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Diagnostic des d´ efauts des machines asynchrones par reconnaissance des formes

Diagnostic des d´ efauts des machines asynchrones par reconnaissance des formes Roland Casimir To cite this version: Roland Casimir. Diagnostic des d´ efauts des machines asynchrones par reconnaissance des formes. Autre. Ecole Centrale de Lyon, 2003. Fran¸ cais. <tel-00139706> HAL Id: tel-00139706 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00139706 Submitted on 3 Apr 2007 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entiﬁc research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diﬀusion de documents scientiﬁques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. N° d'ordre : E.C.L. 2003 – 40 Année 2003 THESE Présentée devant L'ÉCOLE CENTRALE DE LYON pour obtenir le grade de DOCTEUR (arrêté du 30/03/1992) Spécialité: Génie Électrique Préparée au sein de L'ÉCOLE DOCTORALE ÉLECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE DE LYON Par Roland CASIMIR DIAGNOSTIC DES DEFAUTS DES MACHINES ASYNCHRONES PAR RECONNAISSANCE DES FORMES Soutenue le 18 décembre 2003 devant la commission d'examen Jury : MM. B. DUBUISSON Professeur des Universités HEUDIASYC - Compiègne Rapporteur J. C. HAPIOT Professeur des Universités LEEI - Toulouse Rapporteur G. CLERC Professeur des Universités CEGELY - Lyon Examinateur G. BARAKAT Maître de Conférence (HDR) GREAH – Le Havre Examinateur A. BOATAS PSA Peugeot Citroën Responsable thème Traitement du Signal et Diagnostic Examinateur E. BOUTLEUX Maître de Conférence CEGELY - Lyon Examinateur A mes chers parents Cordélia et Augustin A toute ma famille, mes amis, A Judith. REMERCIEMENTS Les travaux de recherche développés dans ce mémoire ont été réalisés au sein du Centre de Génie Electrique de Lyon (CEGELY – UMR 5005 CNRS) sur le site de l'Ecole Centrale de Lyon. Je remercie très sincèrement Messieurs les Professeurs Alain NICOLAS, directeur du CEGELY, et Philippe AURIOL, directeur du département EEA, de m'avoir accueilli dans ce laboratoire. J'exprime ma profonde gratitude et ma reconnaissance envers Messieurs Guy CLERC, Professeur à l'Université Claude Bernard Lyon 1, et Emmanuel BOUTLEUX, maître de Conférences à l'Ecole Centrale de Lyon, pour l'aide précieuse qu'ils m'ont apporté dans l'élaboration de ces travaux. Je leur remercie pour leurs conseils, leur soutien, leur disponibilité et surtout leurs grandes qualités humaines. Je remercie vivement Messieurs Bernard DUBUISSON, Professeur à l'Université de Technologie de Compiègne, et Jean – Claude HAPIOT, Professeur à l'Institut National Polytechnique de Toulouse, de m'avoir fait l'honneur d'accepter d'être les rapporteurs de cette thèse. Je tiens également à adresser mes remerciements à Monsieur Georges BARAKAT, maître de Conférences HDR à l'Université du Havre, et à Monsieur Armand BOATAS du groupe PSA Peugeot Citroën, de m'avoir fait l'honneur participer au jury. Durant ces années de doctorat, les membres administratifs et techniques du département et du laboratoire ont toujours su répondre présent à mes nombreuses sollicitations. J'ai particulièrement apprécié leur disponibilité, leur sympathie, et leurs compétences. Qu'ils reçoivent toute ma gratitude ! Je ne saurai enfin oublier les jeunes docteurs et futur docteurs du laboratoire qui, durant ces années, ont entretenu une très bonne ambiance et ont fait preuve de solidarité. Je souhaite aux doctorants du succès dans leurs recherches ainsi que dans leurs vies professionnelles. RESUME Les progrès réalisés en matière d'électronique de puissance, de circuits de commande et en automatique ont contribué à l'utilisation grandissante des machines asynchrones dans les systèmes d'entraînements électriques. Le recours aux machines asynchrones est surtout lié à leur robustesse, leur puissance massique et à leur coût de fabrication. Leur maintenance et leur surveillance permettent de rentabiliser les installations. Il est donc important de développer des outils de diagnostic pour détecter de manière précoce les défauts pouvant apparaître dans ces machines. Notre approche est basée sur l'utilisation des méthodes de reconnaissance des formes. Un vecteur de paramètres, appelé vecteur forme, est extrait de chacune des mesures effectuées sur la machine. Les règles de décisions utilisées permettent de classer les observations, décrites par le vecteur forme, par rapport aux différents modes de fonctionnement connus avec ou sans défaut. Des défauts ont été créés au rotor et au stator de la machine asynchrone, alimentée soit à partir du réseau, soit par le biais d'un onduleur de tension. Les procédures de décisions, basées sur la règle des k - plus proches voisins et sur le calcul direct des frontières, ont été utilisées pour détecter les défauts. Ces algorithmes ont montré l'efficacité de l'application de la reconnaissance des formes au diagnostic. ABSTRACT Advances in power electronics, control circuits and automatic have contributed to an increasing use of induction motors in electrical drive systems. The large – scale utilization of induction motors is mainly due to their robustness, their power – weight ratio, and to their manufacturing cost. Therefore, it is important to develop diagnosis tools in order to detect earlier the faults, which can appear in these machines. Our approach is based on pattern recognition methods. A vector of parameters, called pattern vector, is obtained from the measurements made on the machine. The decision rules enable to classify the observations described by the pattern vector. These classifications are made according to the different operating conditions, with or without fault. Faults have been created on both the rotor and the stator sides of the induction machine. This one was fed either from the mains, or from a three – phase voltage inverter. Fault detection has been made with decision procedures based on the k – nearest neighbors rule and on boundaries direct calculation. The results obtained with these algorithms have proved the efficiency of pattern recognition methods for diagnosis. SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE.................................................................................................1 CHAPITRE I : SYNTHESE DES METHODES DE DIAGNOSTIC DE LA MACHINE ASYNCHRONE 1.1 - Introduction ............................................................................................................5 1.2 - Méthodes de diagnostic avec connaissance a priori..............................................6 1.2.1 Principe.............................................................................................................6 1.2.2 Modèle de la machine asynchrone ...................................................................7 1.2.2.1 Transformation triphasée / diphasée............................................................7 1.2.2.2 Transformation de Park ...............................................................................8 1.2.2.3 Choix du référentiel.....................................................................................9 1.2.3 Application au diagnostic.................................................................................10 1.2.3.1 Suivi du couple électromagnétique..............................................................11 1.2.3.2 Identification des paramètres de la machine asynchrone ............................13 1.2.3.2.1 Équations d'état......................................................................................... 13 1.2.3.2.2 Modèle pour l'identification...................................................................... 15 1.2.3.3 Paramètres représentatifs des défauts..........................................................15 1.2.4 Conclusion........................................................................................................19 1.3 - Méthodes de diagnostic sans connaissance a priori .............................................22 1.3.1 Principe.............................................................................................................22 1.3.2 Suivi des grandeurs mesurables .......................................................................22 1.3.2.1 Analyse des courants ...................................................................................22 1.3.2.1.1 Excentricité............................................................................................... 22 1.3.2.1.2 Défaillance des paliers.............................................................................. 23 1.3.2.1.3 Rupture de barres ou de portions d’anneaux............................................. 25 1.3.2.2 Analyse des flux ..........................................................................................25 1.3.2.2.1 Court-circuit entre spires au stator............................................................ 26 1.3.2.2.2 Cas d'une dissymétrie au rotor.................................................................. 28 1.3.2.3 Analyse du couple électromagnétique.........................................................28 1.3.2.4 Analyses vibratoires de la machine .............................................................29 1.4 - Synthèse générale des résultats..............................................................................31 1.4.1 Champ d'application des méthodes de diagnostic............................................31 1.4.2 Conclusion........................................................................................................34 CHAPITRE II : RECONNAISSANCE DES FORMES ET DIAGNOSTIC 2.1 - Introduction ............................................................................................................36 2.2 - Analyse des observations........................................................................................39 2.2.1 Détermination de l'espace de représentation ....................................................39 2.2.2 Réduction de l'espace de représentation...........................................................39 2.2.2.1 Analyse en Composantes Principales (ACP)...............................................40 2.2.2.2 Sélection de paramètres...............................................................................45 2.3 - Détermination de l'espace de décision...................................................................50 2.3.1 Méthodes de classification hiérarchiques.........................................................51 2.3.2 Méthodes de classification par partition...........................................................52 2.4 - Choix d'une procédure de détection ......................................................................56 2.4.1 Méthodes paramétriques...................................................................................58 2.4.1.1 Règle de Bayes ............................................................................................58 2.4.1.2 Rejet d'ambiguïté.........................................................................................58 2.4.1.3 Rejet de distance..........................................................................................59 2.4.2 Méthodes non paramétriques............................................................................61 2.4.2.1 Principe des méthodes non paramétriques...................................................61 2.4.2.2 Règle des k – plus proches voisins (k - ppv)................................................62 2.4.2.3 Rejet d'ambiguïté .........................................................................................64 2.4.2.4 Rejet de distance ..........................................................................................65 2.4.3 Calcul direct des frontières...............................................................................65 2.4.3.1 Présentation du cas linéaire .........................................................................66 2.4.3.2 Discriminateur linéaire de Fisher.................................................................69 2.4.3.3 Décision entre plusieurs classes...................................................................71 2.5 - Evaluation des performances de la procédure ......................................................73 2.5.1. Critère de qualité..............................................................................................73 2.5.2. Méthodes de test ..............................................................................................74 2.6 - Exploitation du système de diagnostic...................................................................75 2.7 - Conclusion ..............................................................................................................75 CHAPITRE III : APPLICATION AU DIAGNOSTIC DE LA MACHINE ASYNCHRONE 3.1 - Introduction ............................................................................................................78 3.2 - Description du procédé...........................................................................................78 3.2.1 Présentation du banc moteur ............................................................................80 3.2.2 Moyens de mesures ..........................................................................................81 3.2.3 Différents modes de fonctionnement ...............................................................83 3.3 - Recherche de signatures.........................................................................................84 3.3.1 Prétraitement des signaux et calcul des paramètres .........................................86 3.3.1.1 Données temporelles....................................................................................86 3.3.1.1.1 Transformation triphasée – diphasée (axes , α β liés au stator).............. 87 3.3.1.1.2 Puissances................................................................................................. 88 3.3.1.1.3 Calcul sur s I α et s I β .............................................................................. 91 3.3.1.2 Données fréquentielles.................................................................................95 3.3.1.2.1 Analyse du courant stator ......................................................................... 95 3.3.1.2.2 Amplitude des raies aux fréquences caractéristiques................................ 96 3.3.1.2.3 Calcul énergétique .................................................................................... 99 3.3.1.3 Composantes directes et inverses ................................................................100 3.3.1.3.1 Impédance directe..................................................................................... 100 3.3.1.3.2 Impédance inverse .................................................................................... 101 3.3.2 Choix du vecteur forme....................................................................................102 3.3.2.1 Sélection par le critère de Fisher .................................................................104 3.3.2.2 Sélection par la méthode SBS .....................................................................106 3.3.3 Visualisation par analyse en composantes principales.....................................108 3.3.4 Conclusion........................................................................................................111 3.4 - Procédure de décision.............................................................................................112 3.4.1 Choix du vecteur forme....................................................................................113 3.4.2 Décision par la règle des k – ppv .....................................................................116 3.4.2.1 Phase d'exploitation : classification sans rejet.............................................121 3.4.2.2 Phase d'exploitation : classification avec rejet ............................................123 3.4.3 Décision à partir des frontières linéaires ..........................................................127 3.4.3.1 Résultats de classification............................................................................129 3.4.3.2 Extension à la notion de rejet ......................................................................132 3.4.4 Comparaison des procédures de décision.........................................................135 3.4.5 Cas de l'alimentation avec onduleur.................................................................135 3.4.6 Conclusion........................................................................................................139 CONCLUSION GENERALE ....................................................................................................141 BIBLIOGRAPHIE ..................................................................................................................146 NOTATIONS Notations liées uploads/Industriel/ these-ecl2003-40-casimirr.pdf