Domaine technique et état de l'art

L'invention concerne une installation de diagnostic électrique d'une machine électrique telle qu'un moteur ou une génératrice. De telles machines électriques sont utilisées dans presque tous les systèmes d'entraînement et notamment dans les éoliennes.

Fabriquées dans des quantités de plus en plus importantes, ces machines électriques sont de plus en plus sujettes à des défauts, en particulier des défauts électriques qui peuvent apparaître au fil de l'utilisation de ces machines électriques. Les défauts électriques tels que des court-circuits entre spires des enroulements électriques des machines électriques sont susceptibles de dégénérer en panne rendant inutilisables les machines. Pour des applications telles que les éoliennes, installées le plus souvent dans des milieux hostiles ou bien loin de toute compétence de dépannage adéquate, on cherche donc des moyens de diagnostic efficace pour se prémunir des défauts électriques et effectuer des opérations de maintenance préventive.

Aujourd'hui, l'analyse et le suivi des courants statoriques dans le temps est l'une des méthodes les plus utilisées pour la détection de défaut dans les machines électriques. Elle se base sur la comparaison des courants statoriques avec des signatures de défaut obtenues sur banc d'essai et mémorisées. Cependant, cette technique est difficile à mettre en oeuvre car elle suppose d'équiper les machines de moyens de mesure spécifiques des courants. De plus, cette technique n'est efficace qu'en présence d'un réseau de distribution d'énergie non pollué ; or les réseaux sur lesquels sont connectés de plus en plus de sources d'énergie renouvelables sont de plus en plus pollués en harmoniques et présentent parfois des déséquilibres importants entre les différentes phases du réseau. De même, les caractéristiques internes de certaines machines, notamment leur possible faible inertie, les rendent plus vulnérables aux perturbations externes apportées par le réseau, ce qui rend l'analyse des courants statoriques plus difficile et plus complexe. Enfin, la mise en œuvre de la méthode peut nécessiter des moyens de stockage de données importants notamment pour mémoriser une multiplicité de signatures de défaut, et des moyens de calculs importants pour comparer à la volée une mesure de courant avec les signatures mémorisées. II y a donc un réel besoin d'un outil de diagnostic électrique des machines électriques en fonctionnement, plus facile à mettre en place, plus efficace sur le plan de la détection et / ou nécessitant moins de moyens de calculs et moins de moyens de mémorisation.

Description de l'invention L'invention propose un nouveau procédé de diagnostic de défaut électrique sur une machine électrique, caractérisé en ce qu'il est basé sur une étude en fréquence d'un signal acoustique temporel représentatif du bruit émis par la machine lors de son fonctionnement. De manière fortuite, les inventeurs ont constaté lors d'essais d'une part que le spectre de fréquences du signal acoustique correspondant au bruit émis par une machine électrique en cours de fonctionnement se superpose au spectre de fréquences d'un courant circulant dans un enroulement de ladite machine, et d'autre part que le spectre de fréquences du signal acoustique et le spectre de fréquences du signal temporel du courant se déforment de manière similaire par la présence d'harmoniques additionnels à des fréquences caractéristiques lorsqu'un défaut électrique, dans les essais un court-circuit, naît et se développe dans un enroulement de la machine électrique.

Partant du constat que le signal acoustique et le courant circulant dans les enroulements en court-circuit évoluent de manière similaire dans le temps, il devient possible de détecter un défaut électrique sur la machine par l'analyse du signal acoustique émis par la machine pendant son fonctionnement. La mesure d'un signal acoustique étant beaucoup plus facile à réaliser qu'une mesure de courant dans un enroulement d'une machine électrique, comme on le verra mieux plus loin, la détection de défaut peut être réalisée plus facilement et avec plus de précision.

Cette constatation de la superposition du signal acoustique et du courant circulant dans les enroulements a été expliquée par les inventeurs et corroborée par une étude théorique et des essais de la manière suivante. Une machine asynchrone ne présentant pas de défaut et une machine asynchrone présentant un défaut de type court- circuit entre spires d'un enroulement statorique ont été modélisées. La machine a été modélisée de manière classique à partir d'une représentation physique de la géométrie de son circuit magnétique et de ses enroulements. Le court-circuit entre spires a été modélisé par une résistance de contact Rk entre deux spires d'un enroulement statorique, résistance de contact d'impédance variable dans le temps en fonction de l'évolution du défaut ; à titre indicatif, et pour la machine étudiée, Rk est choisie entre quelques dizaines d'Ohm (apparition du court circuit) et zéro (court-circuit franc), des valeurs intermédiaires de Rk étant choisies pour simuler l'évolution dans le temps du défaut.

Puis, pour la machine saine comme pour la machine présentant un défaut, l'évolution dans le temps des courants statoriques a été calculée et simulée. Des essais avec des mesures de courants statoriques sur une machine réelle de test saine puis mise en court-circuit ont permis de valider les formules de courant calculées par superposition des représentations fréquentielles des courants mesurés et des courants calculés. Sur les courants calculés, l'application d'une démodulation utilisant une transformée de Hilbert puis d'une méthode dite « Multi-input signal processing » utilisant une transformée de Park a permis de calculer la fréquence et l'amplitude des harmoniques présents dans les courants et de les classer selon leur origine ; ont notamment été identifiés :

• des harmoniques impairs, à des fréquences égales à m*fo, m étant un nombre entier impair et fo étant la fréquence du réseau d'alimentation : ces harmoniques correspondent pour partie à une pollution présente sur le réseau d'alimentation et pour partie à des bruits dus à la configuration des enroulements de la machine ; cette pollution et ces bruits se retrouvent dans les courants circulant dans les enroulements et dans le signal acoustique correspondant ; ces harmoniques sont présents qu'il y ait ou non défaut électrique

• des harmoniques à des fréquences fcc = (k + (l-s)*n/p)*fo, fo étant la fréquence du réseau électrique alimentant la machine, p étant le nombre de paires de pôles de la machine, s étant le glissement de la machine, k étant un nombre entier impair et n étant un nombre entier pair ; ces harmoniques sont présents uniquement lorsque la machine présente un défaut électrique, et leur amplitude augmente avec l'importance du défaut présent ; l'expérience a montré que les harmoniques à des fréquences supérieures à quelques centaines de Hz (10*fo environ pour la machine étudiée et testée) ont une amplitude assez faible et peuvent en conséquence être négligés ; identifier les harmoniques en dessous de cette valeur est ainsi suffisant pour un diagnostic fiable d'un défaut électrique ;

• des harmoniques proches des harmoniques pairs et correspondant à des vibrations mécaniques de la machine, vibrations provoquées par la présence d'un défaut électrique et susceptibles d'accélérer une dégradation de la machine ; ces harmoniques sont présents uniquement lorsque la machine présente un défaut électrique, et leur amplitude augmente avec l'importance du défaut présent. Cette étude théorique, validée par des tests, a ensuite permis de définir un procédé de diagnostic d'une machine électrique comprenant les étapes suivantes consistant à :

• déterminer un spectre de fréquences d'un signal acoustique émis par une machine électrique en fonctionnement,

• rechercher dans le spectre déterminé d'éventuelles fréquences prédéfinies caractéristiques d'un défaut électrique,

• signaler un défaut électrique si au moins une fréquence prédéfinie caractéristique d'un défaut électrique est détectée.

La détermination du spectre de fréquences du signal acoustique peut comprendre l'identification des fréquences des harmoniques présents dans le signal acoustique, par exemple en appliquant au signal acoustique une Transformée de Fourier Rapide, une Transformée de Fourier à Court Terme ou une Transformée en Ondelette Continue. Les fréquences prédéfinies à chercher ont par exemple été définies préalablement par une étude théorique de la machine électrique surveillée. La recherche des fréquences prédéfinies est effectuée directement dans le spectre de fréquences du signal acoustique. Avec l'invention, il n'est donc pas nécessaire de comparer le signal acoustique et / ou le spectre de fréquences dudit signal acoustique avec un signal acoustique de référence correspondant à la machine à surveiller et / ou un spectre de fréquences du signal acoustique de référence de la machine à surveiller. Le procédé selon l'invention ne nécessite donc pas de signal acoustique de référence spécifique à la machine à surveiller et ne nécessite donc pas d'étape d'initialisation pour la mesure d'un signal acoustique de référence lié à la machine à surveiller. Les résultats fournis par le procédé selon l'invention sont ainsi totalement indépendants de l'état de la machine au moment de la mise en œuvre du procédé. Ceci est d'autant plus intéressant qu'il ne peut être totalement garanti qu'une machine électrique, même neuve, soit exempte de défaut électrique.

La mise en œuvre du procédé selon l'invention nécessite d'avoir une mesure du signal acoustique émis par une machine électrique à diagnostiquer. Aussi, selon un mode de mise en œuvre du procédé, peut être prévue une étape consistant à mesurer un signal acoustique émis par une machine électrique en fonctionnement, l'étape de mesure étant réalisée préalablement à l'étape de détermination du spectre de fréquences dudit signal acoustique. Selon un autre mode de mise en œuvre, le signal acoustique est mesuré par ailleurs, et éventuellement sauvegardé dans une mémoire ; le signal mesuré est ensuite simplement mis à disposition au moment opportun pour l'exécution du procédé selon l'invention.

Selon un mode de mise en œuvre, un défaut électrique est signalé si au moins une fréquence prédéfinie caractéristique d'un défaut électrique est identifiée. Il devient ainsi possible de déclencher une opération de maintenance préventive de la machine pour éliminer le défaut avant qu'il entraîne une panne.

Selon un autre mode de mise en œuvre, pour au moins une fréquence prédéfinie caractéristique d'un défaut électrique, l'amplitude de l'harmonique correspondant peut être déterminée.

Au cours de l'étape de signalement d'un défaut, un état d'avancement dudit défaut électrique peut être précisé en fonction de l'amplitude de l'harmonique ou des harmoniques présent(s) à la (aux) fréquences prédéfinies caractéristique(s) dudit défaut électrique. En fonction de l'état d'avancement du défaut, il devient alors possible de planifier plus efficacement une opération de maintenance en fonction de l'état d'avancement du défaut, et donc en fonction du degré d'urgence de l'opération de maintenance.

Selon une variante, au cours de l'étape de signalement d'un défaut, un état d'avancement dudit défaut électrique est précisé, ledit état d'avancement étant fonction de l'amplitude de l'harmonique ou des harmoniques présent(s) à la fréquence prédéfinie ou aux fréquences prédéfinies caractéristique(s) dudit défaut électrique et / ou fonction de l'amplitude d'un harmonique présent à une fréquence prédéfinie caractéristique d'une vibration mécanique de la machine électrique, ladite vibration mécanique étant générée par ledit défaut électrique. L'état d'avancement du défaut peut ainsi être déterminé avec plus de précision et une panne peut être anticipée plus efficacement en tenant compte du fait que la vibration et le courant de court-circuit peuvent entraîner une détérioration plus rapide de la machine.

Selon un mode de réalisation, l'état d'avancement du défaut électrique est défini par une méthode de logique floue prenant en compte l'amplitude de l'harmonique ou des harmoniques présent(s) à la fréquence prédéfinie ou aux fréquences prédéfinies caractéristique(s) du défaut électrique identifié et l'amplitude de l'harmonique présent à une fréquence prédéfinie caractéristique de la vibration mécanique de la machine électrique. Au cours de l'étape de signalement d'un défaut, un défaut électrique de type court-circuit entre spires peut être signalé lorsqu'un ou des harmoniques de défaut sont détectés pour des fréquences fcc = (k + (l-s)*n/p)*fo, fo étant la fréquence du réseau électrique alimentant la machine, p étant le nombre de paires de pôles de la machine, s étant le glissement de la machine, k étant un nombre entier impair et n étant un nombre entier pair et / ou lorsqu'un harmonique de vibration est identifié pour une fréquence fv proche de 2*fo. Une détérioration accélérée de la machine peut ainsi être anticipée. Le court-circuit entre spires est l'un des défauts électriques les plus fréquents dans les machines électriques.

Dans le cadre d'une première mise en œuvre de l'invention, les fréquences fcc = (k + (l-s)*n/p)*fo caractéristiques d'un court-circuit entre spires ont été calculées à partir d'un modèle de la machine asynchrone. Mais l'invention n'est bien sûr pas limitée au diagnostic des court-circuits entre spires. D'autres défauts peuvent être détectés, comme par exemple un court-circuit entre deux phases, un court-circuit entre une phase et un carter de la machine, un défaut d'excentricité entre le rotor et le stator, ...

L'invention concerne également un produit concrétisé par un programme d'ordinateur téléchargeable depuis un réseau de communication et/ou enregistré sur un support lisible par ordinateur et/ou exécutable par un processeur, caractérisé en ce qu'il comprend des instructions de code de programme adaptées pour la mise en œuvre d'un procédé tel que décrit ci-dessus.

L'invention concerne enfin une installation de diagnostic comprenant comprenant des moyens informatiques adaptés pour mettre en œuvre un procédé tel que décrit ci-dessus. L'installation peut également comprendre un moyen de mesure d'un signal acoustique émis par une machine électrique en fonctionnement. L'installation est facile à mettre en place puisqu'elle ne nécessite aucune connexion physique avec la machine ; elle demande de plus très peu de place, et très peu d'investissement. L'invention peut ainsi être aisément mise en œuvre y compris pour la surveillance et le diagnostic automatiques de machines déjà en fonctionnement sur site. Dans le cas d'une génératrice installée au sommet d'une éolienne par exemple, le moyen de mesure, un micro par exemple, peu encombrant, est installé au plus proche de la génératrice et les moyens informatiques peuvent être déportés au pied de l'éolienne, ou à distance dans un lieu de surveillance d'un parc d'éoliennes.

Brève description des figures

L'invention sera mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée qui suit d'un exemple d'un procédé et d'une installation selon l'invention. Ces exemples sont donnés à titre non limitatif. La description est à lire en relation avec les dessins annexés dans lesquels :

• la figure 1 est un schéma simplifié d'une installation de diagnostic selon l'invention, et

• la figure 2 est un schéma des principales étapes d'un procédé de diagnostic selon l'invention

Description d'un mode de réalisation de l'invention

Comme dit précédemment, l'invention concerne un procédé de diagnostic de défaut électrique sur une machine électrique, basé sur l'étude d'un signal acoustique émis par une machine électrique en fonctionnement, et plus particulièrement sur l'étude du spectre de fréquences dudit signal acoustique.

Une installation selon l'invention comprend (fig.1) essentiellement un capteur de mesure du son, par exemple un micro 10, et un système d'acquisition et de traitement 20 de données comprenant essentiellement des moyens informatiques tels qu'un ordinateur doté de moyens pour mémoriser et exécuter un programme d'ordinateur comprenant une pluralité de lignes de codes adaptées pour la mise en œuvre d'un procédé de traitement de données selon l'invention et tel que décrit ci-dessous. Le système 20 comprend notamment une mémoire de données dans laquelle sont mémorisées la ou les fréquences prédéfinies calculées caractéristiques d'un défaut électrique sur la machine à surveiller. La ou les fréquences prédéfinies sont spécifiques à la machine à surveiller et sont calculées à partir de paramètres électriques et mécaniques de la machine, comme cela est détaillé plus loin. Le micro est positionné au plus près de la machine électrique 1 à diagnostiquer pour limiter l'enregistrement de bruits parasites.

Dans l'exemple mis en œuvre, la machine est un moteur asynchrone. Mais l'invention peut être mise en œuvre pour d'autres types de machines électriques comme par exemple une génératrice.

La figure 2 montre schématiquement les étapes d'un exemple de procédé selon l'invention. Ces étapes sont répétées en boucle, à la volée, pendant tout le temps de la surveillance d'une machine en fonctionnement. Les étapes représentées en pointillées sont optionnelles.

Le signal acoustique correspondant au bruit émis par la machine électrique est mesuré (étape 31) . Le signal acoustique n'est pas sauvegardé dans l'exemple représenté. Si nécessaire, en fonction de l'environnement de la machine en fonctionnement, le signal acoustique peut être filtré (étape 32) pour éliminer d'éventuels bruits parasites dus à l'environnement externe de la machine. Par exemple, dans le cas particulier d'une éolienne, le vent peut générer des bruits parasites liés à des vibrations mécaniques d'un carter entourant la machine électrique. Ces bruits parasites sont de préférence filtrés pour faciliter la réalisation des étapes suivantes.

Une analyse spectrale du signal acoustique est ensuite réalisée pour déterminer le spectre des fréquences harmoniques présentes dans le signal acoustique (étape 34). L'analyse spectrale du signal acoustique est réalisée par exemple en mettant en œuvre une Transformée de Fourier Rapide, une Transformée de Fourier à Court Terme ou une Transformée en Ondelette Continue.

D'éventuelles fréquences prédéfinies caractéristiques d'un défaut électrique (36) sont ensuite recherchées dans le spectre de fréquences (étape 36). La recherche consiste à vérifier si la ou les fréquences prédéfinies mémorisées dans la mémoire de données sont présentes dans le spectre de fréquences. En particulier, sont recherchés dans le spectre de fréquences d'éventuels harmoniques de fréquence fcc = (k + (l-s)*n/p)*fo et d'éventuels harmoniques proches des harmoniques pairs, notamment un harmonique de fréquence proche de 2fo, en vue de détecter un éventuel défaut de court circuit entre spires de la machine. Au moins pour chaque fréquence prédéfinie détectée dans le spectre de fréquences du signal acoustique, l'amplitude de l'harmonique est déterminée. Pour faciliter la prise de décision ultérieure, l'amplitude de chaque harmonique peut être normalisée (étape 37), par exemple en prenant comme référence l'harmonique principal de rang 1.

Enfin, si au moins une fréquence prédéfinie caractéristique dudit défaut électrique est détectée, alors un défaut électrique est signalé (étape 40).

Dans l'exemple représenté et mis en oeuvre, au cours de l'étape de signalement d'un défaut, l'état d'avancement dudit défaut électrique est précisé en fonction de l'amplitude des harmoniques présents aux fréquences prédéfinies fcc = (k + (l-s)*n/p)*fo caractéristiques d'un défaut électrique et en fonction de l'amplitude d'un harmonique présent à une fréquence prédéfinie proche de la fréquence 2*fo caractéristique d'une vibration mécanique de la machine électrique. Des essais ont montré que, pour un court-circuit sur un moteur asynchrone, l'harmonique de vibration peut apparaître sans les harmoniques aux fréquences fcc, ou les harmoniques aux fréquences fcc peuvent apparaître sans l'harmonique de vibration ; dans tous les cas, l'apparition de l'harmonique de vibration ou l'apparition des harmoniques fcc mérite de signaler l'existence d'un défaut potentiel.

Dans un exemple de mise en œuvre, l'état d'avancement du défaut électrique est défini par une méthode de logique floue prenant en compte l'amplitude de l'harmonique ou des harmoniques présent(s) à la (aux) fréquences prédéfinies caractéristique(s) du défaut électrique identifié et l'amplitude de l'harmonique présent à une fréquence prédéfinie caractéristique de la vibration mécanique de la machine électrique. La méthode de logique floue permet ici de calculer de manière qualitative l'état d'avancement du défaut Etat_M en fournissant un ensemble de règles formulées en langage naturel ; la méthode mise en œuvre fournit une valeur qualitative de Etat_M (état de la machine) parmi un ensemble de valeurs qualitatives {SAIN, INDEFINI, DEBUT, EVOLUE, CRITIQUE} en fonction de valeurs qualitatives des variables d'entrées H_D et H_V (respectivement l'amplitude de l'harmonique de défaut et l'amplitude de l'harmonique de vibration) prises parmi un ensemble de valeurs qualitatives {AUCUN, ZERO, PETIT, MOYEN, GRAND}. Le procédé selon l'invention va ainsi fournir une valeur qualitative parmi SAIN/INDEFINI/DEBUT/EVOLUE/CRITIQUE/, permettant de définir un degré d'urgence pour une action de maintenance préventive et planifier efficacement ladite action de maintenance préventive.

Dans l'exemple mis en œuvre, l'état SAIN de la machine correspond, dans le modèle mathématique d'une machine asynchrone avec défaut de court-circuit, à une résistance de contact entre spires Rk très supérieure à 40 Ohms, l'état DEBUT correspond à Rk compris entre 20 et 40 Ohms, l'état EVOLUE correspond à Rk compris entre 5 et 15 Ohms et l'état CRITIQUE correspond à Rk compris entre 0 et 5 Ohms. L'état INDEFINI correspond à une situation entre SAIN et DEBUT où, dans le spectre de fréquences du signal acoustique mesuré, les harmoniques aux fréquences caractéristiques semblent apparaître mais ont une amplitude trop faible pour être détectées avec certitude.