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Nancy Université - Institut National Polytechnique de Lorraine ECOLE DOCTORALE

Nancy Université - Institut National Polytechnique de Lorraine ECOLE DOCTORALE « Informatique-Automatique-Electronique-Mathématiques » Département de Formation Doctorale « Electrotechnique-Electronique » Laboratoire « Groupe de Recherche en Electrotechnique et Electronique de Nancy » THESE Présentée à L’Institut National Polytechnique de Lorraine en vue de l’obtention du grade de DOCTORAT DE L’I.N.P.L Spécialité : Génie Electrique par Babak VASEGHI Ingénieur en Génie Electrique (Université Technique d’Isphahan) C CO ON NT TR RI IB BU UT TI IO ON N A A L L’ ’E ET TU UD DE E D DE ES S M MA AC CH HI IN NE ES S E EL LE EC CT TR RI IQ QU UE ES S E EN N P PR RE ES SE EN NC CE E D DE E D DE EF FA AU UT T E EN NT TR RE E- -S SP PI IR RE ES S M Mo od dé él li is sa at ti io on n – – R Ré éd du uc ct ti io on n d du u c co ou ur ra an nt t d de e d dé éf fa au ut t le 3 décembre 2009 devant la Commission d’Examen - Membres du Jury - G. BARAKAT Professeur à l’université du Havre Président C. ESPANET Professeur à l’université de Franche-Comté Rapporteur A. TOUNZI Professeur à l’université de Lille Rapporteur B. NAHID-MOBARAKEH Maître de Conférences à l’INPL Examinateur F. MEIBODY-TABAR Professeur à l’INPL Directeur de la thèse N. TAKORABET Maître de Conférences à l’INPL Co-directeur de thèse Groupe de Recherche en Electrotechnique et en Electronique de Nancy tel-00518228, version 1 - 16 Sep 2010 tel-00518228, version 1 - 16 Sep 2010 Remerciement Le travail exposé dans ce mémoire a été effectué au Groupe de Recherche en Electrotechnique et en Electronique de Nancy (GREEN), unité de recherche associée au CNRS (UMR 7037), au sein de l'Ecole Nationale Supérieure d'Electricité et de Mécanique (ENSEM) de Nancy. J’exprime mes sincères remerciements à M. Georges BARAKAT, Professeur à l’université du Havre, pour avoir accepté de juger ce travail et pour m’avoir fait l’honneur de présider le jury. Je remercie M. Abdelmounaïm TOUNZI, Professeur à l’université de Lille, ainsi que M. Christophe ESPANET, Professeur à l’université de Franche-Comté, d’avoir accepté de rapporter ce travail et pour l'intérêt qu'ils y ont porté. J’exprime mes vifs remerciements à M. Farid MAIBODY-TABAR, professeur à l'ENSEM, d’avoir encadré et dirigé ces travaux, et pour la confiance qu’il m’a accordé tout au long de cette thèse. Je remercie chaleureusement M. Noureddine TAKORABET, Maître de conférence à l'ENSEM, d’avoir co-encadré cette thèse, pour son enthousiasme et tous les précieux conseils qu'il a portés, des heures durant, sur ces travaux. Je remercie M. Babak NAHID-MOBARAKEH, Maître de conférence à l'ENSEM, pour sa disponibilité et ses aides pour effectuer les manipulation expérimental Je remercie également M. Shahrokh SAADAT pour m'avoir accueilli au sein du laboratoire. Je tiens également à exprimé tout ma gratitude au personnel du laboratoire pour leur gentillesse, leur aide, leur conseils et l'ambiance vécue tout au long de cette thèse et tout particulièrement les techniciens du laboratoire pour leurs précieux conseils techniques lors des réalisations pratiques liées à ce travail. Je remercie également, mes amis, pour leur aide dans la réalisation de ce travail, leur assistance et leur immense soutien moral et affectif pendant toutes ces années. Je suis immensément reconnaissant à mes parents, Ghaffar et simin, qui m’ont soutenu tout au long de ma vie. Je leur dois beaucoup. Qu’ils trouvent dans ce manuscrit toute ma reconnaissance et le signe que je suis enfin arrive au bout. Merci. Enfin Je remercie chaleureusement à ma femme, Sara, pour son soutien, ses encouragements constants et la patience dont elle a su s’armer tout au long de ces années. tel-00518228, version 1 - 16 Sep 2010 Sommaire INTRODUCTION GENERALE..................................................................... 1 I . CHAPITRE 1........................................................................................ 5 ETAT DE L’ART DE L’ETUDE DES DEFAILLANCES DANS LES MACHINES ELECTRIQUES........................................................................ 5 I.1 Introduction ........................................................................................................................................................ 6 I.2 Les défaillances dans les machines électriques................................................................................................. 6 I.2.1 Quelques statistiques................................................................................................................................... 7 I.2.2 Défaillances des roulements mécaniques.................................................................................................... 8 I.2.3 Défaillances au rotor................................................................................................................................... 9 I.2.4 Défaillances au stator................................................................................................................................ 11 I.3 Surveillance des machines électriques ............................................................................................................ 13 I.3.1 Des grandeurs mesurables et des signaux de défaut.................................................................................. 13 I.3.2 Approche signal ........................................................................................................................................ 14 I.3.3 Approche modèle...................................................................................................................................... 15 I.4 Défaut court-circuit entre-spires au stator..................................................................................................... 17 I.4.1 Définitions ................................................................................................................................................ 17 I.4.2 Influence d'un court-circuit sur les courants de ligne................................................................................ 17 I.5 Modélisation des défauts.................................................................................................................................. 18 I.5.1 Méthode des éléments finis....................................................................................................................... 19 I.5.2 Méthode des réseaux de perméance.......................................................................................................... 20 I.5.3 Méthode des circuits électriques............................................................................................................... 20 I.6 Modélisation interne des machines électriques par les méthodes d’éléments finis..................................... 23 I.6.1 Equations de Maxwell............................................................................................................................... 23 I.6.2 Calcul des grandeurs externes................................................................................................................... 25 I.6.3 Détermination des paramètres électriques................................................................................................. 27 I.6.4 Calcul de champ par la méthode d’éléments finis..................................................................................... 27 I.7 Conclusion......................................................................................................................................................... 28 II . CHAPITRE 2...................................................................................... 29 MODELISATION DES MACHINES SYNCHRONES A AIMANTS EN PRESENCE DE DEFAUT ENTRE-SPIRES............................................... 29 II.1 Introduction ................................................................................................................................................. 30 II.2 Structure des machines à aimants considérées.......................................................................................... 32 tel-00518228, version 1 - 16 Sep 2010 II.3 Modélisation par méthode couplée éléments finis - circuits électriques.................................................. 34 II.3.1 Hypothèses du modèle couplé avec éléments finis 2D ............................................................................. 34 II.3.2 Modèle de le MSAP par méthode éléments finis...................................................................................... 35 II.3.3 Résultat du modèle élément finis et Validation du modèle....................................................................... 40 II.4 Modèle circuit électrique de MSAP............................................................................................................ 42 II.4.1 Hypothèses considérée pour la modélisation ............................................................................................ 42 II.4.2 Modèle circuit électrique de la machine saine .......................................................................................... 44 II.4.3 Modèles circuit électrique d’une MSAP en présence de défaut................................................................ 47 II.4.4 Méthodes d’identification des paramètres du modèle circuit électrique ................................................... 53 II.5 Etude de comportement de la MSAP en présence de défaut.................................................................... 65 II.5.1 Analyse des composantes harmoniques des courants ...............................................................................66 II.5.2 Analyse des composantes symétriques des courants................................................................................. 68 II.5.3 Influence du nombre de spires en défaut................................................................................................... 69 II.5.4 Analyses des ondulations de couple.......................................................................................................... 72 II.6 Conclusion .................................................................................................................................................... 73 III . CHAPITRE 3...................................................................................... 75 MODELISATION DES MACHINES ASYNCHRONES EN PRESENCE DE DEFAUT ENTRE-SPIRES ......................................................................... 75 III.1 Introduction ................................................................................................................................................. 76 III.2 Construction du moteur asynchrone à cage .............................................................................................. 76 III.2.1 Le stator................................................................................................................................................ 77 III.2.2 Le rotor................................................................................................................................................. 78 III.3 Modèle couplé élément finis - circuit électrique pour la machine asynchrone....................................... 78 III.3.1 Analyse du champ................................................................................................................................ 82 III.3.2 Résultats du Modèle élément finis et validation expérimentale ........................................................... 84 III.4 Modèle circuit électrique............................................................................................................................. 86 III.4.1 Hypothèses considérées pour le modèle circuit électrique de la MAS................................................. 86 III.4.2 Modèle circuit électrique de la machine saine...................................................................................... 87 III.4.3 Modèle circuit électrique avec défaut................................................................................................... 91 III.4.3.3 Mise sous forme d’état ............................................................................................................................ 95 III.4.3.4 Identification des paramètres par la méthode d’éléments finis................................................................. 96 III.4.3.5 Validation du modèle circuit électrique par la méthode d’éléments finis................................................ 98 III.5 Etude de comportement de la MAS avec défaut entre spires .................................................................. 99 III.5.1 Analyse des composantes harmoniques des courants de phase.......................................................... 100 III.5.2 Analyse des composantes symétriques des courants.......................................................................... 102 III.5.3 Etude de l’influence les spires en défaut............................................................................................ 103 III.5.4 Analyses des ondulations du couple................................................................................................... 104 III.6 Conclusion .................................................................................................................................................. 105 IV . CHAPITRE IV ............................................................................... 107 EFFET DE LA SEGMENTATION DES AIMANTS SUR LA REDUCTION DU COURANT DE COURT-CIRCUIT...................................................... 107 IV.1 Introduction ............................................................................................................................................... 108 tel-00518228, version 1 - 16 Sep 2010 IV.2 Principe de la méthode de limitation du courant de court-circuit......................................................... 109 IV.1.1. Analyse du champ et de l’induction magnétiques.............................................................................. 112 IV.1.2. Analyse de couple .............................................................................................................................. 114 IV.3 Moteur à aimants permanents standard.................................................................................................. 116 IV.4 Moteur à aimants segmentés..................................................................................................................... 120 IV.5 Discussion et comparaison des résultats .................................................................................................. 126 IV.6 Application de la méthode à une machine à 5 phases............................................................................. 127 IV.7 Conclusion .................................................................................................................................................. 133 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES.................................................... 140 ANNEXES................................................................................................ 152 tel-00518228, version 1 - 16 Sep 2010 Introduction générale 1 Introduction générale tel-00518228, version 1 - 16 Sep 2010 Introduction générale 2 Dans de nombreux secteurs industriels, la sûreté de fonctionnement est un enjeu majeur pour assurer une compétitivité optimale de l’outil de production. Le diagnostic des défaillances de systèmes industriels, lorsqu’il est réalisé avec efficacité, représente un des moyens pour contribuer à obtenir un meilleur gain de productivité. Sa vocation première est de détecter et de localiser une défaillance des matériels. Les machines électriques sont très présentes dans de nombreux processus et leur surveillance est devenue un souci permanent particulièrement dans les systèmes embarqués. Les défauts dans les machines électriques peuvent être d’origine mécanique (excentricité du rotor, défaut sur les accouplements, usure des roulements,…), électrique (court circuit du bobinage statorique, rupture de barre ou d’anneau,…) ou magnétique (défaut d’isolement entre les tôles statoriques). Les variables mesurables telles que les courants, les tensions, la vitesse ou bien encore la température peuvent fournir des informations significatives sur les défauts et ainsi servir à déterminer un ensemble de paramètres représentant les signatures de défauts du moteur. La modélisation des défauts dans les systèmes industriels et particulièrement les défauts d’ordre électriques, est une première étape nécessaire pour prédire le comportement du système en présence d’un défaut ou dès son apparition. Cette prédiction est nécessaire pour diverses raisons que nous allons présenter de manière non exhaustive. • La prédiction théorique des comportements des systèmes électriques et particulièrement des machines électriques, permet uploads/Litterature/ these-ensem.pdf