FR3041763A1 - Procede de detection d'un defaut dans une machine electrique ac - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de détection d'un défaut d'une machine électrique à courant alternatif comportant des premier et deuxième enroulements statoriques identiques, en fonctionnement, ledit procédé comportant les étapes successives suivantes : A) étermination, à l'arrêt et de préférence à température ambiante, d'une fréquence de résonance de référence des premier et deuxième enroulements, ladite fréquence de résonance de référence étant supérieure à 100 kHz ; B) détermination, en fonctionnement, de première et deuxième fréquences de résonance des premier et deuxième enroulements, respectivement, à proximité de la fréquence de résonance de référence ; C) comparaison des première et deuxième fréquences de résonance et, si la différence entre lesdites première et deuxième fréquences de résonnance est supérieure à un seuil, fourniture d'une information pour signaler un défaut ; D) arrêt et refroidissement de la machine électrique, puis comparaison des premier et deuxième enroulements afin de déterminer si l'un desdits premier et deuxième enroulements est à l'origine du défaut.

Description

Procédé de détection d’un défaut dans une machine électrique AC Domaine technique

La présente invention concerne un procédé de détection d’un défaut affectant une machine électrique à courant alternatif (AC) et un dispositif pour la mise en œuvre d'un tel procédé.

Etat de la technique

Les composants d’une machine électrique AC sont de diverses natures : électrique, magnétique, diélectrique ou mécanique. Us subissent un vieillissement qui peut être à l'origine de leur dégradation. Cette dégradation affecte la répartition, initialement équilibrée, des courants qui circulent dans les enroulements portés par les armatures statorique et rotorique, et de ce fait, la répartition du champ magnétique. Cette dégradation peut donc non seulement perturber le fonctionnement de la machine mais aussi conduire à des dégradations irréversibles nécessitant l'arrêt de la machine et son remplacement.

Pour surveiller le fonctionnement d’une machine électrique AC, on distingue deux méthodes :

La première méthode, invasive, consiste à insérer des capteurs au sein de la machine, ce qui en augmente son coût et pose problème en cas de défaillance d'un capteur.

La seconde méthode, non invasive, repose sur le suivi d'un indicateur résultant d’une analyse de signaux prélevés, en particulier de signaux électriques, magnétiques, vibratoires, thermiques, ou mécaniques. Plus précisément, on compare la signature relevée à un instant donné à une signature de référence d’une machine de référence saine évoluant dans les mêmes conditions que la machine surveillée. La signature peut en particulier correspondre à un contenu spectral, une variance ou une évolution temporelle.

Pour être fiable, la comparaison doit se fonder sur des signatures évaluées dans des conditions d'utilisation similaires, ce qui est parfois difficile à obtenir.

En outre, la définition de "machine saine" est subjective. Il existe donc un risque de mauvaise interprétation.

Il existe donc un besoin pour un procédé de détection non invasif permettant de répondre, au moins partiellement, aux problèmes susmentionnés.

Un but de l'invention est de répondre à ce besoin. Résumé de l’invention

Selon l'invention, on atteint ce but au moyen d'un procédé de détection d’un défaut d'une machine électrique à courant alternatif en fonctionnement et comportant des premier et deuxième enroulements statoriques identiques, ledit procédé comportant les étapes successives suivantes : A) détermination, à l’arrêt et de préférence à température ambiante, d’une fréquence de résonance de référence des premier et deuxième enroulements, ladite fréquence de résonance de référence étant supérieure à 100 kHz ; B) détermination, en fonctionnement, de première et deuxième fréquences de résonance des premier et deuxième enroulements, respectivement, à proximité de la fréquence de résonance de référence ; C) comparaison, en fonctionnement, des première et deuxième fréquences de résonance et, si la différence entre lesdites première et deuxième fréquences de résonnance est supérieure à un seuil, fourniture d’une information pour signaler un défaut ; D) optionnellement, arrêt et refroidissement de la machine électrique, de préférence jusqu’à la température ambiante, de manière à faire disparaître tout point chaud, puis comparaison des premier et deuxième enroulements afin de déterminer si l’un desdits premier et deuxième enroulements est à l’origine du défaut. A des hautes fréquences, il n'est pas possible de modéliser facilement le comportement d’un enroulement. Les inventeurs ont cependant découvert que la différence entre des première et deuxième fréquences de résonance à hautes fréquences permet, de manière non invasive et sans interrompre obligatoirement la circulation du courant électrique dans lesdits enroulements, de détecter un écart de températures entre les premier et deuxième enroulements. Or un défaut affectant une machine électrique AC se manifeste classiquement par l’apparition de points chauds qui modifient l’écart de températures entre les premier et deuxième enroulements.

Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, l’invention permet de surveiller une évolution de cet écart, et donc de détecter l’apparition d’un défaut. Avantageusement, la recherche d'une fréquence de résonance haute fréquence est possible sans pratiquement modifier le fonctionnement de la machine électrique.

Le procédé peut être mis en œuvre sans modification du dispositif d’alimentation de la machine électrique, en particulier sans devoir insérer une capacité en série avec les enroulements, comme cela est imposé pour rechercher une fréquence de résonance à basse fréquence.

Avantageusement, un procédé selon l'invention est applicable à toute machine électrique AC comportant au moins deux enroulements, indépendamment de son alimentation.

De préférence, le procédé comporte encore une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes : en fonctionnement normal (en l’absence de défaut), les premier et deuxième enroulements sont soumis à des températures identiques ; la fréquence de résonance de référence est une fréquence de résonance série ; la fréquence de résonance de référence est supérieure à 300 kHz, à 500 kHz, à 800 kHz, de préférence supérieure à 1 MHz, de préférence supérieure à 10 MHz ou à 20 MHz ; le rapport fr7fBF est supérieur à 1000, supérieur à 5000, supérieur à 10 000, supérieur à 15 000, de préférence supérieur à 20 000, fr* désignant la fréquence de résonance de référence, et Îbf désignant la fréquence de la tension d’alimentation des premier et deuxième enroulements de la machine électrique testée, en dehors des opérations de l’étape B) ; à l’étape B), on applique aux bornes du premier enroulement et du deuxième enroulement de la machine électrique testée, de préférence successivement, des première et deuxième tensions de test pendant des première et deuxième fenêtres de mesure, respectivement, les fréquences, dites « fréquences de test », des première et deuxième tensions de test étant à proximité de la fréquence de résonance de référence, et on fait évoluer les fréquences de test à proximité de la fréquence de résonance de référence jusqu’à ce qu’elles soient égales à une fréquence de résonnance pour le premier enroulement et le deuxième enroulement, respectivement ; de préférence, chaque fréquence de test est supérieure à 100 kHz, de préférence supérieure à 300 kHz, à 500 kHz, à 800 kHz, à 1 MHz, de préférence supérieure à 5 MHz, de préférence supérieure à 10 MHz, de préférence encore supérieure à 15 MHz ou à 20 MHz ; les enroulements statoriques de la machine testée sont alimentés, en dehors des fenêtres de mesure, par un système polyphasé de tensions, de préférence triphasé ; les première et deuxième fenêtres de mesure sont séparées d’une durée supérieure ou égale, de préférence égale à une demi-période de la tension d’alimentation des premier et deuxième enroulements ; les premier et deuxième enroulements sont disposés en étoile ou en triangle avec un troisième enroulement ; la tension aux bornes du premier et/ou deuxième enroulement passe par zéro pendant la première et/ou deuxième fenêtre de mesure, respectivement ; chaque fenêtre de mesure s'étend sur une durée inférieure au vingtième de la période de la tension d'alimentation des premier et deuxième enroulements ; en particulier lorsque la fréquence de la tension d’alimentation des premier et deuxième enroulements est d’environ 50Hz, chaque fenêtre de mesure s'étend sur une durée inférieure à 1000 microsecondes, de préférence inférieure à 100 microsecondes, de préférence à 50 microsecondes, à 30 microsecondes, ou à 20 microsecondes ; la machine électrique est choisie dans le groupe formé par les moteurs électriques, synchrones ou asynchrones, les alternateurs, les turbo-alternateurs, et les machines électriques fonctionnant à vitesse variable mettant en œuvre un variateur de vitesse (type onduleur à modulation de largeurs d'impulsions). L'invention peut être en particulier mise en œuvre pour des machines électriques de systèmes motorisés industriels, de générateurs de production d'énergie, notamment de turbo-alternateurs ou de générateurs hydroélectriques, d'éoliennes, de véhicules, notamment ferroviaires ou aéronautiques, ou de protection des réseaux, notamment de transformateurs.

Dans un mode de réalisation, la machine électrique n’est pas alimentée par l'intermédiaire d'un transformateur ou d'un variateur de vitesse.

Dans un mode de réalisation, le procédé comporte les étapes successives suivantes : A') détermination, à l’arrêt et de préférence à température ambiante, d’une fréquence de résonance de référence de premier, deuxième et troisième enroulements identiques, ladite fréquence de résonance de référence étant supérieure à 100 kHz ; B') détermination, en fonctionnement, de première, deuxième et troisième fréquences de résonance des premier, deuxième et troisième enroulements, respectivement, à proximité de la fréquence de résonance de référence ; C') comparaison des première, deuxième et troisième fréquences de résonance et fourniture d’une information relative aux différences entre lesdites première, deuxième et troisième fréquences de résonance, et de préférence signalement de toute différence entre deux des première, deuxième et troisième fréquences de résonance supérieure à un seuil ; D') optionnellement, arrêt et refroidissement de la machine électrique, de préférence jusqu’à la température ambiante, de manière à faire disparaître tout point chaud, puis comparaison des premier, deuxième et troisième enroulements afin de déterminer si l’un desdits premier, deuxième et troisième enroulements est à l’origine du défaut.

Les étapes A'), B'), C') et D') peuvent présenter une ou plusieurs des caractéristiques des étapes A), B), C) et D), respectivement.

La mise en œuvre d’un procédé selon l’invention avec au moins trois enroulements permet avantageusement de localiser l’enroulement subissant l’effet d’un point chaud, et donc de localiser ce défaut, par exemple la défaillance de cet enroulement. L’invention concerne aussi un dispositif d’injection pour évaluer, à l’étape B) ou B’) d’un procédé selon l’invention, la fréquence de résonnance d’un enroulement, le dispositif d’injection comportant : un générateur comportant : - un modulateur apte à générer une tension modulante vm présentant une valeur variable dans le temps ; - un oscillateur contrôlé par la tension modulante vm, apte à générer une tension de test vhf d’amplitude constante et à une fréquence de test tW variable sur la plage [fHFmin-fHFmax] en fonction de la valeur de la tension modulante ; - un interrupteur principal apte à sélectivement commander ledit générateur ; - un module de commande apte à fermer ledit interrupteur principal pendant une fenêtre de mesure Δί, la fenêtre de mesure At étant adaptée pour que la fréquence de test Îhf parcourt une plage [fHFmin-fHFmax] sous l’effet de la variation de la valeur de la tension modulante, la fréquence de test minimale fHFmin étant supérieure à 100 kHz, la fenêtre de mesure Δΐ incluant de préférence un passage par zéro de la tension d'alimentation vbf de l'enroulement ; un module de mesure de l’amplitude de la composante HF du courant parcourant l'enroulement pendant ladite fenêtre de mesure ; un détecteur de crête apte à déterminer - un instant tr auquel la courbe enveloppe de l’amplitude de la composante HF du courant mesuré par ledit module de mesure est à un maximum ; - la valeur Vmr de la tension modulante vm audit instant tr ; - la fréquence de test tW correspondant à ladite valeur Vmr de la tension modulante audit instant tr.

Cette dernière fréquence de test est une fréquence de résonance de l’enroulement considéré.

De préférence, le dispositif d’injection comporte encore une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes : le dispositif d’injection comporte un multiplexeur commandant successivement des injections de tensions de test dans le premier enroulement puis dans le deuxième enroulement, puis, de préférence, dans un troisième enroulement, à proximité de la fréquence de résonance de référence, afin d’évaluer des première, deuxième et de préférence troisième fréquences de résonance des premier, deuxième et de préférence troisième enroulements, respectivement, à proximité de la fréquence de résonance de référence ; le dispositif d’injection comporte un module de comparaison apte comparer lesdites première, deuxième et de préférence troisième fréquences de résonance, de préférence apte à mettre en œuvre une étape C) ou C') ; la plage [fHFmin-fHFmax] inclut la fréquence de résonance de référence ; la fréquence fomin est de préférence supérieure à 300 kHz, à 500 kHz, à 800 kHz, 1 MHz, de préférence supérieure à 5 MHz, de préférence supérieure à 10 MHz, de préférence encore supérieure à 15 MHz ou à 20 MHz ; le module de commande est configuré pour prévoir et/ou détecter un passage par zéro de la tension d'alimentation de l'enroulement considéré, et pour fermer et maintenir fermé finterrupteur principal pendant une fenêtre de mesure Δί incluant ledit passage à zéro ; le dispositif d’injection comporte des premier et deuxième fils de connexion permettant de connecter des première et deuxième bornes du générateur à des première et deuxième bornes de l'enroulement considéré, respectivement, une capacité étant insérée dans au moins un, de préférence dans chacun desdits fils de connexion ; la fenêtre de mesure s'étend sur une durée supérieure à 1,5 fois, de préférence deux fois la durée nécessaire pour que la fréquence de test Îhf parcourt une plage [fHFmin- Îh F rnax] , la fenêtre de mesure de mesure s'étend sur une durée inférieure à 100 microsecondes. L’invention concerne aussi une machine choisie dans le groupe constitué des machines électriques de systèmes motorisés industriels, des générateurs de production d'énergie, notamment des turbo-altemateurs ou des générateurs hydroélectriques, des éoliennes, des véhicules, notamment ferroviaires ou aéronautiques, ou de protection des réseaux, notamment de transformateurs, ladite machine électrique comportant un dispositif d’injection selon l’invention.

Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et à l'examen du dessin annexé, dans lequel la figure 1 représente, schématiquement, un dispositif d’injection selon l'invention ; la figure 2a représente, schématiquement, une modélisation d’un enroulement soumis à une tension Basse Fréquence ; la figure 2b représente, schématiquement, une modélisation d’un enroulement soumis à une tension Haute Fréquence, les inductances et résistances qui apparaissent sur le schéma de la figure 2b étant beaucoup plus faibles que celles qui apparaissent sur le schéma de la figure 2a ; la figure 3 représente, en fonction de la fréquence HF de la tension appliquée à un enroulement, le module de l'impédance (courbes pleines) et l’argument de l'impédance (courbes en traits interrompus), pour deux températures Ti (trait fin) et J2 (trait gras) ; la figure 4 représente un exemple d’application d’un procédé selon l’invention à une machine électrique triphasée ; la figure 5 représente un exemple de signal modulant vm et la courbe enveloppe de l'amplitude de la composante HF du courant iio qui parcourt un enroulement 10. Définitions

Une "fréquence de résonance" est une fréquence qui permet d'annuler la partie imaginaire d'une impédance.

Une fréquence de résonance "de référence" est une fréquence de résonance mesurée à une température déterminée, par exemple 20°C.

Par "haute fréquence", on entend une fréquence supérieure à 100 kHz. Les fréquences de résonance sont des hautes fréquences pour un enroulement à l'échelle de la fréquence fondamentale des signaux d'alimentation.

La composante haute fréquence ou « HF » du courant parcourant un enroulement ou de la tension aux bornes de l’enroulement est la partie de ce courant ou de cette tension, respectivement, provenant du dispositif d’injection.

Deux exemplaires d’un modèle de machine électrique produit en plusieurs exemplaires, classiquement produit en série, comme la « machine électrique de référence » et la machine électrique « testée » (objet de l’étape B)) sont dits «du même type». Deux machines électriques du même type sont donc identiques. Deux pièces, par exemple deux enroulements, de ces deux machines électriques, respectivement, qui sont identiques et agencées de la même façon, sont dites « correspondantes ». De manière générale, l'enroulement objet de l’étape B) de la machine testée n'est donc pas celui objet de l'étape A) (enroulement "de référence"), mais ces deux enroulements, qui se correspondent, appartiennent à des machines électriques du même type.

Une fréquence de résonance fr à une température de mesure est dite « à proximité d’une fréquence de résonance de référence, fr* » si, lorsque ladite température de mesure est amenée à la température de référence à laquelle ladite fréquence de résonance de référence a été mesurée, elle tend à rejoindre ladite fréquence de résonance de référence. Si l'enroulement considéré est dans le même état que l'enroulement de référence correspondant, ladite fréquence de résonnance rejoint ladite fréquence de résonnance de référence.

En pratique, la fréquence de résonance est recherchée dans une plage de fréquences incluant la fréquence de résonance de référence et dont la largeur est déterminée pour qu’elle ne contienne qu’une seule fréquence de résonance. L’homme du métier sait déterminer les différentes fréquences de résonance d’un enroulement. Ces fréquences de résonance sont suffisamment écartées les unes des autres au regard des évolutions, normales ou non, liées à la température.

Le courant Îbf, la tension vbf et la fréquence Îbf du signal d’alimentation d’un enroulement de la machine électrique testée en fonctionnement ne sont sensiblement pas affectées par le signal HF injecté pour évaluer, à l’étape B), la fréquence de résonnance dudit enroulement. vbf désigne la tension d'alimentation Basse Fréquence d’un enroulement.

Par "comprenant un", "comportant un", ou "présentant un", il faut comprendre, sauf indication contraire, "comportant au moins un". En particulier, un procédé selon l'invention s'applique à toute machine électrique comportant au moins deux enroulements. Cependant, de préférence, une machine électrique selon l’invention comporte plus de deux enroulements, et de préférence comporte exactement trois ou un multiple de trois enroulements.

Description détaillée

Un enroulement en haute fréquence se caractérise par un schéma équivalent comportant des résistances, des capacités et des inductances, auxquelles il convient d'ajouter les mutuelles inductances entre les différentes spires qui constituent l'enroulement.

De nombreux paramètres peuvent cependant influencer ces éléments, et donc l'impédance d'un enroulement, en particulier la géométrie de l'enroulement, la qualité de l'isolant enrobant le fil électrique de l'enroulement, et en particulier sa permittivité, la perméabilité relative au fer autour duquel l'enroulement est classiquement enroulé, l'effet de peau, les phénomènes de dilatation, et la température de l'enroulement. A la fréquence d'alimentation qui est typiquement de quelques dizaines de Hertz, ce qui correspond à une basse fréquence, les effets capacitifs sont pratiquement inexistants et l'enroulement peut alors être modélisé facilement, comme illustré sur la figure 2a.

Lorsqu’un signal à haute fréquence est injecté dans un enroulement, en particulier aux hautes fréquences de résonance, le comportement de l'enroulement pour ces fréquences est cependant difficile, voire impossible à modéliser. En particulier, si, à basse fréquence, les effets capacitifs sont pratiquement insignifiants, ils sont au contraire particulièrement significatifs à haute fréquence.

Par exemple, la figure 2b illustre une modélisation d'un enroulement sous une tension à haute fréquence. Dans un circuit comme celui représenté sur la figure 2b, l’enroulement n’est donc pas assimilable à une simple combinaison d’une résistance et d’une inductance comme en basse fréquence, et la partie réelle de l'impédance de l’enroulement ne s'identifie pas à une simple résistance. A haute fréquence, il n'existe donc pas de loi simple permettant de modéliser un enroulement.

Les inventeurs ont découvert qu'il existe, à haute fréquence, une relation entre une fréquence de résonance et la température interne de la machine électrique. Ils ont utilisé cette découverte pour détecter, en fonctionnement, un défaut qui se traduit par l'apparition d'un point chaud dans la machine ou pour détecter, à l'arrêt, à température ambiante, un vieillissement anormal d’un enroulement, et notamment du système d'isolation d’un enroulement.

La figure 3 illustre cette découverte. Elle représente, en fonction de la fréquence de la tension à haute fréquence appliquée à l'enroulement, le module de l'impédance (courbes en traits continus) et l'argument (courbes en traits interrompus) de l'impédance, qui définit le déphasage en HF entre la tension et le courant parcourant l'enroulement à deux températures Ti et T2, pour un moteur asynchrone de 4 kW.

La température T2 est supérieure à la température Ti avec Ti de l'ordre de 20°C et T2 proche de 30°C. A température ambiante (20°C), la fréquence de résonance de référence fr*, qui correspond à un déphasage nul, a été mesurée à 20,375 MHz. On constate que la fréquence de résonance fr est d'autant plus faible que la température croît. Des mesures montrent que la hausse de la température Ti à T2 se traduit par une diminution de la fréquence de résonance de l'ordre de 220 kHz.

Selon l’invention, la fréquence de résonance fri d’un premier enroulement 10, dite « première fréquence de résonance », n’est pas comparée aux fréquences de résonance que cet enroulement présentait dans le passé, mais comparée à la fréquence de résonance 62 d’un deuxième enroulement 11, dite « deuxième fréquence de résonance ».

Les premier et deuxième enroulements étant identiques, l’écart normal entre les première et deuxième fréquences de résonance est sensiblement nul. L'étape A) est réalisée, de préférence en laboratoire, sur une machine électrique « de référence » du type de la machine électrique testée qui fera l'objet de l’étape B), en conditions d'exploitation. A l'étape A), on choisit une fréquence de résonance « de référence » d'enroulements de référence de la machine de référence correspondant aux premier et deuxième enroulements.

La fréquence de résonance de référence est utilisée pour déterminer la plage de fréquences dans laquelle une fréquence de résonnance des premier et deuxième enroulements doit être recherchée. Elle est déterminée à une température de référence qui est par exemple la température ambiante (20°C).

La fréquence de résonance de référence fr*est de préférence supérieure à 300 kHz, à 500 kHz, à 800 kHz, à 1 MHz, de préférence supérieure à 5 MHz, de préférence supérieure à 10 MHz, de préférence encore supérieure à 15 MHz ou à 20 MHz. En effet, plus cette fréquence est élevée, moins le fonctionnement de la machine électrique testée sera perturbé et plus facile sera la mise en œuvre du dispositif d’injection.

Le rapport î-Vîef est de préférence supérieur à 1000, supérieur à 5000, supérieur à 10 000, supérieur à 15 000, de préférence supérieur à 20 000, fBF désignant la fréquence de la tension d’alimentation des premier et deuxième enroulements (à Basse Fréquence). 11 existe des résonances de type « série » et des résonances de type "parallèle". Pour une résonance de type série, l'impédance présente une valeur minimale et la composante HF du courant est maximale. Pour une résonance de type parallèle, l'impédance est maximale à la fréquence de résonance et la composante HF du courant est minimale.

De préférence, la fréquence de résonance de référence fr* considérée est une fréquence de résonance de type "série", c'est-à-dire pour laquelle la composante haute fréquence du courant qui traverse l'enroulement présente une amplitude maximale à la résonance.

La figure 3 montre un exemple de fréquence de résonance de référence fr* de type série. En effet, le module de l'impédance est sensiblement minimal et correspond donc à un courant îHf maximal. L’utilisation d’une fréquence de résonance série permet avantageusement une meilleure précision que l’utilisation d’une fréquence de résonance parallèle.

De préférence, l'étape A) est réalisée sur une machine électrique de référence qui ne sert qu'à des fins de mesures.

Pour un type de machine électrique déterminé, l'étape A) est de préférence mise en œuvre une seule fois. L'étape A) est préalable à l’étape B). Elle peut être réalisée plusieurs semaines, ou plusieurs mois, voire plusieurs années avant l’étape B). En particulier, l'exploitant de la machine électrique testée peut s'affranchir de l'étape A) si le constructeur de la machine fournit les fréquences de résonnance des enroulements. L’étape B) peut être appliquée à toutes les machines électriques du type de la machine électrique de référence. De préférence, elle met en œuvre un dispositif d’injection selon l’invention. L'étape B) est mise en œuvre sans modification des conditions d’alimentation électrique des premier et deuxième enroulements 10 et 11, et en particulier sans modification de leur tension d'alimentation.

Dans un mode de réalisation, la tension d'alimentation des premier et deuxième enroulements varie en permanence pendant l’étape B), et en particulier ne reste jamais à une valeur nulle. L'étape B) peut être mise en œuvre dès la mise sous tension de la machine et être opérationnelle sur toute la durée de fonctionnement de la machine, par exemple pendant plus de 1 heure, plus de 2 heures ou plus de 10 heures, plus de 100 heures, plus de 1000 heures, plus de 10 000 heures. L’évaluation des première et deuxième fréquences de résonance en fonctionnement se fait de la même manière. Dans la suite de la description, seule l’évaluation de la première fréquence de résonnance est décrite en détail :

Le premier enroulement 10 est exclusivement alimenté, pour son fonctionnement, hors de la fenêtre de mesure At décrite ci-après, par un courant d'alimentation îBf sous une tension d'alimentation vbf·

La fréquence (Basse Fréquence "BF") de la tension d'alimentation vbf du premier enroulement 10 est classiquement supérieure à 10 Hz, à 20 Hz, à 30 Hz et/ou inférieure à 80 Hz, à 70 Hz, par exemple de 50 Hz ou 60Hz. L'amplitude de la tension d’alimentation vbf est de préférence supérieure à 100V, à 150V, à 210V, à 250V, à 300V, à 350V. Elle peut être en particulier typiquement de 380V, ou de 660V.

La forme de la tension d'alimentation peut être quelconque, de préférence sinusoïdale. De préférence, elle s'annule régulièrement, comme la tension alternative du réseau électrique. Dans un mode de réalisation, le premier enroulement 10 est alimenté directement par le réseau électrique public.

Le courant Îbf est variable en fonction de la puissance de la machine électrique considérée. L'invention propose de soumettre le premier enroulement, pendant une fenêtre de mesure Δΐ, à une tension de test vhf à haute fréquence (HF) au moyen d'un dispositif d'injection 15.

Le dispositif comporte de préférence un générateur 20 connecté aux bornes 22 et 24 du premier enroulement 10 (Fig. 1). Plus précisément, des bornes 32 et 34 du générateur 20 sont connectées aux bornes 22 et 24 du premier enroulement 10, respectivement, par l'intermédiaire de fils de connexion 42 et 44. Comme, à l'échelle de Δί, le signal vbf peut être considéré comme un signal continu très lentement variable, une capacité 52 et/ou une capacité 54 peuvent être insérées sur les lignes 42 et/ou 44, respectivement de manière à éviter que la tension vbf ne vienne perturber le générateur 20. Le dispositif d’injection testé sur la machine asynchrone 380V, 4kW met par exemple en œuvre des capacités de lOOnF.

Le générateur 20 est adapté pour imposer entre ses bornes 32 et 34 une tension de test vhf-Plus précisément, le générateur 20 comporte de préférence un modulateur 36 apte à générer un signal modulant ou "tension modulante" vm, et un oscillateur 38 contrôlé par la tension modulante, apte à générer une tension de test vhf à une fréquence de test Îhf variable dans une plage [fHFmin-fHFmax] en fonction de la tension modulante vm. Cet ensemble modulateur-oscillateur est communément appelé VCO (« Voltage Controlled Oscillator » ou Oscillateur contrôlé par la tension).

La tension modulante vm peut être, par exemple, un signal triangulaire, comme représenté sur la figure 5. L'amplitude de la tension modulante vm est de préférence déterminée de manière que la plage de variation de la fréquence de test Îhf sur une période de la tension modulante vm, comprise entre fHFmin et fHFmax, contienne la fréquence de résonance de référence f*, mais aussi les fréquences de résonance à proximité de la fréquence de résonance de référence dans la plage de températures que le premier enroulement 10 de la machine électrique testée est susceptible de présenter en fonctionnement, y compris en cas de défaut.

Pendant une période, la tension de la tension modulante vm varie entre vm min et vm max· De préférence, vm min est inférieur à 0,2 V, à 0,1 V, de préférence sensiblement nul. De préférence, vm max est supérieur à 0,5 V, à 0,8 V, à 1,0 V et/ou inférieur à 5 V, à 3 V, à 2 V. De préférence, la fréquence fm de la tension modulante vm est supérieure à 50 fois, de préférence à 100 fois, de préférence à 150 fois, de préférence à 200 fois la fréquence moyenne entre fHFmin et fHFmax ou la fréquence de résonance de référence fr*. De préférence, la fréquence fm de la tension modulante vm est inférieure à 200 kHz, de préférence inférieure à 150 kHz, de préférence inférieure à 100 kHz. Pratiquement, plus l’indice de modulation défini par (fHFmax-fHFmin)/fm est faible, meilleure est la précision. L'oscillateur 38 est un composant bien connu, permettant d'imposer une fréquence de test, fur, en fonction de la valeur instantanée de la tension modulante vm.

La largeur de la plage [fHFmin-fHFmax] peut être adaptée en fonction de la précision de la mesure souhaitée.

De préférence, la fréquence fHFmin est supérieure à 300 kHz, à 500 kHz, à 800 kHz, à 2 MHz, de préférence supérieure à 5 MHz, de préférence supérieure à 10 MHz, de préférence encore supérieure à 15 MHz ou à 20 MHz.

De préférence, fHFmin et/ou fHFmax sont écartées de la fréquence de résonance de référence fr* de moins de 10%, moins de 5%, voire moins de 3% ou moins de 2% de la fréquence de résonance de référence fr*. L'amplitude de la tension de test vhf est de préférence compris entre 5 et 10% de celle de la tension d’alimentation.

De préférence, le rapport de l'amplitude de la tension d'alimentation vbf sur l'amplitude de la tension de test vhf est supérieur à 10 et inférieur à 20.

Lorsque la tension modulante vm varie entre vmmin et vm max, le générateur 20 injecte donc une tension vhf d'amplitude constante dont la fréquence de test Îhf varie entre fHFmin et fHFmax· A haute fréquence, l'impédance des condensateurs est sensiblement nulle, de sorte que la tension de test vhf se retrouve intégralement dans la tension vio qui apparaît entre les bornes du premier enroulement 10.

Le courant de test iio traversant l'enroulement 10 résulte de la somme du courant de test Îhf et du courant d'alimentation Îbf- Le module de mesure du courant permet de filtrer la composante BF îBf· Les capacités 52 et 54 permettent d'éviter que le courant Îbf ne remonte vers le générateur 20 dans la mesure où le courant Îbf, à la fréquence de test Îhf, peut être considéré comme sensiblement continu.

Le courant de test Îhf présente une amplitude et un déphasage avec la tension de test vhf qui dépendent de l'impédance de l'enroulement 10, elle-même variable en fonction de la fréquence de test fnF. La figure 5 fournit, à chaque instant, les valeurs maximales et minimales de Îhf, qui définissent la courbe enveloppe du courant Îhf- Ces valeurs sont fonction de l'amplitude de la tension modulante vm, c'est-à-dire en fonction de la fréquence de test Îhf.

Dans un mode de réalisation préféré représenté, le dispositif d’injection comporte un module de mesure 43 permettant de mesurer la composante HF du courant iio qui circule dans l'enroulement, un détecteur de crête 45 permettant de déterminer l'instant tr auquel la courbe enveloppe de l'amplitude de cette composante HF est à son maximum, puis la valeur de la tension modulante Vmr correspondante, et enfin la fréquence de test correspondante, c’est-à-dire la première fréquence de résonance fri. A l'instant tr, le maximum de l'enveloppe de la composante HF de iio correspond en effet à une valeur Vmr de la tension modulante vm qui définit elle-même, compte-tenu de la fonction de transfert de l'oscillateur 38, la fréquence de test Îhf, qui, à l'instant tr, est égale à la fréquence de résonance fr*.

Le dispositif d’injection 15 comporte un interrupteur principal 60 permettant sélectivement l'application de la tension de test vhf·

Le dispositif d’injection comporte un module de commande 70 permettant de suivre l'évolution de la tension d'alimentation vBf et d'activer l'interrupteur principal 60, c'est-à-dire d'autoriser le passage du courant de test Îhf, pendant une fenêtre de mesure At comprise entre les instants ti et Î2.

De préférence, au cours de la fenêtre de mesure Δΐ, à un instant to, la tension d'alimentation vBf passe par zéro.

De préférence, la fenêtre de mesure est centrée sur un instant to correspondant à un passage par zéro de la tension d'alimentation.

La durée de la fenêtre de mesure Δΐ est de préférence supérieure à 2 fois le temps nécessaire pour balayer la fréquence de test Îhf de fHFmin à fkFmax·

De préférence, la durée de ladite fenêtre de mesure est inférieure à 100 microsecondes, à 50 microsecondes, à 30 microsecondes, à 20 microsecondes, voire à 10 microsecondes.

De préférence encore, le dispositif d’injection comporte un module de réinitialisation 72 branché entre les fils de connexion 42 et 44. Le module de réinitialisation 72 comporte de préférence un interrupteur électronique 74 et une résistance 76. L'interrupteur électronique 74, commandé par le module de commande 70, est conçu pour ne pouvoir être fermé que lorsque l'interrupteur principal 60 est ouvert, c'est-à-dire en dehors des périodes de mesure (fenêtres de mesure Δί). Dans cette configuration, l'énergie contenue dans les condensateurs peut être avantageusement évacuée. La valeur de la résistance est déterminée pour décharger les condensateurs avant l'injection suivante de la tension de test VHF·

Dans l'exemple représenté, le premier enroulement 10 est alimenté en permanence par le réseau industriel sous une tension d’alimentation vbf à une fréquence Îbf de 50 Hz et une tension entre phases de 380V, soit une amplitude de vbf de 380^2=537,4 V.

Le module de commande 70 analyse les évolutions temporelles de vbf et à l'instant ti marquant le début de la fenêtre de mesure Δΐ, commande la fermeture de l'interrupteur principal 60. L'instant ti et la fenêtre de mesure Δΐ sont de préférence choisis pour que la fenêtre de mesure Δΐ contienne un passage par zéro de la tension d'alimentation, à un instant to.

De préférence, la fenêtre de mesure est déterminée afin que, en moyenne, si l'interrupteur 60 était ouvert, la tension d'alimentation vbf serait nulle dans cette fenêtre de mesure.

Suite à la fermeture de l'interrupteur principal 60, le premier enroulement 10 est soumis à une tension vio dont la composante HF s'identifie la tension de test vhf injectée par le générateur 20. La période Tm du signal vm modulant la fréquence de test Îhf est par exemple de 10 microsecondes. vm présente, par exemple, la forme représentée sur la figure 5. En 10 microsecondes, la variation de la tension d'alimentation vbf est d'environ 1,7 V, ce qui ne présente pas de danger pour le générateur lorsqu'il est connecté en parallèle sur le premier enroulement 10. A l'échelle de la haute fréquence, la tension d'alimentation à basse fréquence peut donc être considérée comme continue et il est avantageusement possible de la filtrer au moyen des capacités, afin d'éviter de perturber le générateur 20.

Pendant la fenêtre de mesure Δΐ, la tension de test vhf est d'amplitude sensiblement constante, mais de fréquence variable, l'évolution de la fréquence étant fonction de la valeur de la tension modulante vm. Le module de mesure 42, comportant une sonde de courant qui filtre les composantes BF, permet de relever la loi d'évolution de la composante HF du courant iio qui parcourt l'enroulement. Le détecteur de crête 44 permet de déterminer les instants tr correspondant à un maximum de la courbe enveloppe de la composante HF du courant (figure 5), et donc de déterminer valeur Vmr de la tension modulante à ces instants, et, en conséquence, la première fréquence de résonance fri correspondante, à proximité de la fréquence de résonance de référence fr*.

Comme représenté sur la figure 5, la première fréquence de résonance fri peut être évaluée deux fois par période de vm. A la fin de l'injection de la tension de test vhf, l'interrupteur principal 60 est ouvert. La fermeture de l'interrupteur électronique 74 du module de réinitialisation permet avantageusement de décharger les capacités 52 et 54. Pour éviter de perturber le premier enroulement 10, la résistance 76 du module de réinitialisation doit être suffisamment élevée. Typiquement, pour un moteur de 4 kW, une résistance de 10 kQ convient. Lorsque les condensateurs 52 et 54 sont déchargés, l'interrupteur électronique 74 de réinitialisation est à nouveau ouvert.

Le dispositif d’injection est alors prêt pour la mesure suivante.

De préférence, la première fréquence de résonance est évaluée sur plusieurs périodes successives de la tension d'alimentation.

Dans un mode de réalisation, le procédé est mis en œuvre en permanence.

De préférence, le signal HF est injecté (fermeture de l'interrupteur principal 60) plus d’une fois par heure, de préférence plus de deux fois par heure, de préférence plus de quatre fois par heure, et/ou, compte tenu de l'inertie thermique, moins de 10 fois, moins de 6 fois, moins de 5 fois par heure.

Dans un mode de réalisation, un circuit du type « L-C » est connecté en série avec le premier enroulement 10 en sortie du générateur, et configuré de manière à ce que, globalement, les fréquences de résonance puissent être toujours dans la même plage de fréquences, quelle que soit la puissance de la machine électrique considérée. Avantageusement, les inductance L et capacité C étant à l'extérieur de la machine électrique, elles ne sont pas affectées par les variations de la température interne de la machine électrique.

Le dispositif d’injection décrit ci-dessus à titre d'exemple est également applicable en cas de découpage MLI, en vitesse variable. Pour un découpage MLI de l'ordre de 10 kHz correspondant à une période de 100 microsecondes, une tension modulante d'une période de 10 microsecondes est donc efficace.

La fréquence de résonnance à haute fréquence du deuxième enroulement, dite « deuxième fréquence de résonance » est évaluée, comme décrit ci-dessus pour la première fréquence de résonance, de préférence avec le même dispositif d’injection.

La détermination de la deuxième fréquence de résonance peut être simultanée ou, de préférence, postérieure, de préférence consécutive à la détermination de la première fréquence de résonance.

De préférence, les première et deuxième fenêtres de mesure pour déterminer les première et deuxième fréquence de résonnance sont consécutives. A cet effet, de préférence, le dispositif d’injection comporte un multiplexeur 80 (voir figure 4), permettant d’injecter successivement la tension de test dans le premier enroulement 10 puis dans le deuxième enroulement 11, puis, de préférence dans le troisième enroulement 12.

La proximité temporelle des première et deuxième fenêtres de mesure permet avantageusement à l’environnement thermique à l’intérieur de la machine électrique de ne pas être modifié entre les évaluations des première et deuxième fréquences de résonance. La fiabilité de la comparaison à l’étape C) en est améliorée. A l’étape C), les première et deuxième fréquences de résonance sont comparées pour détecter toute différence anormale.

Les premier et deuxième enroulements sont identiques. Ils présentent donc initialement un nombre de spires, un diamètre de fil des spires, une nature d’isolant sur le fil des spires, une épaisseur d’isolant sur le fil des spires identiques. L’écart entre les première et deuxième fréquences de résonance attribuable à des différences de structure est donc sensiblement nul.

Classiquement, les premier et deuxième enroulements sont alimentés de la même manière. Les premier et deuxième enroulements sont par exemple des enroulements disposés en étoile ou en triangle avec un troisième enroulement. En particulier, ils sont parcourus par des premier et deuxième courants électriques identiques, de préférence déphasés l’un par rapport à l’autre, et/ou soumis à des première et deuxième tensions électriques respectives identiques, de préférence déphasées l’une par rapport à l’autre, respectivement.

Toute différence significative entre les première et deuxième fréquences de résonance peut être donc attribuée à un défaut ayant généré un point chaud, pouvant notamment résulter d’une différence dans le vieillissement des premier et deuxième enroulements. L’ampleur de cette différence permet avantageusement d’évaluer l’ampleur du défaut.

Si ladite ampleur dépasse un seuil, une anomalie est signalée, par exemple par émission d’un message écrit sur un écran ou un papier, lumineux ou sonore. L’ampleur de la différence ou une information correspondante peuvent être également signalées pour informer de la gravité de l’anomalie.

De préférence, le dispositif d’injection selon l’invention comporte un module de comparaison 82, par exemple sous la forme d’un ordinateur, programmé pour mettre en œuvre l’étape C). A l’étape D), pour compléter l’analyse du défaut, la machine est de préférence arrêtée, de manière à uniformiser sa température, de préférence de manière à ramener sa température à la température ambiante. Tout point chaud a alors disparu. Les premiers et deuxième enroulements sont alors testés. En particulier, les fréquences de résonnance de ces deux enroulements peuvent être comparées.

Si les deux enroulements présentent des caractéristiques, par exemple des fréquences de résonnance, sensiblement différentes, le défaut détecté provient, au moins en partie, d’un vieillissement différent des deux enroulements. En particulier, le diélectrique d’un des enroulements peut être endommagé.

Pour déterminer lequel des deux enroulements est concerné, lesdites caractéristiques peuvent être mesurées sur un troisième enroulement statorique identique aux premier et deuxième enroulements. La comparaison des caractéristiques des trois enroulements permet avantageusement d’identifier l’enroulement défaillant : si la première fréquence de résonance est égale à la troisième fréquence de résonance, le deuxième enroulement peut être identifié comme défaillant. Au contraire, si la deuxième fréquence de résonance est égale à la troisième fréquence de résonance, le premier enroulement peut être identifié comme défaillant.

Si les deux enroulements présentent des caractéristiques sensiblement identiques, le défaut détecté ne provient pas des enroulements et la machine doit être analysée plus en détail pour déterminer l'origine du point chaud.

Comme cela apparaît clairement à présent, la présente invention permet de détecter un défaut dans une machine électrique AC, de manière non intrusive, sans ajout de capteur dans la machine électrique, alors que la machine électrique est en fonctionnement, même lorsque la tension d'alimentation varie en permanence, et en particulier ne présente pas de paliers à une valeur nulle.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, fournis à titre d'exemples non limitatifs.

En particulier, l'évaluation de la première et/ou deuxième fréquence de résonance peut résulter de la recherche d'un extremum de courant, comme décrit et représenté, la composante HF du courant iio étant maximale pour une résonance série et minimale pour une résonance parallèle, mais aussi de la recherche d'un déphasage nul entre les composantes HF de iio et vio. La recherche d'une fréquence de vhf permettant d'annuler le déphasage est une technique bien connue de l'homme de l'art. La recherche d'une fréquence de résonance par recherche d'une synchronisation de phase entre les composantes HF de vio et iio est avantageusement possible, que la fréquence de résonance soit du type série ou du type parallèle. A haute fréquence, cette recherche est cependant plus délicate.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de détection d’un défaut d'une machine électrique à courant alternatif comportant des premier et deuxième enroulements statoriques identiques, en fonctionnement, ledit procédé comportant les étapes successives suivantes : A) détermination, à l’arrêt et de préférence à température ambiante, d’une fréquence de résonance de référence des premier et deuxième enroulements, ladite fréquence de résonance de référence étant supérieure à 100 kHz ; B) détermination, en fonctionnement, de première et deuxième fréquences de résonance des premier et deuxième enroulements, respectivement, à proximité de la fréquence de résonance de référence ; C) comparaison, en fonctionnement, des première et deuxième fréquences de résonance et, si la différence entre lesdites première et deuxième fréquences de résonnance est supérieure à un seuil, fourniture d’une information pour signaler un défaut ; D) optionnellement, arrêt et refroidissement de la machine électrique, puis comparaison des premier et deuxième enroulements afin de déterminer si l’un desdits premier et deuxième enroulements est à l’origine du défaut.
2. 2. Procédé selon la revendication immédiatement précédente, dans lequel la fréquence de résonance de référence est une fréquence de résonance série.
3. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fréquence de résonance de référence est supérieure à 1 MHz.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, à l’étape B), on applique aux bornes du premier enroulement et du deuxième enroulement de la machine électrique testée, de préférence successivement, des première et deuxième tensions de test pendant des première et deuxième fenêtres de mesure, respectivement, les fréquences, dites « fréquences de test », des première et deuxième tensions de test étant à proximité de la fréquence de résonance de référence, et on fait évoluer les fréquences de test à proximité de la fréquence de résonance de référence jusqu’à ce qu’elles soient égales à une fréquence de résonnance pour le premier enroulement et le deuxième enroulement, respectivement
5. 5. Procédé selon la revendication immédiatement précédente, dans lequel les première et deuxième fenêtres de mesure sont séparées d’une durée inférieure à une demi-période de la tension d'alimentation desdits premier et deuxième enroulements.
6. 6. Procédé selon l’une quelconque des deux revendications immédiatement précédentes, dans lequel la tension aux bornes du premier et/ou deuxième enroulement passe par zéro pendant la première et/ou deuxième fenêtre de mesure, respectivement.
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premier et deuxième enroulements sont disposés en étoile ou en triangle avec un troisième enroulement.
8. 8. Procédé selon la revendication immédiatement précédente, ledit procédé comportant les étapes successives suivantes : A') détermination, à l’arrêt et de préférence à température ambiante, d’une fréquence de résonance de référence de premier, deuxième et troisième enroulements identiques, ladite fréquence de résonance de référence étant supérieure à 100 kHz ; B') détermination, en fonctionnement, de première, deuxième et troisième fréquences de résonance des premier, deuxième et troisième enroulements, respectivement, à proximité de la fréquence de résonance de référence ; C') comparaison des première, deuxième et troisième fréquences de résonance et fourniture d’une information relative aux différences entre lesdites première, deuxième et troisième fréquences de résonance, et de préférence signalement de toute différence entre deux des première, deuxième et troisième fréquences de résonance supérieure à un seuil ; D') optionnellement, arrêt et refroidissement de la machine électrique, de préférence jusqu’à la température ambiante, de manière à faire disparaître tout point chaud, puis comparaison des premier, deuxième et troisième enroulements afin de déterminer si l’un desdits premier, deuxième et troisième enroulements est à l’origine du défaut.
9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la machine électrique testée est choisie dans le groupe formé par les moteurs électriques, synchrones ou asynchrones, les alternateurs, les turbo-alternateurs et les machines électriques fonctionnant à vitesse variable mettant en œuvre un onduleur à modulation de largeur d'impulsion.
10. 10. Dispositif pour la mise en œuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un générateur (20) comportant : - un modulateur (36) apte à générer une tension modulante vm présentant une valeur variable dans le temps ; - un oscillateur (38) contrôlé par la tension modulante vm, apte à générer une tension de test vhf d’amplitude constante et à une fréquence de test Îhf variable en fonction de la valeur de la tension modulante ; un interrupteur principal (60) apte à sélectivement commander ledit générateur; un module de commande apte à fermer ledit interrupteur principal pendant une fenêtre de mesure Δί, la fenêtre de mesure Δί étant adaptée pour que la fréquence de test Îhf parcourt une plage [fHFmin-fHFmax] sous l’effet de la variation de la valeur de la tension modulante, la fréquence de test minimale fHFmin étant supérieure à 100 kHz, la fenêtre de mesure Δί incluant de préférence un passage par zéro de la tension d'alimentation vbf de l'enroulement ; un module de mesure (43) de la composante HF du courant parcourant l'enroulement pendant ladite fenêtre de mesure ; un détecteur de crête (45) apte à déterminer - un instant tr auquel la courbe enveloppe de l’amplitude de la composante HF du courant (ii0) mesuré par ledit module de mesure est à un maximum ; - la valeur Vmr de la tension modulante vm audit instant tr ; - la fréquence de test tW correspondant à ladite valeur Vmr de la tension modulante audit instant t,. c'est-à-dire une fréquence de résonance à haute fréquence dudit enroulement, le dispositif comportant encore un multiplexeur (80) commandant successivement des injections de dites tensions de test dans le premier enroulement puis dans le deuxième enroulement, à proximité de première et deuxième fréquences de résonance de référence, respectivement, afin d’évaluer des première et deuxième fréquences de résonance des premier et deuxième enroulements, respectivement, à proximité de la fréquence de résonance de référence, respectivement.