Contribution à l'analyse de défauts de roulement induits par les défauts électriques de machines tournantes

Contribution to the Analyze of Bearing Faults Induced by Electrical Faults in Rotating Machines

• Auteur / Autrice : Thibaud Plazenet
• Direction : Babak Nahid-Mobarakeh, Thierry Boileau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 29/10/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en énergie électrique de Nancy (Vandœuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Guy Clerc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Babak Nahid-Mobarakeh, Thierry Boileau, Pascal Maussion, Fei Gao, Cyrille Caironi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Maussion, Fei Gao

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vibrations

Traitement du signal

Décharges électriques

Détection de défaut (ingénierie)

Érosion

Contact de roulement

Détérioration

Machines tournantes

Mots clés libres

Roulement

Vieillissement

Défaut de rugosité généralisée

Détection de défaut

Décharge capacitive

Électroérosion

Traitement de signal

Analyse vibratoire

Bearing

Aging

Generalized roughness bearing fault

Fault detection

Capacitive discharge

Electroerosion

Signal processing

Vibration analysis

Résumé

Le vieillissement prématuré des roulements est une des causes les plus fréquentes d’arrêts forcés des machines tournantes notamment lorsqu’elles sont alimentées par onduleurs de tension. Ce travail de thèse contribue à l’analyse et à la détection du défaut de roulement de type rugosité généralisée des machines de faible puissance (jusqu’à 20 kW) alimentées par onduleurs de tension. Dans cette configuration, ce défaut est causé principalement par la présence de décharges capacitives créant une électroérosion des chemins de roulement. En vue de la détection de ce défaut, nous avons proposé une méthode de vieillissement d’un roulement in-situ en reproduisant de manière réaliste et accélérée le stade précoce du défaut de rugosité généralisée. Cette méthode est élaborée expérimentalement par le biais d’un onduleur de tension disposé entre les bagues d’un roulement et dimensionné pour augmenter l’activité de décharge tout en limitant l’énergie d’une décharge individuelle à un seuil réaliste. Les conditions de fonctionnement de la machine qui accélèrent le vieillissement en augmentant l’activité de décharge ont été déterminées expérimentalement. Dans ce manuscrit, nous répondons également à la problématique de la détection de ce défaut. Selon les contraintes industrielles du domaine de la maintenance et les effets produits par le défaut sur les signaux vibratoires, nous avons sélectionné des outils de traitement de signal adaptés. Le développement de signaux vibratoires de synthèse présentant des propriétés caractéristiques du défaut a permis d’effectuer une étude comparative des méthodes de détection proposées qui se basent sur le filtre de Wiener, la soustraction spectrale et le kurtosis spectral.

Premature bearing aging is one of the main reasons of forced outages of electrical machines, especially under converter operation. This work contributes to the analysis and the detection of the generalized roughness bearing fault in small machines (up to 20 kW) under converter operation. In this configuration, this fault is caused by capacitive discharges creating an electroerosion of the raceways. To detect this fault, we proposed a realistic aging process that reproduces the emerging state of the generalized roughness bearing fault. This experimental process consists of an inverter located between the raceways and designed to increase the discharge activity while limiting the energy of a single discharge to a realistic threshold. Operating conditions, which accelerate the bearing aging by increasing the discharge activity, are experimentally determined. In this thesis, we also tackle the problem of detecting the generalized roughness bearing fault. In accordance with the maintenance constraints and the effects produced by the fault on vibration signals, we selected appropriate signal processing tools. The creation of synthetic vibration signals, enriched with some properties of the fault, allowed a comparative study of the proposed detection methods, which are based on the Wiener filter, the spectral subtraction and the spectral kurtosis.