Défauts et Diagnostic de la Machine Asynchrone Triphasée Introduction Ce cours dresse un panorama des défauts des machines asynchrones (MAS) et de leur diagnostic et détection de défauts, sachant que ces technique peuvent aussi utile pour le reste de machines électriques. La surveillance de ces machines, pour le diagnostic et la prévision de pannes, a éveillé de nombreux travaux ces dernières années, à l’origine de son influence colossale sur la continuité opérationnelle de nombreux processus industriels ou systèmes embarqués. Un bon diagnostic et une détection avancé de défauts admettent de réduire : le temps d’arrêt ainsi que le temps de maintenance ; les conséquences nuisibles et parfois dévastatrices ; les pertes financières. Une bonne procédure de détection doit prendre les mesures minimales nécessaires à partir du processus en question, ainsi que l’extraire un diagnostic donnant une indication claire des modes de défaillance, par l’analyse des données, dans un temps réduit. Les machines électriques et les systèmes d’entraînement ou de production de l’énergie électrique sont soumis à de nombreux types de défauts. Ces derniers peuvent être classés selon leurs causes en deux grandes familles comme illustrés sur la figure 1. Défaillances de Machines Electriques Interne Manque de propreté Humidité Réseau bruité Fluctuation de la tension Source de tension déséquilibrée Température Environnementale Electrique Charge oscillante Surcharge de la machine Défaut de montage Mécanique Défaillance au niveau du circuit magnétique Défaillances au niveau de l’isolation Ruptures de barres ou d’anneaux Electrique Mouvement des enroulements et des tôles Excentricité statique, dynamique ou mixte Contact entre stator et rotor Défaut de roulements Mécanique Externe Figure 1: Classification des défauts selon leurs origines 1 Tous ces défauts produisent un des symptômes ou plus que nous énumérerons comme suit: Les courants statoriques présentent des harmoniques (inexistants lors d'un fonctionnement normal sur machine saine) ; Augmentation des pulsations de couple notamment au démarrage ; Diminution du couple moyen ; Augmentation des pertes provoquant une diminution du rendement ; Echauffement excessif dans les enroulements et la carcasse de la machine. Principaux défauts de la machine (causes, effets, mesure) Causes des défauts Les causes des défauts sont multiples. Elles peuvent être classées en trois groupes: a. Générateurs de pannes (initiateur de défauts) : - Thermique (surchauffe de moteur) ; Electrique (court-circuit, diélectrique, etc.) ; - Mécanique (bourrage, etc.) ; - Environnemental (agression, etc.) ; b. Amplificateurs de défauts : - Surcharge fréquente ; - Vibrations mécaniques ; - Environnement humide ; - Alimentation perturbée (instabilité de la tension ou de la fréquence) ; - Echauffement permanent, mauvais graissage, vieillissement, etc. c. Vices de fabrication et erreurs humaines : - Défauts de fabrication ; - Défectuosité des composants ; - Protections inadaptées ; - Mauvais dimensionnement de la machine. Pourcentage des différents défauts de la machine asynchrone Une étude statistique menée par IEEE révèle que certaines pannes sont plus fréquentes que d’autres ; à savoir : défauts de roulement, stator, rotor, etc. La répartition sur la figure 2 montre que les défauts des machines électriques proviennent principalement des roulements et du bobinage statorique. Du fait des conditions de fabrication des moteurs, les défauts dans le rotor ne sont pas très fréquents. Figure 2: Pourcentage des défauts de la MAS En considérant, un grand nombre de machines électriques qui diffère non seulement par le processus technologique de production, mais aussi par les conditions de fonctionnement. Défaillances mécaniques Le pourcentage le plus élevé de défauts de la MAS est les défauts mécaniques. Ces défauts peuvent être des défauts de roulements, des défauts d’excentricité, etc. Défauts de roulements Les défauts des roulements à billes sont de nombreuses causes telles que la contamination du lubrifiant, une charge excessive ou bien électrique comme la circulation de courants de fuite induits par les convertisseurs statiques. Ces défauts généralement entraînent plusieurs effets mécaniques dans les machines tel qu’une augmentation du niveau sonore, l’apparition de vibration et la variation dans le couple de charge de la MAS. La défaillance du roulement est due à l’usure de ces constituants, une étude menée aussi par IEEE montre la répartition suivante des défauts de roulement comme illustrée sur la figure 3. 2 Fig.3 : Répartition des défauts de roulement par une étude menée par IEEE Ces roulements sont généralement constitués de deux bagues, une interne et une autre externe entre lesquelles roulent des billes. On peut noter deux types d'avaries caractéristiques de la détérioration des roulements : les avaries dites naturelles dues à la fatigue des roulements et les avaries dues à un mauvais montage ou une mauvaise utilisation du roulement. On qualifie les principaux défauts : Le grippage, dû à l'absence de lubrification, à une vitesse excessive ou un mauvais choix du type de roulement. Ceci se manifeste par un transfert de matière arrachée sur les surfaces et redéposée par microsoudure ; Les empreintes par déformation, dues à des traces de coups, de fissures ou de cassures ; L'incrustation de particules étrangères, due à un manque de propreté au montage ou de l'entrée accidentelle d'impuretés ; La corrosion, due à un mauvais choix du lubrifiant, surtout quand les roulements viennent d'être nettoyés et sont contaminés par la transpiration des mains ; La corrosion de contact, due au mauvais choix d'ajustements entre les bagues et les logements ou les arbres ; Les criques, fissures étroites ou autres amorces de cassures dues aux contraintes exagérées au montage ou au démontage ; L'usure par abrasion, due à une mauvaise lubrification. L'usure par abrasion donne aux roulements un aspect gris, givré. Le cas le plus rencontré est un défaut d'écaillage dû à la fatigue des roulements. L'écaillage de fatigue, est un phénomène normal qui conduit à une défaillance et ce, quel que soit les conditions d'utilisation et de fonctionnement. Ce défaut survient sous l'effet de la fatigue due aux contraintes de cisaillement alternées qui frappent en sous-couche. L'écaillage est un processus continu qui s'accélère plus ou moins après l'apparition des premières fissures. La figure 4 montre un dégât grave provoqué par un défaut de roulement dans un moteur asynchrone triphasé à cage. On voit bien que le rotor est collé avec le stator provoquant une grande déformation des circuits magnétiques statorique et rotorique. Un défaut d’excentricité peut aussi engendrer les mêmes effets présentés dans cette figure. Fig.4: Exemples de dégâts au stator et au rotor dus au défaut de roulement d’un moteur asynchrone 3 Défauts d’excentricités La machine électrique peut être soumise à un décentrement du rotor, se traduisant par des oscillations de couple (décalage entre le centre de rotation de l’arbre et le centre du rotor). Ce phénomène est appelé excentricité son origine peut être liée à un positionnement incorrect des paliers lors de l’assemblage, à un défaut de roulement, à un défaut de charge ou à un défaut de fabrication. L’excentricité est la condition de l’entrefer inégal qui existe entre le stator et le rotor. Quand l’excentricité devient grande, les forces radiales résultantes (connues aussi comme Concentration Magnétique déséquilibrée) peuvent causer par le stator avec la bande de frottement du rotor, ce qui conduit à des dommages du stator et du rotor. La géométrie rotorique montrera des dissymétries qui sont naturelles. On trouve généralement trois catégories d’excentricités (voir la fig.5): 1) – Excentricité statique : Elle correspond au cas où le centre de rotation de l’arbre rotorique n’est pas celui du centre géométrique statorique, dont l’origine le plus fréquent est un défaut de centrage des flasques ; 2) – Excentricité dynamique : Elle a un centre de rotation rotorique différent du centre géométrique statorique par contre le centre rotorique tourne autour du centre de ce stator, ce défaut peut être causé par une déformation du cylindre rotorique, une déformation du cylindre statorique ou la détérioration des roulements à billes; 3) – Excentricité mixte : Elle est la somme des deux cas précédant. Une analyse vibratoire, une analyse par ultrasons, une analyse fréquentielle des courants statoriques ou une analyse visuelle de l’arbre de la machine permettent de repérer ces types de défaillance. a) b) c) Fig.5 : Différents défauts d’excentricités : a) – Statique ; b) dynamique ; c) mixte Ces types de défaut modifient le comportement magnétique et mécanique de la machine. En effet, l’augmentation de l’excentricité dans l’entrefer induit une augmentation des forces électromotrices, ces qui engendrent une dégradation de son isolation. D’autre part, cette augmentation peut avoir comme conséquences des frottements entre le stator et le rotor (Voir la fig.4). Défaillances électriques Elles peuvent être au niveau du stator ou au niveau du rotor et elles ont plusieurs formes et plusieurs causes. Défauts statoriques Les défauts statoriques les plus courants sont la mise en court-circuit d’une ou plusieurs spires de son bobinage, l’ouverture partielle ou totale d’une phase d’alimentation ou le déséquilibre d’impédances de phase (variation de résistance ou suppression de spires). La figure 6 représente deux exemples de dégâts provoqués par le défaut de court-circuit au stator. Les courts-circuits statoriques commencent généralement par un court-circuit localisé entre plusieurs spires d’un même enroulement (court-circuit entre spires), suite à la dégradation du matériau isolant recouvrant les conducteurs. Ce type de phénomène peut de plus dégénérer en courts-circuits généralisés, comme des courts-circuits entre phases ou entre phase et terre. Ces défauts sont généralement facilement détectables tant les effets qu’ils engendrent, sur les courants de phase notamment, sont importants. 4 Fig.6: Exemples de dégâts dus au défaut de court-circuit statorique d’un moteur asynchrone Défauts rotoriques Problèmes de barres cassées ou ruptures d’anneaux Dans les conditions de fonctionnement normales, le moteur produit un champ tournant circulaire dans l’entrefer soit champ direct ou champ inverse. Par contre, sous conditions d’anomalies il y aura des dissymétries au rotor, c’est pourquoi le champ résultant sera composé de deux champs direct et inverse. La figure 7 représente le rotor à cage d’un moteur asynchrone triphasé où il est clair une barre cassée. Ce défaut doit être détecté rapidement afin de garantir un fonctionnement fiable du moteur et donc de l’installation globale et d’éviter sa propagation sur les autres barres rotoriques. Fig.7: Exemple d’un défaut de cassure de barre d’un moteur asynchrone Grandeurs mesurables Pour réaliser le diagnostic de la MAS, quatre signaux élémentaires peuvent être prélevés de la figure 8. Fig.8 : Différents capteurs 5 a. Surveillance des vibrations Des capteurs de vibrations tels que les accéléromètres de type piezo-résistifs sont utilisés ou des forces aérodynamiques produisent des vibrations. Les vibrations sont mesurées suivant les différentes directions à savoir verticales, axiales et radiales. En installant les capteurs sur le stator, il est possible de détecter des problèmes tels qu’un entrefer non uniforme, des défauts dans des enroulements statorique ou rotorique, alimentation non symétrique et balourds dans la charge. La sensibilité de cette méthode est relativement élevée. b. Surveillance des fluctuations de la vitesse La défaillance est repérée en mesurant les fluctuations dans la période de rotation du moteur, cette méthode est particulièrement utile pour détecter les défauts rotoriques, des roulements défaillants et des désalignements d’arbre. Néanmoins, la machine fonctionne couramment à vitesse variable et possède un couple de charge variable, les instruments de mesures doivent être capables de différencier les variations de vitesse dues au couple de charge et celles dues à des défauts rotoriques. c. Surveillance du flux rayonnant de la machine La conversion électromécanique de l’énergie est localisée dans l’entrefer. Cette conversion est donc affectée par tout déséquilibre magnétique, mécanique, électrique ou électromagnétique au rotor et au stator. Ces grandeurs sont difficilement mesurables mais des études ont été menées pour extraire des signatures spécifiques à certains défauts. Le flux axial est toujours présent dans les machines électriques à cause des dissymétries inévitables à leur fabrication. L’étude des variations de flux peut donc être une solution pour détecter et localier un défaut au travers de l’utilisation de bobines exploratrices placées à l’extérieur de la machine, perpendiculairement à l’axe du rotor. En surveillant le flux, il est souvent possible d’identifier de nombreux défauts tel que des barres rotorique cassées, court-circuit dans les enroulements statorique et perte d’une phase. Il est particulièrement utile pour l’estimation de la vitesse, car il contient une forte composante à la fréquence de glissement. d. Surveillance du courant statorique Pour extraire de façon précise les informations relatives aux défauts les recherches ont été spécialement dirigées vers le spectre des courants statoriques pour deux raisons. Premièrement, les courants sont faciles à mesurer, ils fournissent des informations sur de nombreux défauts et deuxièmement, le courant statorique est souvent mesuré en utilisant des capteurs de courant à effet Hall. Il contient des composantes de fréquence qui peuvent être liées à une variété de défauts comme des asymétries mécaniques et magnétiques, des barres (ou anneaux) rotoriques cassés et des courts circuits dans les enroulements statoriques. 6
