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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université de Constantine Faculté des Sciences de l’Ingénieur Département d’Electrotechnique MEMOIRE Pour l’Obtention du diplôme de Magister en Electrotechnique Option: Modélisation et Commande des Machines électriques Présenté par BOUCHAREB Ilhem Ingénieur d’Etat en Electrotechnique de l’Université de Constantine Thème Modélisation & Simulation de Défauts D’une Machine Synchrone à Réluctance Variable Soutenu le, /11/2009 Devant le Jury composé de : Président : Aissa Bouzid Professeur Université de Constantine Rapporteur : Amar Bentounsi Maître de Conférences Université de Constantine Examinateur 1 : Hocine Benalla Professeur Université de Constantine Examinateur 2 : Abdesselam Lebaroud Maître de Conférences Université de Skikda Je commencerais par exprimer ma profonde gratitude envers mon encadreur M. Amar BENTOUNSI, enseignant au Dept. d’Electrotechnique de l’U.M.C., pour le sujet d’actualité qu’il m’a proposé et les précieux conseils qu’il n’a cessé de me prodiguer. Comme je tiens à remercier M. Abdesselam LEBAROUD, enseignant au Dept. d’Electrotechnique de l’Université de Skikda, pour son aide durant la mise en œuvre des méthodes de diagnostic dont il a la maitrise ! Je remercierai également tous les membres du jury de soutenance pour leur intérêt envers ma thématique et leur contribution pour enrichir ce travail, à savoir MM. Aissa Bouzid (Président), Hocine Benalla et A. Lebaroud (examinateurs). Je terminerais par rendre hommage à mes enseignants, tous cycles confondus ; sans oublier tous ceux et celles qui m’ont aidée et encouragée pour finaliser ce travail de recherche : MERCI ! _________________ REMERCIEMENTS SOMMAIRE i Table des matières Introduction générale …………………………………………………………………….. Chapitre (I) Le Diagnostic : Etat de l’Art ………………………………………… Introduction ……………………………………………………………………………… I. Généralités sur le diagnostic …………………………………………………………… I.1.Différentes notions utilisées en diagnostic……………………………………………. I.2.Diagnostic d’un système………………………………………………………………. I.3.Procédure de diagnostic………………………………………………………………. I.4.Types de défauts………………………………………………………………………. I.5.Caractéristiques souhaitables d’un système de diagnostic……………………………. I.6.Transformation des mesures dans un système de diagnostic…………………………. I.7.Classification des méthodes de diagnostic…………………………………………….. I.8.Différents types de maintenance………………………………………………………. I.9.Diagnostic appliqué aux machines…………………………………………………….. I.10.Grandeurs analysées………………………………………………………………….. II. Différents types de défauts dans les machines électriques…………………………….. II.1.Au niveau de la machine……………………………………………………………… II.2.Les défauts au niveau de l’onduleur…………………………………………………. II.3.Les origines des défauts……………………………………………………………… III. Analyse des défauts par la mise en œuvre de techniques de diagnostic appropriées…. III.1 Analyse fréquentielle………………………………………………………………… Conclusion ………………………………………………………………………………... Chapitre (II) Choix et Etude Théorique d’une Structure à Réluctance Variable…………………………... Introduction……………………………………………………………………………….. II.1.La machine à réluctance variable (MRV)…………………………………………….. II.2.La machine synchrone à réluctance (MSR)………………………………………….. Conclusion ……………………………………………………………………………….. Chapitre (III) Analyse par éléments finis (sous FEMM et Flux2D)……………… Introduction…………………………………………………………………… .…………… III.1. Choix et méthodes d’étude…………………………………………………………….. III.II. Les méthodes numériques ……………………………………………………………. III.3. Le principe du calcul par éléments finis …………………………………………. ….. ii 01 03 04 05 05 07 07 08 09 11 13 16 17 17 18 18 11 21 22 22 26 28 29 30 44 67 70 71 72 75 75 III.3.1.Le logiciel FEMM…………………………………………………………………… III.3.2.Le logiciel FLUX 2d…………………………………………………………………. III.4. Modélisation par élément finis………………………………………………………… III.4.1.Régime statique par la mise en œuvre du logiciel FEM……………………………… III.4.1.1.Définition et maillage de la structure d’une MRV 6/4 …………………………….. III.4.1.2.Définition et maillage de la structure d’une MSRV………………………………… III.4.2. Régime dynamique par la mise en œuvre du logiciel FLUX 2d……………………... III.4.2.1. LA MRV 6/4………………………………………………………………………. III.4.2.2. La MSRV avec un rotor Axialement Laminé……………………………………... III.5. Les défauts mécaniques………………………………………………………………… III.6. L’analyse spectrale……………………………………………………………………... Conclusion…………………………………………………………………………………… Chapitre (IV) Modélisation Commande et Simulation de Défauts sous Matlab/Simulink………………………………140 Introduction …………………………………………………………………………… … IV.1. Présentation de l'environnement MATLAB/SIMULINK™…………………… … IV.2.Modèle de simulation…………………………………………………………… ….. IV.3.Les équations électromagnétiques…………………………………………………… IV.4.Production du couple………………………………………………………………… IV.5.Modèle Linéaire de la MRV…………………………………………………………. IV.5.1.La stratégie de commande par hysteresis………………………………………….. IV.5.3. Simulation du régime linéaire sain…………………………………………. ……. IV.5.4. Simulation de défauts……………………………………………………………... IV.5.4.1. Le cas d’un court circuit monophasé………………………………………………. IV.5.4.2. Le cas d’un court circuit triphasé……………………………………………………. IV.5.4.3. Le cas d’un circuit ouvert………………………………………………………………. IV.5.5. Commentaire……………………………………………………………………… IV.6. Régime non linéaire………………………………………………………………… IV.6.1. Simulation………………………………………………………………………………………… IV.6.2. La technique de la commande en tension…………………………………………... IV.6.2.1.Topologie de l’onduleur……………………………………………………… …... IV.6.2.2. Le type des interrupteurs constituent l’onduleur ………………………………… IV.6.2.3. Le type de la commande appliqué ……………………………………………….. IV.6.2.4. La commande en tension………………………………………………………….. IV.6.4. Simulation du régime non linéaire sain…………………………………………… IV.6.5. Simulation avec défauts……………………………………………………………. IV.6.5.1. Le cas d’un court circuit monophasé 25% dans la phase a ……………………. IV.6.5.2. Le cas d’un court circuit triphasé………………………………………………... IV.6.5.3. Le cas d’un circuit ouvert…………………………………………………………. IV.6.5.4. Le cas d’un IGTB d’une phase tombe en panne…………………………………. IV.6.6. Simulation sain et en défauts en cas de commande en courant par hystéresis……… IV.6.7. Le cas sain…………………………………………………………………………… IV.6.8. Simulation de défauts………………………………………………………………… IV.6.8.1. Un court circuit monophasé 25 % dans la phase a………………………………….. IV.6.8.2. Le cas d’un court circuit triphasé 25%…………………………………………….. iii 76 77 78 78 78 85 91 91 113 131 133 137 141 141 142 142 143 144 145 148 151 151 154 156 158 159 162 163 163 164 165 166 169 172 172 174 176 177 180 181 183 184 187 IV.6.8.3. Le cas d’un circuit ouvert……………………………………………………… IV.6.9. Commentaire…………………………………………………………………… IV.7. Synthèse et Analyse spectrale de défauts par la FFT……………………………. IV.7. 1. Regime non linéaire………………………………………………………….. IV.7. 1.1. Commande en courant le cas d’un court circuit monophasé 25%…………. IV.7. 1.2. Commande en tension le cas d’un court circuit monophasé 25%…………… Conclusion……………………………………………………………………………….. Conclusion générale………………………………………………………………………... Annexe…………………………………………………………………………………. Annexe A…………………………………………………………………………………. Annexe B………………………………………………………………………………….. Annexe C……………………………………………………………………………………. Annexe D……………………………………………………………………………………. Annexe E……………………………………………………………………………………… 189 191 192 192 192 193 195 198 201 202 204 206 209 212 iiii 1 De part son impact et sa position stratégique dans tout processus industriel, la maintenance, dans sa conception moderne, ne peut plus se limiter à être corrective ou préventive mais se doit d’être prédictive. La surveillance des machines est devenue un art qui permet de diagnostiquer à temps et avec précision les défauts potentiels pour agir rapidement avant la « casse » ! Les convertisseurs électromécaniques d’énergie occupent une place de plus en plus importante dans les équipements industriels, surtout avec les nouvelles exigences en matière de traction électrique ou de conversion d’EnR qui requièrent des structures innovantes de machines. Si, de plus, ces dispositifs occupent une place critique dans le processus, ceci génèrera des contraintes sévères en termes de sûreté de fonctionnement et de disponibilité ; d’où la nécessité d’un diagnostic robuste d’éventuelles défaillances. Durant la dernière décade, les recherches dans ce domaine ont fait l’objet de nombreux travaux axés essentiellement sur la machine asynchrone. Ainsi, l’objectif du sujet de magister qui nous a été proposé serait d’appliquer ces méthodes éprouvées à d’autres structures de machines, types machines synchrones à reluctance (MSR) ou à reluctance variable (MRV). L’approche retenue est une approche signal permettant une analyse spectrale des signatures par FFT des défauts simulés (excentricité axe rotation, circuits ouverts/court-circuits des bobinages, des circuits de puissance des convertisseurs, …). INTRODUCTION GÉNÉRALE 2 Après étude théorique et modélisation de 2 topologies de machines (MSR et MRV) associées à leurs convertisseurs statiques (au début, le cahier de charges ne nous imposait que l’étude d’une seule machine type MSR !), nous avons simulé divers types de défauts : • numériquement, par la méthode des éléments finis (sous FEMM et Flux2D) ; • analytiquement, sous environnement Matlab/Simulink (en dynamique, linéaire et non- linéaire). Pour mener à terme ces objectifs, notre mémoire s’articule autour des 4 chapitres : I. Etat de l’Art (méthodes de diagnostic des machines électriques) II. Choix et étude théorique de structures de machines réluctantes (MSR et MRV) III. Analyse de défauts par éléments finis (sous FEMM et Flux 2D) IV. Simulation de défauts sous Matlab/Simulink (machine et convertisseur statique) Les résultats obtenus et commentés sont très encourageants, comme nous le montrerons tout au long des développements qui vont suivre. _________________________ 3 CHAPITRE : I LE DIAGNOSTIC : ETAT DE L’ART CHAPITRE I LE DIAGNOSTIC : ETAT DE L’ART 4 INTRODUCTION Le diagnostic de défauts des machines électriques est aussi ancien que les machines elles- mêmes. Chaque famille de machines possédant des caractéristiques différentes, les méthodes de diagnostic qui leur sont associées sont également différentes. De même, la puissance et le coût des machines à surveiller jouent un rôle important dans la méthode de diagnostic choisie. Grâce à leurs atouts, en termes de coût et de performances, les machines à réluctance variables trouvent actuellement de multiples applications dans la production d‘énergie électrique (éoliennes, alternateurs, …), la traction électrique (véhicules électriques, navires, …), … D’où notre intérêt pour ce type de machines et à leur diagnostic, lequel était jusque là réservé aux machines asynchrones. Ce chapitre est essentiellement consacré à l'état de l’art de la thématique de diagnostic. Nous avons scindé ce chapitre en trois parties: (i) la première concerne les différentes notions et définitions utilisées en diagnostic et système de diagnostic; (ii) la seconde partie analyse les différents types de défauts qui affectent les machines électriques ; (iii) la troisième partie est consacrée à la mise en œuvre des techniques de diagnostic appropriées, en l’occurrence l’analyse fréquentielle. CHAPITRE I LE DIAGNOSTIC : ETAT DE L’ART 5 I. Généralités sur le diagnostic [1] [2] De nos jours, les systèmes industriels modernes deviennent de plus en plus complexes et leurs commandes de plus en plus sophistiquées. En même temps, la fiabilité, disponibilité et sûreté de fonctionnement sont devenues très importantes ; elles constituent de véritables enjeux pour les entreprises actuelles. Le diagnostic des systèmes est apparu dans le but d’améliorer les points précédents. Terme peu répandu pour les domaines techniques, il uploads/Industriel/ tt-type-de-prot.pdf