Méthodes non-invasives de diagnostic de défauts et d'analyse thermique des machines synchrones à pôles saillants

Non-invasive methods for fault diagnosis and thermal analysis on salient pole synchronous machines

• Auteur / Autrice : Mauricio Andrés Cuevas Salvatierra
• Direction : Jean-Philippe Lecointe, Raphaël Romary
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 27/11/2017
• Etablissement(s) : Artois
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Maussion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Lecointe, Raphaël Romary, Pascal Maussion, Mohammed El-Hadi Zaïm, Yacine Amara, Ewa Napieralska, Fabrice Morganti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohammed El-Hadi Zaïm, Yacine Amara

Mots clés

Mots clés contrôlés

Machines synchrones

Courts-circuits

Détection de défaut (ingénierie)

Analyse thermique

Fiabilité

Machines tournantes

Mots clés libres

Machine synchrone

Diagnostic de machines électriques

Signature magnétique

Analyse spectrale

Court-circuit entre spires

Estimation de la température

Résumé

Ce travail a pour objectif de développer des techniques de surveillance non-invasives sur des machines électriques tournantes de sorte que leurs mises en place soient aisées en environnement industriel. A cet effet, deux méthodes indépendantes sont décrites dans ce mémoire : un diagnostic de défaillances électriques dans des alternateurs connectés au réseau et une étude exploratoire afin d'évaluer la température interne de machines électriques industrielles.La première méthode repose sur l'analyse de deux grandeurs physiques : le champ magnétique rayonné à l'extérieur de la carcasse et les vibrations de la machine tournante. Des modèles mathématiques ont été développés afin de corréler des phénomènes magnétiques et mécaniques qui interviennent dans trois états de la machine : sain et en deux défauts de courts-circuits au stator et au rotor. Ces résultats ont ensuite été validés expérimentalement en laboratoire ainsi que sur des machines de grande puissance en environnement industriel. Un prototype de diagnostic capable de réaliser un examen de défaillance de courts-circuits sur des machines à fort courant a été proposé.Dans un deuxième temps, la méthode d'estimation de la température s'appuie sur des constats relatifs à la variation des caractéristiques des matériaux qui composent un enroulement lorsque la température augmente. Ainsi, la localisation des fréquences de résonances de l'impédance sont impactées. Ce dernier constat a été vérifié expérimentalement.Ce travail de thèse a permis de vérifier la faisabilité des méthodes de diagnostic et de surveillance en ligne dans des machines tournantes avec un minimum d'intrusivité, ceci dans un environnement industriel.

This work aims to develop non-invasive monitoring techniques on AC rotating machines so that their implementation is easy in an industrial environment. For this purpose, two independent methods are described: a fault diagnosis in alternators connected to the local power gird and an exploratory study to evaluate the internal temperature of AC rotating machines.The first method relies on the analysis of two physical magnitudes: the stray magnetic field radiated outside from the external frame and the vibrations content of machine structure. Mathematical models have been developed in order to correlate magnetic and mechanical phenomena which occur in three different machine states: healthy and in two winding short-circuit faults both in the stator and in the rotor. These results were then validated experimentally in laboratory as well as on large machines in industrial environment. A first diagnostic prototype is presented capable to be implemented in industrial environment in order to detect short-circuit faults in larges alternators.In a second time, a temperature estimation method is proposed based on observations concerning variations in material characteristics of windings as temperature increases. Thus, the localizations of impedance resonant frequencies are impacted, which was verified experimentally as well.This thesis work allowed to verify diagnostic feasibility and on-line monitoring methods in rotating machines in a non-invasive way in industrial environments.