Brevet FR3118806A1 — publié le 20220715

Le présent document concerne un procédé de détection de défauts de court-circuit comportant les étapes consistant à : - mesurer un vecteur courant (i x ) et une vitesse de rotation d’un rotor de la machine électrique ( ) dans un premier repère (abc) tridimensionnel ; - exprimer le vecteur courant (i x ) dans un deuxième repère (αβ); - exprimer le vecteur courant (i αβ ) dans un troisième repère (dq) bidimensionnel; - détecter un rang d’harmonique afin d’obtenir un signal ( ); - filtrer ledit signal ( ); - calculer une norme dudit signal filtré de façon à obtenir un signal filtré et normé ( ) ; - filtrer à nouveau le signal filtré et normé ( ) afin d’obtenir une partie utile de l’information ( ); - comparer la partie utile de l’information ( ) à un seuil de déclenchement de défaut de court-circuit. Figure à publier avec l’abrégé : Figure n°2 Détection de défauts de court-circuit interspires statoriques d’une machine électrique Domaine technique de l’invention Le présent document s’inscrit dans un contexte de propulsion électrique et, plus précisément, concerne un procédé de détection de défauts de court-circuit interspires statoriques au sein d’une machine électrique. Etat de la technique antérieure Classiquement, une machine électrique est constituée d’une partie fixe ou stator et d’une partie tournante appelée rotor. Le stator est constitué d’un enroulement inductif, c’est-à-dire d’un ensemble de spires enroulées autour d’un axe fixe et constituant une bobine. Un isolant est disposé entre ces spires pour éviter de possibles court-circuits. Un court-circuit est une mise en connexion équipotentielle entre deux points d’un circuit lors de laquelle on assiste à une augmentation importante de l’intensité. Malgré la présence d’un isolant, des défauts de court-circuit peuvent tout de même avoir lieu dans une telle machine électrique. Un défaut de court-circuit interspire provient initialement d’un défaut d’isolement au niveau de la bobine statorique de la machine. Ce défaut d’isolement est généré par les vibrations issues de l’intensité du champ électromagnétique ainsi que des contraintes thermiques qui prennent naissance au niveau des enroulements statoriques. L’apparition du défaut de court-circuit interspire peut produire un champ magnétique ayant une intensité qui est supérieure à la coercivité des aimants, démagnétisant ainsi ces derniers de façon permanente et, dans le processus, endommageant la machine. De plus, les défauts de court-circuit entre les spires statoriques d’une machine électrique sont invisibles du côté de l’électronique de puissance. S’ils ne sont pas maîtrisés, ils peuvent induire une élévation des températures des bobinages et un départ de feu si la partie statorique de la machine électrique est à refroidissement à huile, par exemple. Il est donc primordial d’être capable de détecter dans la machine ce défaut de court-circuit. Les approches existantes sont complexes et difficile à implanter sur une cible numérique et en temps réel. Les méthodes connues de détection fréquentielles du défaut de court-circuit interspires sont des méthodes hors-ligne à la base d’un traitement de transformée de Fourier (FFT) ou des méthodes en temps réel mais ayant des structures jugées complexes et en lien étroit avec le modèle de la machine électrique employant un filtre de Kalman, des réseaux neuronaux, ou des observateurs étendus. Ces méthodes sont basées sur des signaux électriques dans un régime stationnaire de la machine électrique et dépendent des paramètres de la machine mais, dans un cas réel, les paramètres de fonctionnement du moteur changent en fonction de la température et des courants. Présentation de l’invention Le présent document concerne un procédé de détection de défauts de court-circuit interspires statoriques d’une machine électrique comportant les étapes consistant à : - mesurer un vecteur courant i x et une vitesse de rotation d’un rotor de la machine électrique dans un premier repère (abc) tridimensionnel ; - exprimer le vecteur courant i x , dans un deuxième repère (αβ) bidimensionnel défini par un premier changement de base, par un courant vecteur i αβ ; - exprimer le vecteur courant i αβ , dans un troisième repère (dq) bidimensionnel défini par un deuxième changement de base par un vecteur courant i dq , le troisième repère tournant par rapport au deuxième repère (αβ) ; - détecter un rang d’harmonique à partir des courants mesurés i dq et la vitesse de rotation d’un rotor de la machine électrique afin d’obtenir un signal ; - filtrer, par un filtre passe bande adaptatif dépendant de , ledit signal afin d’obtenir un signal filtré ; - calculer une norme dudit signal filtré de façon à obtenir un signal filtré et normé ; - filtrer des résidus hautes fréquences du signal filtré et normé par un filtre passe-bas d’ordre deux afin d’obtenir une partie utile de l’information ; - comparer la partie utile de l’information à un seuil de déclenchement de défaut de court-circuit ; - exprimer un défaut de court-circuit si la partie utile de l’information dépasse ledit seuil de déclenchement de défaut de court-circuit. Ce procédé permet de détecter de manière numérique un défaut de court-circuit entre des spires statoriques d’une machine électrique. Ce procédé présente une approche ayant une structure simple et de nature adaptative. En effet, ce procédé permet un suivi en temps-réel d’un critère indiquant la présence d’un défaut de court-circuit dans des conditions stationnaires comme non-stationnaires, éliminant ainsi les influences de la vitesse de rotation variable de la machine électrique. Cette approche est indépendante du modèle de la machine électrique. Cette approche permet une détection rapide, d’environ quelques milli-secondes, et robuste de l’apparition du défaut de court-circuit interspires. Cela permet ainsi de déterminer de manière générale et non restrictive au cas unique du défaut de court-circuit interspire, la détection de n’importe quel rang d’harmonique ou bien la présence d’un déséquilibre au niveau des courants statoriques du moteur électrique. Le filtre passe bande adaptatif peut être un filtre à impulsion infinie et peut être défini par la fonction de transfert dans le domaine discret H FPB (z) suivante : Où : - G 0 est le gain statique du filtre passe-bande ; - a 1 et a 2 sont deux coefficients à déterminer ; Un filtre à réponse infinie ne dépend pas seulement de ses entrées à l’instant présent et aux précédents instants, mais il dépend aussi de la sortie précédente. Cela permet une meilleure stabilité du filtre et une meilleure convergence. Le filtre passe bande adaptatif peut s’écrire sous la forme généralisée suivante : Où : - G 0 est le gain statique du filtre passe-bande ; - ω elec = 2πf elec où f elec est la fréquence électrique de rotation du rotor du moteur électrique ; - h est le rang d’harmonique à détecter ; - k 1 et k 2 sont deux gains ; - r est un rayon d’un cercle unitaire dans un espace discret tel que r ≤ 1. Les deux gains k 1 et k 2 peuvent être définis comme suit : k 1 est un gain fonction de la vitesse ω elec . Cela signifie que le système est adaptatif en fonction de la vitesse. Ainsi, le système peut suivre la raie d’harmonique qui va bouger en fonction de la vitesse, quel que soit cette dernière. D’autre part, k 2 est un gain déterminant la largeur de la fenêtre de filtrage. Plus le rayon r est proche de 1, plus la fenêtre est pointue et plus le filtrage est précis, et plus r est loin de 1, plus la fenêtre est large et le filtre sera moins sélectif. Ledit filtre passe bande adaptatif peut comprendre une structure de filtre passe-tout comprenant la relation suivante : avec où : - est une sortie du filtre passe bande ; - X 1 est une entrée d’une fonction de transfert A 1 notée A 1 (z) ; - Y 1 est une sortie de la fonction de transfert A 1 notée A 1 (z) ; - X FPB est une entrée du filtre passe-bande. et où A 2 (z) s’exprime en fonction de A 1 (z) de la façon suivante : où k 1 est un gain. Ce filtre passe-tout joue le rôle d’une cellule correctrice de phase et présente un gain identique sur toute la plage de fréquence utilisée. Ledit filtre passe tout peut comporter un filtre à réponse infinie avec une structure «lattice» comprenant les relations suivantes : où t 11 , t 12 , t 21 et t 22 sont les coefficients d’une matrice de passage configurés pour obtenir la sortie Y 1 de la fonction de transfert A 1 et la sortie Y 2 de la fonction de transfert A 2, l’entrée X 1 et la sortie Y 1 de la fonction de transfert A 1 et l’entrée X 2 et la sortie Y 2 de la fonction de transfert A 2 étant reliés par les relations suivantes : avec . Cette structure peut être optimisée et peut être obtenue par une approche quadripôle. La partie utile de l’information peut être exprimée de la façon suivante : où est un filtre passe-bas d’ordre deux. Des résidus haute fréquence d’autres harmoniques restent présents dans le signal filtré . Ces résidus sont proches de la raie d’harmonique à sélectionner, même si les amplitudes de ces résidus d’harmoniques sont faibles. Pour s’affranchir de cela, l’amplitude calculée est lissée afin d’obtenir une amplitude qui n’oscille pas. Pour cela, le filtre passe bas d’ordre deux est utilisé afin de ne pas créer un retard. Ce filtre passe bas créera une réponse rapide et ne génèrera pas beaucoup de déphasage. En effet, un signal constant est filtré et le signal généré en sortie ne doit pas être retardé. Le filtre passe bas d’ordre deux peut être défini comme suit : Où : - Y(s) est la sortie et U(s) est l’entrée du filtre passe bas d’ordre deux ; - a 1 et a 0 sont deux coefficients. Brève description des figures représente un synoptique général d’une approche de détection de court-circuit selon l’invention ; représente un synoptique global plus détaillé que celui de la , illustrant l’approche de détection d’harmonique ; représente un filtre à structure quadripôle ; représente un filtre passe tout à structure «lattice» ; représente un filtre passe-bande adaptatif à structure optimisée ; représente une structure globale d’un filtre adaptatif à structure optimisée ; représente l’évolution d’un gain en décibel (db) en fonction de la fréquence en kilo Hertz (kHz) ; représente l’évolution d’une phase en degré (°) en fonction de la fréquence en kiloHertz (kHz) ; représente une structure de filtre passe-bas d’ordre deux ; représente l’évolution des intensités i d et i q en fonction du temps en seconde (s) ; représente l’évolution de l’amplitude d’un second harmonique en ampère (A) en fonction du temps en seconde (s). Procédé de détection de défauts de court-circuit interspires statoriques d’une machine électrique comportant les étapes consistant à : mesurer un vecteur courant (i x ) et une vitesse de rotation d’un rotor de la machine électrique ( ) dans un premier repère (abc) tridimensionnel ; exprimer le vecteur courant (i x ) dans un deuxième repère (αβ) bidimensionnel défini par un premier changement de base, par un vecteur courant (i αβ ) ; exprimer le vecteur courant (i αβ ) dans un troisième repère (dq) bidimensionnel défini par un deuxième changement de base par un vecteur courant (i dq ) , le troisième repère tournant par rapport au deuxième repère (αβ) ; détecter un rang d’harmonique à partir des courants mesurés (i dq ) et la vitesse de rotation d’un rotor de la machine électrique ( ) afin d’obtenir un signal ( ); filtrer, par un filtre passe bande adaptatif dépendant de ( ), ledit signal ( ) afin d’obtenir un signal filtré ; calculer une norme dudit signal filtré de façon à obtenir un signal filtré et normé ( ) ; filtrer des résidus hautes fréquences du signal filtré et normé ( ) par un filtre passe-bas d’ordre deux afin d’obtenir une partie utile de l’information ( ); comparer la partie utile de l’information ( ) à un seuil de déclenchement de défaut de court-circuit ; exprimer un défaut de court-circuit si la partie utile de l’information ( ) dépasse ledit seuil de déclenchement de défaut de court-circuit. Procédé de détection de défauts de court-circuit selon la revendication 1, dans lequel le filtre passe bande adaptatif est un filtre à impulsion infinie et est défini par la fonction de transfert dans le domaine discret H FPB (z) suivante : Où : G 0 est le gain statique du filtre passe-bande; a 1 et a 2 sont deux coefficients à déterminer; Procédé de détection de défauts de court-circuit selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le filtre passe bande adaptatif s’écrit sous la forme généralisée suivante : Où : G 0 est le gain statique du filtre passe-bande; ω elec = 2πf elec où f elec est la fréquence électrique de rotation du rotor du moteur électrique ; h est le rang d’harmonique à détecter ; k 1 et k 2 sont deux gains ; r est un rayon d’un cercle unitaire dans un espace discret tel que r≤1. Procédé de détection de défauts de court-circuit selon la revendication 3, dans lequel les deux gains k 1 et k 2 sont définis comme suit : Procédé de détection de défauts de court-circuit selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit filtre passe bande adaptatif comprend une structure de filtre passe-tout comprenant la relation suivante : avec où : est une sortie du filtre passe bande ; X 1 est une entrée d’une fonction de transfert A 1 notée A 1 (z) ; Y 1 est une sortie de la fonction de transfert A 1 notée A 1 (z) ; X FPB est une entrée du filtre passe-bande. et où A 2 (z) s’exprime en fonction de A 1 (z) de la façon suivante : où k 1 est un gain. Procédé de détection de défauts de court-circuit selon la revendication 5, dans lequel ledit filtre passe tout comporte un filtre à réponse infinie avec une structure «lattice» comprenant les relations suivantes : où t 11 , t 12 , t 21 et t 22 sont les coefficients d’une matrice de passage configurés pour obtenir la sortie Y 1 de la fonction de transfert A 1 et la sortie Y 2 de la fonction de transfert A 2, l’entrée X 1 et la sortie Y 1 de la fonction de transfert A 1 et l’entrée X 2 et la sortie Y 2 de la fonction de transfert A 2 étant reliés par les relations suivantes : avec . Procédé de détection de défauts de court-circuit selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la partie utile de l’information est exprimée de la façon suivante : où est un filtre passe-bas d’ordre deux. Procédé de détection de défauts de court-circuit selon la revendication 7, dans lequel le filtre passe bas d’ordre deux est défini comme suit : Où : Y(s) est la sortie et U(s) est l’entrée du filtre passe bas d’ordre deux ; ; a 1 et a 0 sont deux coefficients.