Contribution au diagnostic et a l'analyse de défauts d'une machine synchrone à aimants permanents.

215 Pages·2017·7.23 MB·French

by  Kawthar Alameh

Contribution au diagnostic et a l’analyse de défauts
d’une machine synchrone à aimants permanents.
Kawthar Alameh
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Kawthar Alameh. Contribution au diagnostic et a l’analyse de défauts d’une machine syn-
chrone à aimants permanents.. Automatique. Normandie Université, 2017. Français. ￿NNT:
2017NORMR072￿. ￿tel-01700940￿
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THÈSE

Pour obtenir le diplôme de doctorat

Spécialité Automatique et traitement du signal

Opéré par l’Université de Rouen Normandie

Contribution au diagnostic et à l’analyse de défauts d’une machine
synchrone à aimants permanents

Présentée et soutenue par
Kawthar ALAMEH

Thèse soutenue publiquement le 20 Décembre 2017
devant le jury composé de
M / Kamal MEDJAHER Professeur à l’ENIT, Tarbes Rapporteur
Professeur à l’Université de Picardie Jules
M / Ahmed EL-HAJJAJI Rapporteur
Verne, Amiens
M / Frédéric HAMELIN Professeur à l’Université de Lorraine, Nancy Examinateur
M / Claude DELPHA MCF-HDR à l’Université Paris-Sud, Cachan Examinateur
Mme / Cristina VLAD MCF à Centrale Supélec, Gif-sur-Yvette Examinatrice
M / Georges BARAKAT Professeur à l’Université du Havre, Le Havre Codirecteur de thèse
M / Ghaleb HOBLOS EC-HDR à l’ESIGELEC, Rouen Directeur de thèse

Thèse dirigée par M. Ghaleb HOBLOS, laboratoire IRSEEM
Et codirigée par M. Georges BARAKAT, laboratoire GREAH

A mes parents Fouad et Wafaa
A mes sœurs Zainab, Soumaya, Israa et Nour-El-Houda
A mes anges Rayhanna et Hussein
A tous ceux que j’aime.

Remerciements
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été effectués au sein du Pôle Automatique et
Systèmes (A&S) de l'Institut de Recherche en Systèmes Electroniques EMbarqués (IRSEEM)
en codirection avec le Groupe de Recherche en Electrotechnique et Automatique du Havre
(GREAH). Je remercie la région Haute-Normandie ainsi que l’Université Libanaise (Liban)
pour le financement qui m’a été accordé au cours de mes quatre années de thèse.
Je tiens à remercier très vivement Monsieur Ghaleb HOBLOS, mon directeur de thèse à
l’IRSEEM, pour la confiance qu’il m’a accordée en me permettant d’effectuer mes travaux de
recherche sous sa direction et d’avoir toujours assurer l’avancement et la continuité de la thèse.
Ses conseils et son aide ont été les plus utiles pour l’aboutissement de ce travail. J’exprime aussi
ma gratitude à Monsieur Georges BARAKAT, mon codirecteur au GREAH, d’avoir accepté de
codiriger cette thèse.
Je remercie Monsieur Claude DELPHA, Maitre de conférences à l’Université Paris Sud,
d'avoir accepté de présider le jury de cette thèse et de participer à l'examen de ce travail et en
avoir assuré la critique.
J’adresse toute ma reconnaissance à Monsieur Kamal MEDJAHER, Professeur à l’ENIT de
Tarbes et Monsieur Ahmed EL-HAJJAJI, Professeur à l’Université de Picardie Jules Verne,
d’avoir accepté d'être rapporteurs de mes travaux. Je les remercie vivement de leur lecture
approfondie et leurs remarques constructives et enrichissantes.
Je remercie également Madame Cristina VLAD, Maitre de conférences à Centrale Supélec
et Monsieur Frédéric HAMELIN, Professeur à l’Université de Lorraine d'avoir accepté avec
grand plaisir de participer à ce jury et d'examiner ce travail.
Mes remerciements s’adressent à tous les membres de l’IRSEEM plus particulièrement à
Monsieur Nicolas LANGLOIS, Responsable du pôle A&S de m’avoir accueilli au sein du pôle,
et Madame Mireille CANDELON pour sa gentillesse, sa sympathie et sa disponibilité pour
accomplir les formalités administratives me concernant durant ces années de thèse.
Aussi, je remercie tous les doctorants et les anciens collègues de l’IRSEEM qui sont devenus
avec le temps des fidèles amis en particulier, dans le désordre : Enjie, Hiba, Chadia, Marwa,
Rihab, Fabien, Lamia, Safa, Yvon et beaucoup d’autres qui seront trop nombreux à citer. Merci
aussi à Lavinius qui s’est déplacé pour me soutenir et assister à ma soutenance. Je remercie
également mes très chers amis à Rouen et au Liban pour leur présence à mon côté et les bons
moments qu’on a partagé ensemble.
Je tiens finalement à remercier ma précieuse famille dont je suis fière : mon père, ma mère,
mes sœurs, ma nièce Roro et mon neveu Hassouna qui, malgré la distance qui nous sépare,
m’ont toujours gardé leur amour, leur soutien et leurs prières.
ii REMERCIEMENTS

Au-dessus de tous les êtres, je remercie le bon Dieu, tout puissant et miséricordieux, de
m’avoir accompagné à travers toutes les difficultés et de m’avoir donné la force et la patience
d’accomplir ce modeste travail !
Résumé – L’avènement des aimants permanents et les progrès récents dans l’électronique de puissance ont joué
un rôle majeur dans l’évolution de la motorisation électrique des véhicules. Actuellement, les machines synchrones
à aimants permanents (MSAP) grâce à leurs performances, et surtout leur efficacité énergétique, sont considérées
comme les candidats idéaux pour les chaînes de traction des véhicules hybrides et électriques. Toutefois, en raison
du vieillissement des matériaux, des défauts de fabrication ou des conditions de fonctionnement assez sévères,
différents types de défauts sont capables de survenir dans les composants de la machine, ses organes de commande
ou de mesure. Pour répondre aux exigences de sûreté, de fiabilité et de disponibilité, l’intégration d’une approche
de surveillance et de diagnostic de défauts, dans le groupe motopropulseur électrique automobile, devient de plus
en plus primordiale. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse est de contribuer au diagnostic et à la caractérisation
de défauts dans la MSAP par une analyse vibratoire. En premier temps, des approches analytiques de modélisation
de la MSAP et des défauts : de court-circuit inter-spires, d’excentricité et de démagnétisation rotoriques seront
proposées. L’intérêt majeur de tels modèles, dans le cadre du diagnostic, est d’étudier le comportement de la
machine en présence de défauts étudiés afin d’en déduire les méthodes de détection les plus adaptées. En outre,
des modèles numériques seront développés afin de les confronter aux parties magnétique et mécanique analytiques
de la machine ainsi qu’au défaut de démagnétisation. Dans la phase d’analyse des impacts de défauts, nous allons
nous focaliser sur les cas d’excentricité et de démagnétisation rotoriques. Les indicateurs de défauts seront extraits
des représentations du signal vibratoire dans le temps et l’espace et de leurs transformées de Fourier, pour les cas
de défauts simples et les cas de deux défauts combinés. Pour les cas simples, deux approches de localisation seront
proposées : la première utilise le principe de tests statistiques et de tables de signatures, inspirée des méthodes de
diagnostic à base de modèles, alors que la deuxième repose sur un banc de trois réseaux de neurones, où chacun
est à une entrée et une sortie et destiné à localiser un type de défaut. Enfin, les performances des deux approches,
en termes de robustesse et d’adaptabilité, seront comparées pour les mêmes ensembles de seuillage/d’apprentissage
et de test.
Mots clés – diagnostic de défauts, machine synchrone à aimants permanents, modélisation analytique et par
éléments finis, court-circuit inter-spires, excentricité, démagnétisation, indicateurs de défauts, test statistique, table
de signatures, réseaux de neurones
Abstract –The advent of new magnetic materials and recent advances in power electronics have played a major
role in the progress of hybrid electric vehicles. Nowadays, permanent magnet synchronous machines (PMSM)
thanks to their performances, especially their energy efficiency, are considered as ideal candidates for the traction
chains of hybrid and electric vehicles. However, due to material aging, manufacturing defects or severe operating
conditions, different types of faults are capable to occur in the machine components, its control or measuring
devices. In order to ensure safety, reliability and availability, the integration of a fault diagnosis and condition
monitoring approach in the automotive electrical powertrain system is becoming more and more important. In this
context, the aim of the thesis is to contribute to the diagnosis and characterization of faults in the PMSM based on
a vibration analysis. First, analytical modeling approaches for the PMSM and inter-turn short-circuits, eccentricity
and rotor demagnetization faults will be proposed. The major interest of such models, in a diagnosis context, is to
study the behavior of the machine in the presence of studied faults in order to deduce the most suitable detection
methods. In addition, numerical models will be developed in order to validate the analytical magnetic and
mechanical parts of the machine as well as the demagnetization fault. In the phase of fault impact analysis, we will
focus on the cases of rotor eccentricity and demagnetization. The fault indicators will be extracted from the
vibratory signal representations in time and space domains and their Fourier transforms, in the cases of single
faults and the cases of two combined faults. For single fault cases, two diagnosis approaches will be proposed: the
first uses the principle of statistical tests and fault signature tables, inspired by model-based diagnosis methods,
while the second relies on a set of three neural networks, such as each one is with a single input and a single output
and dedicated to isolate one type of fault. Finally, the performance of these two approaches, in terms of robustness
and adaptability, will be compared for the same training and test sets.
Keywords – fault diagnosis, permanent magnet synchronous machine, analytical and finite element modeling,
inter-turn short-circuit, eccentricity, demagnetization, fault indicators, statistical test, fault signature table, neural
networks
Table des matières
Table des figures ................................................................................................. vii
Liste des tableaux ............................................................................................... xiii
Table de notations ............................................................................................... xv
Liste des publications ........................................................................................ xxii
Introduction générale ............................................................................................. 1
Chapitre I. État de l’art des défauts des machines synchrones à aimants
permanents et de leurs outils de diagnostic ........................................................... 4
Introduction .............................................................................................................. 4
Généralités sur les machines synchrones à aimants permanents ............................. 4
Structure et fonctionnement de la MSAP ......................................................... 5
Modélisation de la MSAP................................................................................. 8
Défauts des machines électriques .......................................................................... 11
Etude statistique sur les défauts des machines électriques ............................. 11
Défauts au stator ............................................................................................. 13
Défauts au rotor .............................................................................................. 14
Différentes approches de diagnostic ...................................................................... 17
Approches à base de modèle .......................................................................... 18
Approche sans modèle .................................................................................... 19
État de l’art de surveillance des défauts des machines électriques ........................ 27
Grandeurs mesurables et signaux de défauts .................................................. 28
Détection et localisation de défauts par analyse de signaux ........................... 29
Analyse vibratoire des machines électriques .................................................. 31
Objectifs du travail proposé ................................................................................... 32
Conclusion ............................................................................................................. 33
Chapitre II. Modélisation multiphysique de la machine synchrone à aimants
permanents .................................................................................................... 35
Introduction ............................................................................................................ 35
Modèle analytique multiphysique de la MSAP ..................................................... 35
v TABLE DE MATIÈRES

Hypothèses simplificatrices de modélisation ................................................. 36
Partie électronique de puissance ..................................................................... 36
Partie électrique .............................................................................................. 40
Partie magnétique ........................................................................................... 40
Partie mécano-vibratoire ................................................................................. 44
Modélisation analytique des défauts ...................................................................... 48
Défaut de court-circuit inter-spires ................................................................. 48
Défaut d’excentricité rotorique ....................................................................... 50
Défaut de démagnétisation ............................................................................. 53
Exploitation du modèle analytique de simulation .................................................. 54
Régime sain .................................................................................................... 54
Régimes défectueux ........................................................................................ 58
Modélisation par méthodes à éléments finis .......................................................... 66
Modèle magnétique sain à vide par MEF ....................................................... 67
Modèle mécanique par MEF .......................................................................... 69
Modélisation de défaut de démagnétisation par MEF .................................... 71
Conclusion ............................................................................................................. 72
Chapitre III. Analyse des impacts de défauts simples et combinés sur les
signaux vibratoires .............................................................................................. 74
Introduction ............................................................................................................ 74
Cas de défauts simples ........................................................................................... 75
Récapitulatif des impacts de défauts .............................................................. 75
Analyse des indicateurs de défauts simples .................................................... 77
Analyse d’enveloppe du signal vibratoire pour les défauts simples ............. 105
Table de signatures de défauts simples ......................................................... 111
Cas de défauts combinés ...................................................................................... 113
Exploitation du modèle analytique ............................................................... 113
Impacts de défauts combinés ........................................................................ 122
Analyse de pertinence des indicateurs conventionnels ................................. 125
Table de signatures de défauts simples et combinés .................................... 134