Étude et élaboration d’un système de surveillance et de maintenance prédictive pour les condensateurs et les batteries utilisés dans les Alimentations Sans Interruptions (ASI)

Study and elaboration of a monitoring and predictive maintenance system for capacitors and batteries used in Uninterruptible Power Supplies (UPS)

• Auteur / Autrice : Mohamed Karim Abdennadher
• Direction : Gérard Rojat, Pascal Venet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 25/06/2010
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ampère
• Jury : Président / Présidente : Seddik Bacha
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marie Rétif, Christophe Rosset
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Forgez, Pascal Maussion

Mots clés

Mots clés contrôlés

Condensateurs électrochimiques

Alimentation sans coupure (électricité)

Mots clés libres

Condensateurs électrolytiques

Batteries au plomb

État de charge (SOC)

État de santé (SOH)

Maintenance prédictive

Identification en temps réel

Filtre de Kalman

Electrolytic capacitors

Lead acid batteries

State of charge (SOC)

State of health (SOH)

Predictive maintenance

Real time identification

Kalman filtering

Résumé

Pour assurer une énergie électrique de qualité et de façon permanente, il existe des systèmes électroniques d’alimentation spécifiques. Il s’agit des Alimentations Sans Interruptions (ASI). Une ASI comme tout autre système peut tomber en panne ce qui peut entrainer une perte de redondance. Cette perte induit une maintenance corrective donc une forme d’indisponibilité ce qui représente un coût. Nous proposons dans cette thèse de travailler sur deux composants parmi les plus sensibles dans les ASI à savoir les condensateurs électrolytiques et les batteries au plomb. Dans une première phase, nous présentons, les systèmes de surveillance existants pour ces deux composants en soulignant leurs principaux inconvénients. Ceci nous permet de proposer le cahier des charges à mettre en œuvre. Pour les condensateurs électrolytiques, nous détaillons les différentes étapes de caractérisation et de vieillissement ainsi que la procédure expérimentale de vieillissement standard accéléré et les résultats associés. D’autre part, nous présentons les résultats de simulation du système de surveillance et de prédiction de pannes retenu. Nous abordons la validation expérimentale en décrivant le système développé. Nous détaillons les cartes électroniques conçues, les algorithmes mis en œuvre et leurs contraintes d’implémentation respectifs pour une réalisation temps réel. Enfin, pour les batteries au plomb étanches, nous présentons les résultats de simulation du système de surveillance retenu permettant d’obtenir le SOC et le SOH. Nous détaillons la procédure expérimentale de vieillissement en cycles de charge et décharge de la batterie nécessaire pour avoir un modèle électrique simple et précis. Nous expliquons les résultats expérimentaux de vieillissement pour finir avec des propositions d’amélioration de notre système afin d’obtenir un SOH plus précis.

To ensure power quality and permanently, some electronic system supplies exist. These supplies are the Uninterrupted Power Supplies (UPS). An UPS like any other system may have some failures. This can be a cause of redundancy loss. This load loss causes a maintenance downtime which may represent a high cost. We propose in this thesis to work on two of the most sensitive components in the UPS namely electrolytic capacitors and lead acid batteries. In a first phase, we present the existing surveillance systems for these two components, highlighting their main drawbacks. This allows us to propose the specifications which have to be implemented for this system. For electrolytic capacitors, we detail different stages of characterization ; the aging accelerated standard experimental procedure and their associated results. On the other hand, we present the simulation results of monitoring and failure prediction system retained. We discuss the experimental validation, describing the developed system. We detail the electronic boards designed, implemented algorithms and their respective constraints for a real time implementation. Finally, for lead acid batteries, we present the simulation results of the monitoring system adopted to obtain the SOC and SOH. We describe the aging experimental procedure of charging and discharging cycles of the batteries needed to find a simple and accurate electric models. We explain the aging experimental results and in the end we give suggestions for improving our system to get a more accurate SOH.