MOTEUR ASYNCHRONE TRIPHASE ET UN COURT-CIRCUIT ENTRE SPIRES STATORIQUES

INTRODUCTION

                  Les machines électriques tournantes sont largement répandues dans tous les secteurs industriels et commerciaux. Les machines asynchrones sont les plus fréquemment utilisées en raison de leur fiabilité et robustesse. Malgré ces avantages, quelques contraintes (défaillances) peuvent avoir lieu au cours de leur fonctionnement, ceux qui sont des enjeux majeurs pour assurer une compétitivité optimale de l’outil de production au sein d’une société industrielle. En ce moment, l’exigence en termes de fiabilité et de disponibilité sur les machines électriques ne cesse d’accroître non seulement chez les utilisateurs mais aussi chez les fabricants. Parmi les défaillances que peuvent avoir le moteur asynchrone, les défauts statoriques sont les plus rencontrés. C’est pourquoi, il est nécessaire de savoir les causes et les effets de ces anomalies sur le système. Ainsi, le présent travail permet de prévoir le comportement du moteur asynchrone triphasé lors d’un court-circuit entre spires. L’hypothèse fondamentale est d’assurer le diagnostic, la surveillance et la maintenance de la machine asynchrone pendant sa phase d’exploitation à partir de ses grandeurs physiques (courants, tensions, vitesse de rotation,…). Autrement dit, le suivi de l’évolution de ses paramètres caractéristiques est donc un excellent moyen pour réaliser sa surveillance (la sureté de fonctionnement). Dans ce mémoire, l’objectif est de :
 Décrire un modèle précis pour déterminer le comportement des différentes variables de la machine électrique en présence d’un défaut dans leur bobinage statorique.
 D’un point de vue opérationnel, évaluer le diagnostic (gravité du défaut) et la prise de décision ; l’arrêt immédiat ou la reconfiguration de la commande, pour limiter les effets du défaut.
 Elaborer un logiciel de simulation permettant de voir les grandeurs physiques liées à la machine en présence des défauts.

Méthodes de modélisation des machines asynchrones défaillantes

                      La modélisation de la machine asynchrone en présence de défaut peut se faire de différente manière, soit par la méthode :
 Des éléments finis ;
 Des réseaux de perméances ;
 Des circuits électriques magnétiques couplés.
Méthode des éléments finis La modélisation est basée sur le calcul de la répartition du champ magnétique, elle permet de décrire fidèlement des géométries complexes et de tenir compte des non linéarités des propriétés physiques dans les matériaux. La méthode est capable d’examiner l’effet de saturation et les effets d’harmoniques de l’espace. De plus, elle décrit les phénomènes localement, en particulier un défaut, elle donne ensuite une représentation globale vu du circuit électriques équivalent.
Méthode des réseaux de perméances Cette méthode est basée sur la décomposition du circuit magnétique de la machine électrique en tubes de flux élémentaires. Chaque tube est caractérisé par sa perméance qu’il se trouve dans le fer ou dans l’air. Cette approche permet de prendre en compte les caractéristiques du fer utilisé pour la construction de la machine.
Méthode des circuits électriques Tout circuit magnétique, qu’il soit statique ou dynamique peut être modélisé par un circuit électrique équivalent. Ce circuit fait intervenir des résistances, des inductances et des mutuelles inductances dont les valeurs peuvent être déterminées de différentes manières. Ces trois méthodes sont largement appliquées pour la modélisation et l’étude des machines électriques. Dans notre cas, la méthode des circuits électriques sera utilisée pour la suite car elle est rapide et prend très peu de temps de calcul.

Fonctionnement normal de la machine

 Simulation 1 : Démarrage suivi d’un régime permanent normal
 Démarrage : 0 à 0,40 [s]
Le courant de démarrage d’un moteur asynchrone est une caractéristique importante, il atteint jusqu’à quatre (4) à six (6) fois le courant nominal. Cette demande est due au couple de démarrage important (Figure 3-01). Comme la durée de manifestation est rapide, par conséquent l’échauffement excessif des enroulements n’est pas à craindre. De même, la valeur des courants rotoriques augmente en même temps avec celle des courants statoriques, étant donné que les courants rotoriques sont produits par induction dont l’origine est les courants statoriques (Figures 3-02 et 3-03). Pour que le moteur démarre, il faut que le couple qu’il développe au décollage soit supérieur au couple résistant. La figure 3-04 montre l’évolution du couple électromagnétique, il atteint un pic de 8,00 p.u., ne pas à craindre car c’est passagère. L’oscillation de ce couple peut être l’origine d’une vibration mécanique et d’un bruit. A t = 0,40 [s], le couple électromagnétique du moteur atteint son valeur nominale et constante, ce qui diminue la vibration et le bruit dans le système.

Fonctionnement du moteur en présence du défaut sur une phase

 Simulation 2 : Court-circuit de 10,00% de spires avec une résistance de contacte 10,00[𝛺] dans la phase « a » A t = 0 [s] : apparition du défaut
– Post-transitoire : 0 à 0,03 [s]
Les courants statoriques et rotoriques présentent une légère augmentation. Le couple et la vitesse subissent une variation soudain ; ces diverses variations que ce soit électriques ou mécanique sont presque minimes (Figures 3-06 à 3-011).
– Régime permanent
A 𝑡 = 0,03 [s], le moteur fonctionne en régime permanent avec défaut. On constate une augmentation immédiate des courants au niveau des enroulements statoriques et rotoriques. Le courant dans la phase comportant le court-circuit augmente de 0,20 p.u., soit 20,00% du courant maximal et qui est plus élevé que dans les deux autres phases. La surintensité de 1,20 p.u. illustre l’échauffement de la machine. Les courants d’alimentation du moteur sont déséquilibrés, vu les différences des amplitudes entre eux (Figure 3-06). L’asymétrie de ces courants donne naissance à l’apparition d’une onde électromagnétique inverse, ce qui justifie l’oscillation du couple et la vitesse développée par le moteur. Le taux de déséquilibre est presque faible puisque l’écart des modules des courants inducteurs est minime. Ainsi, une faible oscillation au niveau du couple et de la vitesse. Le couple moyen délivré diminue de 0,01 p.u. à la normale et le glissement augmente de 0,09 p.u. avec une faible oscillation (diminution et ondulation de la vitesse).
Constatation : La machine tourne encore ; mais compte tenue de l’énergie mécanique reçue, la compétitivité et le rendement de son exploitation vont être réduits. Il est donc impératif de repérer la présence de ce défaut à temps pour minimiser le risque à courir.
 Simulation 3 : Court-circuit de 10,00% de spires avec une résistance de contacte 0,50[𝛺] dans la phase « a » Pour avoir une comparaison par rapport à la simulation 2, on a varié la résistance de contacte à 0,50[Ω] pour un même nombre de spires court-circuité de 10,00%, dans la phase « a ». L’allure générale est presque similaire au résultat précédent, mais il y a quelque détail à préciser. La résistance de contacte influe le prolongement de la durée du post-transitoire (𝑡 = 0 à 0,05 [s]).
– Régime permanent avec défaut
A partir de 𝑡 = 0,05 [s], le courant dans la phase défectueuse accroit de 0,90 p.u. à la normale. L’intensité du courant qui circule dans la résistance fictive de défaut atteint jusqu’à 5,30 p.u.(Figure 3-13), ce qui n’est pas négligeable, or cette valeur est de 0,50 p.u. pour la simulation précédente. De plus, le taux de déséquilibre des courants est très important, vu que la différence de ces amplitudes et les déphasages ne sont plus respectés (Figure 3-12). Pour une durée prolongée, la tenue des isolants est à craindre car ces intensités (statoriques et rotoriques) sont quasiment importantes. L’accroissement des pertes thermique dans la machine diminue la puissance mécanique utile, c’est-à-dire qu’elle tourne moins vite par rapport à la normale ; d’où, l’allure observée au niveau du couple et du glissement (Figures 3-16 et 3-17).
Constatation : La machine peut encore fonctionner mais siège d’un échauffement permanent pouvant en suite causé une dégradation des isolants jusqu’à provoquer un défaut en chaine comme l’apparition d’un autre court-circuit. La gravité du problème est très remarquable que la simulation 2.
 Simulation 4 : Caractéristique mécanique du moteur à partir du glissement, en variant les paramètres de défaut
Les simulations 2 et 3 ont montré que la sévérité du défaut peut être évaluée par la résistance de contacte 𝑟𝑓. Par contre, la simulation 4 illustre l’influence de la variation simultanée des paramètres de défaut.
a. Résistance de contacte rf = 10,00[Ω]
b. Nombre de spire court-circuité ηa= 10,00%
La figure ci-dessus illustre le glissement du moteur dû à la variation de la résistance de contacte 𝑟𝑓 pour un nombre de spires court-circuité 10,00%. On a varié cette résistance en fonction de la résistance statorique RS (pour avoir une idée de référence). Plus la résistance fictive est petite, plus l’augmentation et la sinuosité du glissement sont importantes. L’instabilité du moteur s’accentue pour une faible valeur de 𝑟𝑓. Si cette grandeur prend une valeur nulle, autrement dit un court-circuit franc, le défaut est sévère ; comme montre la figure 3-19.

CONCLUSION

                   Il existe des différentes manières de modéliser la machine électrique comme l’approche analytique et l’approche numérique, cette dernière est constituée de la méthode des réseaux de perméances et la méthode des éléments finis. Par contre l’approche analytique est basée sur la modélisation du moteur sous forme de circuits électriques équivalents. Dans ce travail, l’approche analytique a été adoptée pour la modélisation de la machine asynchrone en présence de défaut de court-circuit entre spires. Au début de ce travail, un modèle de simulation qui est suffisamment précis pour déterminer rapidement le comportement des différentes variables de la machine asynchrone en présence d’un défaut, était établi. L’objectif était de définir un modèle le plus pertinent possible démontrant l’anomalie. Les variables mesurables telles que les courants, dans notre cas, peuvent fournir des informations significatives sur les défectuosités et ainsi servir à déterminer un ensemble de paramètres représentant les signatures de défaut du moteur. On peut dire que le modèle peut trouver son application dans les algorithmes de détection et de diagnostic des défauts statoriques. Les résultats du troisième chapitre permettent de déduire qu’un court-circuit entre phases conduit à un déséquilibre de système de courant statorique, ce qui provoque une répercussion directe sur le couple ainsi qu’à la vitesse de rotation du moteur. Un court-circuit entre spires de même phase entraine aussi une augmentation des courants statoriques dans la phase affectée et une légère variation de l’amplitude sur les autres phases et amplifie de manière significative les courants dans le circuit rotorique. Enfin, on a pu analyser les origines du défaut statorique qui se résume par la dégradation de l’isolant de l’enroulement statorique autrement l’isolation du bobinage ; ceci nous a permis d’exposer quelque recommandation de l’exploitation des machines électriques face à ces causes.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre premier : ETAT DE L’ART DE L’ETUDE DES DEFAILLANCES DANS LES MACHINES ELECTRIQUES
1.1 Constitution des machines asynchrones
1.2 Types des défauts dans les machines électriques
1.3 Répartition des défauts
1.4 Origines des défauts statoriques
1.5 Méthodes de modélisation des machines asynchrones défaillantes
1.5.1 Méthode des éléments finis
1.5.2 Méthode des réseaux de perméances
1.5.3 Méthode des circuits électriques
1.6 Analyses de surveillance des machines électriques
Chapitre deux : MATERIELS ET METHODES
2.1 Modèle électrique
2.1.1 Modèle électrique de la machine asynchrone sans défaut
a. Modèle d’un enroulement
b. Modèle d’une machine asynchrone
c. Equations des tensions
d. Equations des flux
2.1.2 Modèle électrique de la machine asynchrone en présence de court-circuit entre spires
a. Description du modèle
b. Vecteurs tension et courant
c. Expressions des éléments de la phase en défaut
d. La tension aux bornes de la phase court-circuitée
e. Equations des tensions régissant le moteur
f. Expressions de flux
2.1.3 Généralisation du modèle de court-circuit entre spires dans les différentes phases
2.2 Transformation de PARK
2.2.1 Matrice de PARK
2.2.2 Modèle du circuit électrique de la machine normale dans le repère (d, q, o)
2.2.3 Modèle du circuit électrique en présence du défaut dans une phase dans le repère (d, q, o)
2.3 Régime transitoire
2.3.1 Modélisation
2.3.2 Application de la transformation de PARK
a. Equations relatives au stator
b. Equations relatives au rotor
c. Equations mécaniques et cinématiques
d. Equation régissant le régime transitoire
2.4 Outils mathématiques
2.4.1 Système « per unit »
a. Grandeurs réduites tensions, courants et impédances
b. Equation de mouvement en valeurs relatives
c. Equation du couple résistant
2.4.2 Résolution numérique par la méthode de RUNGE-KUTTA 4 (RK4)
2.5 Caractéristiques de la machine d’étude
2.6 Organigramme pour les étapes de calcul
Chapitre trois : RESULTATS
3.1 Fonctionnement normal de la machine
3.2 Fonctionnement du moteur en présence du défaut sur une phase
a. Résistance de contacte rf = 10,00[Ω]
b. Nombre de spire court-circuité ηa= 10,00%
3.3 Fonctionnement du moteur en présence de défaut sur les différentes phases simultanément
Chapitre quatre : DISCUSSIONS ET RECOMMANDATIONS
4.1 Evaluation de l’influence de la résistance de contacte rf et du nombre de spires courtcircuitée
4.2 Analyse des origines de l’anomalie
4.3 Sécurisation et protection de l’installation
CONCLUSION
Bibliographie

Télécharger le rapport complet