Titre de l'invention : Dispositif de détection d'un défaut de court-circuit dans un enroulement d'une machine électrique

Domaine Technique

La présente invention se rapporte au domaine général de la détection d'un court- circuit dans un enroulement d'une machine électrique, et plus particulièrement la détection d'un court-circuit entre les spires des enroulements.

Technique antérieure

Les enroulements des machines électriques sont constitués de fils émaillés. L'émail ainsi que le vernis d'imprégnation constituent une isolation qui dans certains cas peut être défaillante. Cela peut entraîner un court-circuit qui apparaît localement et génère un échauffement local qui peut entraîner la fusion du cuivre. Il est donc indispensable de protéger la machine électrique dès qu'un tel défaut est constaté. Par ailleurs, de plus en plus de machines à aimants permanents sont utilisées et il devient de plus en plus difficile de désamorcer le court-circuit par une commande. Il est donc indispensable de détecter rapidement un tel défaut pour en minimiser les conséquences.

Dans l'art antérieur, les méthodes de détection sont basées sur l'analyse des signaux de courant ou de tension. Les courants mesurés sont analysés avec des techniques de traitement du signal pour détecter des harmoniques caractéristiques de chaque type de défaut. Ces méthodes ont l'avantage de ne nécessiter aucun équipement particulier au sein de la machine électrique et de pouvoir identifier la nature du défaut. Néanmoins, les informations sont difficiles à différencier du fonctionnement normal de la machine électrique, car celui-ci présente déjà beaucoup d'imperfections. De plus, chaque machine électrique a sa propre « signature » et il est difficile de généraliser ces méthodes à plusieurs machines.

Les autres méthodes connues consistent à implémenter des capteurs de température au sein des enroulements de la machine électrique pour détecter un échauffement. Néanmoins, cela nécessite un nombre de capteurs important en raison du caractère très localisé de réchauffement.

Il est donc souhaitable de disposer d'un dispositif de détection rapide et sensible d'un court-circuit entre les spires d'un enroulement d'une machine électrique.

Exposé de l'invention

L'invention concerne un ensemble d'une machine électrique comprenant au moins une phase comportant deux voies électriques en parallèle, chaque voie électrique d'une même phase comportant un enroulement, les premières voies électriques de toutes les phases étant connectées à un même premier nœud électrique et les deuxièmes voies électriques de toutes les phases étant connectées à un même deuxième nœud électrique et de moyens de détection d'un court-circuit entre au moins deux spires d'un enroulement d'une phase, caractérisé en ce que la machine électrique comprend un fil équipotentiel reliant électriquement les premier et deuxième nœuds électriques et un capteur de courant configuré pour mesurer un courant électrique circulant dans le fil équipotentiel, et en ce que les moyens de détection sont configurés pour comparer le courant électrique mesuré par le capteur de courant à un seuil de détection égal à au moins deux fois un courant résiduel circulant dans le fil équipotentiel en l'absence de court-circuit entre des spires desdits enroulements.

En mesurant le courant électrique circulant dans le fil équipotentiel, le capteur de courant mesure en particulier le courant électrique de circulation entre les deux voies électriques d'une même phase. De plus, grâce au placement de ce fil équipotentiel reliant les deux nœuds électriques, on peut mesurer le courant de circulation entre les deux voies de toutes les phases. En effet, comme les deux voies électriques en parallèle au sein d'une même phase ont une tension identique, en fonctionnement normal, c'est-à-dire en l'absence de défaut de la machine électrique, le capteur mesure un courant électrique nul ou très faible (présence d'un bruit résiduel en pratique inférieur à 5 % du courant nominal de la machine) car les deux voies en parallèle des phases sont parcourues par un flux magnétique identique à chaque instant. Si un court-circuit a lieu entre les spires d'un enroulement de n'importe quelle voie électrique d'une phase, cela a pour effet d'entraîner un déséquilibre en tension entre les deux voies de la phase concernée, puisque le court- circuit entre deux spires dans une voie électrique se traduit par un nombre réduit de spires (une spire en moins) dans cette voie, et que de plus, le court-circuit a pour effet de réduire le flux dans la voie qui présente le défaut (application de la loi de Lenz). La tension induite résultant du produit du nombre de spires et du flux (loi de Faraday) est donc réduite dans la voie qui présente le défaut. Dans ce cas, le capteur mesurera l'apparition d'un courant significatif, notamment un courant au moins deux fois supérieur au courant résiduel du fonctionnement normal, c'est-à- dire en l'absence de court-circuit entre spires.

Le placement du capteur de courant au niveau du fil équipotentiel permet ainsi de pouvoir détecter un défaut de court-circuit entre les spires des enroulements de la machine électrique. De plus, grâce à ce fil équipotentiel, on n'a besoin que d'un seul capteur de courant pour détecter les courts-circuits entre les spires dans toutes les phases de la machine électrique. Ainsi, la machine électrique de l'invention comprend un moyen de détection de court-circuit peu encombrant, rapide et sensible par rapport à une solution comme précédemment exposée nécessitant d'intégrer des capteurs de température en nombre suffisant et efficaces que s'ils sont placés proches du défaut.

De plus, ce capteur de courant ne nécessite pas de prévoir des moyens de traitement complexes pour détecter un court-circuit. Il suffit juste de détecter l'augmentation de courant électrique mesuré pour détecter le court-circuit. Si l'on souhaite, il sera possible d'ajouter des moyens de filtrage pour améliorer la qualité des mesures de courant.

Selon une caractéristique particulière de l'invention, le capteur de courant est un transformateur de courant et le fil équipotentiel est placé au centre du transformateur de courant.

Cela permet d'obtenir une machine électrique dotée d'un moyen de détection de court-circuit compact. Comme le courant mesuré est quasi nul en l'absence de défaut électrique, le fil équipotentiel a besoin d'être dimensionné pour supporter un courant de l'ordre du courant nominal de la machine pendant seulement le temps de la mesure et de la détection qui pourra être inférieur à la seconde. Ainsi, le fil équipotentiel est dimensionné pour un calibre de courant beaucoup plus faible que le fil des enroulements de la machine électrique. Il a par exemple une section quatre fois plus faible que l'enroulement d'une des voies électriques.

Un autre objet de l'invention est un procédé de détection d'un court-circuit dans une machine électrique selon l'invention comprenant la mesure d'un courant électrique circulant dans le fil équipotentiel, la détermination d'un courant électrique résiduel circulant dans le fil équipotentiel, et la détection d'un court-circuit si le courant électrique mesuré devient supérieur à un seuil de détection égal à au moins deux fois le courant électrique résiduel déterminé.

Comme expliqué précédemment, en cas de court-circuit entre les spires de la première voie électrique d'une des phases de la machine électrique, l'augmentation du courant électrique mesuré par rapport au courant électrique résiduel permet de détecter ce court-circuit. Le seuil de détection, au moins deux fois supérieur au courant électrique résiduel déterminé permet d'assurer une détection fiable des courts-circuits, c'est-à-dire sans erreurs de détection liées au bruit résiduel dans la machine électrique considérée, le facteur deux constituant une marge suffisante par rapport au courant résiduel (bruit résiduel) pour considérer que si le courant dépasse ce seuil il y a bien un défaut avéré de court-circuit dans la machine électrique.

Selon une caractéristique particulière de l'invention, le courant électrique résiduel est déterminé en usine.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. [Fig. 1] La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, une machine électrique et des moyens de détection d'un court-circuit entre les spires de la machine selon un mode de réalisation de l'invention.

[Fig. 2] La figure 2 représente, de manière schématique, un procédé de détection d'un court-circuit entre deux spires dans la machine électrique de la figure 1 selon un mode de réalisation de l'invention.

Description des modes de réalisation

La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, l'ensemble comprenant une machine électrique 1000 et des moyens de détection d'un court-circuit entre au moins deux spires d'un enroulement d'une phase de la machine 1000 selon un mode de réalisation de l'invention.

La machine électrique 1000 comprend trois phases 100, 200 et 300.

La première phase 100 comprend deux voies électriques 101 et 102. Chaque voie 101 et 102 comprend un enroulement 111, 112. En entrée de la phase 100, un courant 1101+1102 circule, puis dans la première voie 101, le courant 1101 circule tandis que dans la deuxième voie 102, le courant 1102 circule.

La deuxième phase 200 et la troisième phase 300 comprennent également deux voies électriques 201, 202 et 301, 302 comme la première phase 100. Tout comme la première phase 100, en entrée des phases 200 et 300, un courant circule, puis se divise entre les deux voies 201, 202 et 301, 302 des deux phases 200 et 300. Ainsi, le courant 1201 circule dans la voie 201, le courant 1202 circule dans la voie 202, le courant 1301 circule dans la voie 301 et le courant 1302 circule dans la voie 302.

Chaque première voie électrique 101, 201, 301 des trois phases 100, 200, 300 est connectée à un même premier nœud électrique 10, et chaque deuxième voie électrique 102, 202, 302 des trois phases 100, 200, 300 est connectée à un même deuxième nœud électrique 20.

La machine électrique 1000 comprend également un fil équipotentiel 400 reliant électriquement les premier 10 et deuxième 20 nœuds électriques. La machine 1000 comprend un capteur de courant 500 configuré pour mesurer un courant électrique (1101 + 1201 + 1301) - (1102 + 1202 + 1302) susceptible de circuler dans le fil équipotentiel 400.

La détection d'un court-circuit dans la machine électrique en fonctionnement est basée sur la mesure de courant dans le fil équipotentiel 400 par le capteur de courant 500. Selon l'invention, cette mesure de courant par le capteur 500 est comparée à un seuil de détection prédéterminé, qui est au moins égal à deux fois la valeur de courant résiduel mesurable en l'absence de défaut électrique.

La détection d'un défaut de court-circuit permet une mise en sécurité de la machine électrique 1000, par exemple une mise en court-circuit de toutes les phases 100, 200, 300 afin de réduire le courant de court-circuit entre les spires et/ou un arrêt de la machine électrique par déconnexion mécanique du rotor.

En fonctionnement normal de la machine 1000, les deux voies (101, 102), (201, 202) et (301, 302) au sein d'une même phase 100, 200 et 300 ont la même tension induite à leurs bornes car elles sont parcourues par un flux magnétique de même valeur à chaque instant comme c'est l'usage lors d'une mise en parallèle. Le courant (1101 + 1201 + 1301) - (1102 + 1202 + 1302) circulant dans le fil équipotentiel 400 est donc nul ou quasi-nul, la présence d'un courant résiduel ou bruit étant possible. Ce courant résiduel est en pratique inférieur à 5 % du courant nominal de la machine électrique 1000. Ainsi, en fonctionnement normal de la machine électrique 1000, le courant (1101 + 1201 + 1301) - (1102 + 1202 + 1302) mesuré par l'unique capteur de courant 500 est nul, ou quasi-nul.

Si un court-circuit se produit entre les spires d'un des enroulements 111, 112, 211, 212, 311, 312, le courant (1101 + 1201 + 1301) - (1102 + 1202 + 1302) mesuré par le capteur de courant 500 ne sera plus nul et l'augmentation de courant mesurée par le capteur 500 permet de détecter le court-circuit.

Par exemple, dans le cas où un court-circuit apparaît entre les spires d'un des enroulements 111, 112 de la première phase 110, un courant de circulation non nul 1101 - 1102 apparaît entre les voies 101 et 102. Il est représenté en pointillés sur la figure 1. Le courant mesuré (1101 + 1201 + 1301) - (1102 + 1202 + 1302) par le capteur 500 est alors égal à 1101-1102. Ce courant mesuré par le capteur est comparé au seuil de détection, permettant la détection d'un défaut de court-circuit et la mise en sécurité de la machine électrique le cas échéant.

Cette détection selon l'invention est réalisée grâce à l'ajout d'un unique fil équipotentiel 400 et d'un unique capteur de courant 500 mesurant le courant circulant dans ce fil 400, et par une comparaison basée sur un seuil de détection déterminé par rapport au courant résiduel mesurable dans le fil 400 en l'absence de défaut électrique, supérieur à au moins deux fois ce courant résiduel, assurant une détection fiable. Le fil équipotentiel 400 et le capteur de courant 500 forment ainsi un moyen de détection d'un court-circuit entre au moins deux spires d'un enroulement d'une phase de la machine électrique 1000.

La machine électrique 1000 ayant N spires par phase, un court-circuit entre deux spires dans une voie électrique se traduit par un déséquilibre de nombre de tours dans la proportion 1/N. Le courant dans le fil équipotentiel 400 en cas de défaut sera donc d'autant plus élevé que le nombre de spires par phase est faible. L'invention est ainsi notamment applicable à des machines dont le nombre de spires par phase N est peu élevé, par exemple inférieur ou égal à 50.

Par exemple, et en référence à la figure 1, si les enroulements des voies électriques d'une phase comprennent chacun 20 spires, alors en cas de court-circuit entre deux spires de l'un de ces enroulements, la voie électrique concernée n'aura plus de 19 spires, d'où un déséquilibre de nombre de spires de 5 %. Les tensions induites seront donc différentes dans les deux voies en parallèle de ce seul fait du nombre de spires différents accentué par le fait que le flux magnétique dans la voie ayant le défaut sera lui aussi réduit par l'effet du courant dans la spire en court-circuit conformément à la loi de Lenz. Par suite le courant de circulation mesuré par le capteur de courant est alors significativement plus élevé que le courant résiduel déterminé, en fonctionnement normal, ce qui permet de fixer un seuil de détection de défaut de court-circuit au moins deux fois plus élevé que le courant résiduel déterminé pour la machine électrique, le facteur deux constituant une marge suffisante par rapport au courant résiduel pour considérer que si le courant dépasse ce seuil il y a bien un défaut avéré. La figure 2 représente de manière schématique un procédé 2000 de détection d'un court-circuit entre deux spires dans une machine électrique de l'invention, par exemple dans la machine électrique 1000 de la figure 1.

Le procédé 2000 comprend la mesure 2010 du courant électrique Imesure (ou du courant (1101 + 1201 + 1301) - (1102 + 1202 + 1302) selon les références de la figure 1) circulant dans le fil équipotentiel 400, la détermination 2020 du courant résiduel I _reS iduei circulant dans le fil équipotentiel 400 et la détection 2030 d'un court- circuit lorsque Imesure est deux fois supérieur à I _reS iduei- Autrement dit, le seuil de détection est au moins égal à deux fois I _reS iduei-

Le courant Iresiduei correspond au bruit résiduel circulant dans le fil équipotentiel 400 en fonctionnement normal de la machine électrique 1000, et comme expliqué en référence à la figure 1, ce courant résiduel I _reS iduei est nul ou quasi-nul, dans tous les cas inférieur en moyenne à 5 % du courant nominal dans la machine électrique 1000. Ce courant résiduel est une caractéristique mesurable de la machine électrique considérée. Notamment, la détermination de ce courant Iresiduei (étape 2020) peut avantageusement être réalisée lors d'essais de caractérisation du prototype de la machine électrique considérée. La valeur I _reS iduei déterminée pour le prototype est la valeur Iresiduei caractéristique des machines électriques correspondant à ce prototype. En variante, on peut prévoir de mesurer I _reS iduei sur chaque machine électrique avant sa mise en service. Autrement dit, le courant résiduel I _reS iduei peut être déterminé en usine.

Différents modes de réalisation de la détection et notamment de la comparaison du signal de mesure de courant fourni par le capteur à un seuil de détection défini peuvent être envisagés selon toute technique hardware ou software connue de l'homme de l'art. Dans le cas d'une réalisation software, le courant résiduel mesuré pour la machine électrique (lors d'essais sur un prototype ou sur la machine elle- même) est un paramètre de la machine par exemple mémorisé dans un registre ou une mémoire de moyens de contrôle de la machine électrique. Dans le cas d'une réalisation hardware, le circuit de comparaison est conçu pour assurer la détection d'un courant supérieur à un seuil de détection défini, supérieur à au moins deux fois le courant résiduel déterminé pour la machine électrique considérée. Quel que soit le mode de réalisation, la machine électrique 1000 peut également comprendre un dispositif fusible configuré pour limiter réchauffement du fil équipotentiel 400 lors d'un court-circuit dans les phases 100, 200, 300 de la machine. La machine électrique 1000 a été décrite avec trois phases, mais elle peut plus généralement comprendre N phases, avec N un entier supérieur ou égal à 1.