la valeur absolue du résultat de l'analyse est une courbe qui varie en fonction du temps. Le coefficient de défaut (« Coefder ») recherché pour une fréquence de défaut donnée est calculé en prenant le maximum du carré de la courbe sur toute la durée du signal et en le divisant par la puissance nominale de la génératrice (P') afin de le rendre adimensionnelle, comme exprimé dans [Math. 11] ci-après. [0052] [Math.11] Coeflef- Pn [0053] Enfin, dans l'opération 106, la représentation harmonique obtenue est comparée à une représentation harmonique de référence. À partir d'une ou plusieurs représentations harmoniques de référence de machine(s) avec défaut, un coefficient de défaut théorique, formant seuil, est prédéterminé. Le coefficient de défaut obtenu pour la machine surveillé est ensuite comparé à ladite valeur seuil prédéterminée. [0054] De préférence, la représentation harmonique de référence est sélectionnée non seulement en fonction de la vitesse de rotation, mais aussi en fonction, en outre, d'une puissance réactive de la MADA et d'une tension statorique. En effet, la représentation harmonique de la puissance statorique (surtout les fréquences liées aux défauts) dépend aussi de la puissance réactive et de la tension statorique. Prendre en compte ces éléments est donc particulièrement avantageux : les risques d'erreur de détection sont réduits. Dans le cas contraire, possibilité des fausses allumes et/ou des absences de détection de défaut peuvent se produire, réduisant la fiabilité de la surveillance. [0055] Pour déterminer les seuils, des génératrices de type MADA saines et en défauts peuvent, par exemple, être modélisées au moyen de modèles par éléments finis et/ou de modèles de type circuit (basés sur des circuits équivalents). Les modèles par éléments finis permettent de modéliser finement les défauts de type court-circuit entre spires, tandis que les modèles circuits sont plus rapides et moins couteux en temps de calculs. Des essais en situations réelle sur des machines saines et d'autres ayant des défauts connus permettent, aussi, de déterminer des seuils en fonction de chaque type de MADA. 100561 Dans l'exemple représenté en I fie.11, le procédé décrit ci-avant est itératif. Après une temporisation, le procédé est réinitialisé avec de nouvelles mesures. Autrement dit, le procédé peut être mis en oeuvre sensiblement de manière continue de sorte qu'une sur- d e r)12) m ( al 9 veillance en temps réel est mise en oeuvre. [0057] [fig.4] et [Fig. 5] montrent des exemples de résultats (représentations fréquentielles) obtenues pour un même modèle de MADA de puissance nominale de 2 MW, respectivement sans défaut ([Fig. 4]) et avec un défaut de bobinage rotoriquc ([Fig. 5]), pour une vitesse de rotation de 1680 tr/min et une fréquence de défaut de 12 Hz. Les transformées en ondelcttes permettent d'analyser un signal temporel d'une ou plusieurs périodes électriques pour le transformer en une représentation fréquentielle. La représentation fréquentielle, ou en harmoniques, est préférée car elle permet de s'affranchir de l'origine des temps et permet une meilleure classification du défaut dont la signature est représentée par une ou plusieurs raies de fréquences. Quant aux amplitudes de ces raies, elles sont utilisées comme paramètres de détection de défauts et comparées aux seuils de défauts dans les génératrices. [0058] D'après les essais réalisés par la demanderesse, de nombreux types de défauts peuvent être détectés grâce à de tels procédés, et notamment des défauts électriques des bobinages au stator et/ou au rotor, des courts-circuits, des défauts de l'alimentation électrique au rotor, des défauts de charbon et de contact électrique glissant (ou « slip ring »), des défauts mécaniques comme les excentricités et des défauts de roulement. [0059] L'invention a été décrite ci-avant sous la forme d'un procédé. Le procédé peut être mis en oeuvre par des moyens informatiques. Aussi, l'invention peut prendre la forme d'une MADA équipée de capteurs de tension, de courant et de vitesse de rotation. Lesdits capteurs sont reliés à un module de calcul incluant au moins un processeur agencé de manière à mettre en oeuvre, au moins en partie, le procédé décrit ci-avant. Le module de calcul peut être installé sur la MADA et être considéré comme un composant de cette dernière, ou bien être déporté. De même, un unique module de calcul peut recevoir des données de mesure d'une pluralité de MADA, de sorte que les calculs et la surveillance sont mis en oeuvre de manière centralisée, par exemple pour la surveillance de tout ou partie d'un parc éolien. L'invention peut donc prendre la forme d'un système de surveillance comprenant au moins un module de calcul et les capteurs correspondants. Application industrielle [0060] L'invention peut trouver à s'appliquer notamment dans le domaine de l'éolien terrestre ou maritime utilisant des génératrices de type MADA, sans pour autant s'y limiter L'invention ne se limite pas aux exemples de procédés, systèmes, programmes informatiques et supports d'enregistrement décrits ci-avant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre de la protection recherchée. 10