a. bruno.contribution à la détection de défauts dans les rotors des turboalternateurs

N dordre : 40749

UNIVERSITE LILLE 1

ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES POUR LINGENIEUR

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

THESE EN COTUTELLE

Doctorat

Gnie Electrique

Bruno Akihiro Tanno Iamamura

CONTRIBUTION A LA DETECTION DE DEFAUTS

DANS LES ROTORS DES TURBOALTERNATEURS

Soutenue le 16 dcembre 2011

Devant le jury compos de :

M. Joo Pedro Assumpo BASTOS Prsident

M. Nourredine TAKORABET Rapporteur

M. Silvio Ikuyo NABETA Rapporteur

M. Claude MARCHAND Examinateur

M. Jean Vianei LEITE Examinateur

Mme. Eilin GUILLOT Invite, EDF R&D

M. Sebastio Lauro NAU Invit, WEG

M. Yvonnick LE MENACH Examinateur, Encadrant

M. Abdelmounam TOUNZI Examinateur, Directeur de Thse

M. Nelson SADOWSKI Examinateur, Directeur de Thse

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO

EM ENGENHARIA ELTRICA

E

UNIVERSITE LILLE 1

ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES

POUR LINGENIEUR


CONTRIBUIO DETEO DE DEFEITOS NOS

ROTORES DE TURBOALTERNADORES

Tese em regime de co-tutela

submetida ao Programa de ps-

graduao em Engenharia Eltrica da

Universidade Federal de Santa

Catarina e Escola de doutorado de

cincias para a engenharia da

Univesidade Lille 1 para a obteno

do grau de Doutor em Engenharia

Eltrica

Orientadores:

Prof. Dr. Abdelmounam Tounzi

Prof. Dr. Nelson Sadowski

Co-orientador:

Prof. Dr. Yvonnick Le Menach

Florianpolis

2011


CONTRIBUIO DETEO DE DEFEITOS

NOS ROTORES DE TURBOALTERNADORES

Esta Tese foi julgada adequada para obteno do Ttulo de Doutor

em Engenharia Eltrica, rea de Concentrao Eletromagnetismo e Dispositivos

Eletromagnticos, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Ps-Graduao em

Engenharia Eltrica da Universidade Federal de Santa Catarina.

Florianpolis, 16 de dezembro de 2011.

____________________________________________

Prof. Patrick Kuo-Peng, Dr.

Coordenador do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica

Banca Examinadora:

_______________________________

Prof. Abdelmounam Tounzi, Dr.

Orientador

_______________________________

Prof. Yvonnick Le Menach, Dr.

Co-Orientador

_______________________________

Prof. Nourredine Takorabet, Dr.

_______________________________

Prof. Claude Marchand, Dr.

_______________________________

Eng. Eilin Guillot EDF R&D

__________________________________

Prof. Nelson Sadowski, Dr.

Orientador

_______________________________

Prof. Joo Pedro Assumpo Bastos, Dr.

____________________________

Prof. Silvio Ikuyo Nabeta, Dr.

____________________________

Prof. Jean Vianei Leite, Dr.

_______________________________

Eng. Sebastio Lauro Nau, Dr. - WEG

i

Remerciements

Ce travail est le fruit de la collaboration de plusieurs personnes, entits et entreprise

donc je tiens remercier :

En tout premier lieu Abdelmounam Tounzi et Nelson Sadowski, mes directeurs de

thse, et Yvonnick Le Menach, mon co-encadrant, qui ont dirig cette thse tout au long de

ces trois annes. Ils mont fait confiance et mont proportionn lopportunit de raliser cette

thse en cotutelle entre les laboratoires L2EP, de Lille en France, et GRUCAD, de

Florianpolis au Brsil. Surtout je vous remercie pour votre temps et votre patience concds

et les connaissances partags.

Joo Pedro Assumpo Bastos qui a beaucoup contribu pour faire ce doctorat en

cotutelle possible et de mavoir fait lhonneur dtre le prsident de mon jury de thse.

Les rapporteurs de cette thse Nourredine Takorabet et Silvio Ikuyo Nabeta pour la

rapidit avec laquelle ils ont lu mon manuscrit et lintrt quils ont port mon travail. Merci

galement aux autres membres du jury qui ont accept de juger ce travail : Claude Marchand,

Jean Vianei Leite, Sebastio Lauro Nau et en particulier Eilin Guillot, qui ma toujours aid et

tait disponible pour les discussions et pour claircir mes doutes.

EDF R&D pour le financement de cette thse dans la figure dOlivier Cournil, chef de

lquipe R25 du dpartement Themis. Je tiens remercier en particulier Jrmy Langlet,

Thierry Jacq et Benoit de Vigne sans qui la partie exprimentale de ce travail naurait pas t

possible.

Je noublierai pas les aides permanentes reues du personnel administratif : Claire

(L2EP), Celly (GRUCAD), Virginie (L2EP), Olivier (L2EP), Vronique (EDF), Sylvie (EDF)

et Mme. Baratto (L2EP). Je serai toujours reconnaissant Emmanuelle qui a nous aid

trouver un appartement lorsque nous sommes arrivs en France.

Je tiens remercier lensemble du L2EP et du GRUCAD.

Enfin, une pense mue pour tous les tudiants avec qui jai partag une salle, un caf,

ou un repas et qui jai pos de nombreuses questions pendant ces trois annes, en

particulier : Francisc, Mircea, Zuqi, Radu, Zifu, Camille, Tony, Quang, Anne-Laure, Federica,

Maria, Benoit, Ludovic, Clment et Ke. En spcial Juliana, mon pouse, qui a toujours t

mon ct. Sans elle cette thse naurait pas de sens.

A ma famille pour mavoir toujours encourag apprendre.

iii

Rsum

Ce travail a pour objectif de dvelopper des mthodes de dtection, localisation et

caractrisation de dfauts sur une maquette de turboalternateur. Les dfauts abords ici sont le

court-circuit entre les spires du rotor et les excentricits rotoriques. Les mthodes seront, par

la suite, adaptes ltude des machines de 900 et 1300 MW du parc nuclaire dEDF.

Pour cela, la maquette d'essais a t modlise par deux approches, analytique et numrique

par lments finis. Des mthodes pour dtecter et localiser les dfauts rotoriques ont ensuite

t dveloppes. Les rsultats de simulations utilisant les deux approches et des essais

exprimentaux ont ts analyss et compars. Ils ont montr une bonne concordance et

dmontr une bonne aptitude de la mthode propose la dtection et localisation des dfauts.

Diffrents cas de dfauts, associs plusieurs points de fonctionnement de la machine, ont t

tudis et ont montr la bonne fiabilit des mthodes de dtection dveloppes.

Mots-cls : Calcul analytique, court-circuit entre spires, diagnostic de dfaut, excentricit,

mthode des lments finis, mesure de flux magntique, mesures exprimentales,

turboalternateur.

v

Resumo

Este trabalho tem como objetivo desenvolver mtodos de deteco, localizao e

caracterizao de defeitos em um turboalternador em escala reduzida. Os defeitos estudados

neste trabalho so o curto-circuito entre espiras do rotor e as excentricidades rotricas. Os

mtodos sero, em seguida, adaptados aos estudos das mquinas de 900 e 1300 MW do

parque nuclear da empresa EDF (Electricit de France).

Para isto, a mquina em escala reduzida, foi simulada com o auxlio de dois modelos, um

analtico e um numrico por elementos finitos. Os mtodos para detectar e localizar os

defeitos rotricos foram, em seguida, desenvolvidos. Os resultados das simulaes utilizando

os dois modelos e os testes experimentais foram analisados e comparados entre si. Uma boa

concordncia foi verificada, o que confirma o bom funcionamento dos mtodos propostos

para a deteco dessas anomalias. Vrios casos de defeitos, associados a diferentes modos de

trabalho da mquina, foram estudados, comprovando a confiabilidade dos mtodos de

deteco desenvolvidos.

Palavras-chave: Clculo analtico, curto-circuito entre espiras, diagnstico de defeito,

excentricidade, mtodo dos elementos finitos, medio de fluxo magntico, medidas

experimentais, turboalternador.

vii

Abstract

The aim of this work is to develop methods to detect, locate and recognise faults in a

turbogenerator of reduced scale. In the framework of this study, only short-circuit defects in

the rotor windings and rotor eccentricities were investigated. The developed methods would

be adapted to the machines of EDF nuclear plant of 900 and 1300 MW.

First the studied machine was modelled using an analytical approach and a numerical model

based on the finite element method. Then, the methods to detect and locate the rotor faults

were developed. The results obtained from simulations using both approaches and

experimental measurements were analysed and compared. They showed a good agreement

and demonstrated a good capacity of the method proposed to detect and locate the faults.

Several fault cases, at different operating points of the machine, were studied and they

showed the good reliability of the method.

Keywords: Analytic calculation, interturn short-circuit, fault diagnosis, eccentricity, finite

element method, magnetic flux measurement, experimental measures, turbogenerator.

ix

Table des Matires

REMERCIEMENTS ........................................................................................................... I

RESUME ....................................................................................................................... III

RESUMO ....................................................................................................................... V

ABSTRACT ................................................................................................................... VII

TABLE DES MATIERES ................................................................................................... IX

LISTE DES FIGURES ..................................................................................................... XIII

INTRODUCTION GENERALE ........................................................................................... 1

1. ETAT DE LART ET MAQUETTE EXPERIMENTALE ..................................................... 5

1.1 LES DEFAUTS ......................................................................................................... 6 1.1.1 Excentricits ............................................................................................... 7 1.1.2 Court-circuit entre spires ........................................................................... 9

1.2 TECHNIQUE DE DETECTION DES DEFAUTS DANS LE ROTOR .............................................. 10 1.2.1 Mthodes hors ligne ................................................................................ 11 1.2.2 Mthodes en ligne ................................................................................... 13 1.2.3 Mthode avec capteur de flux dans lentrefer ........................................ 16

1.3 MAQUETTE DETUDE ............................................................................................. 19 1.3.1 Caractristiques Electriques .................................................................... 20 1.3.2 Gomtrie ................................................................................................ 20 1.3.3 Schma de Bobinage ............................................................................... 22 1.3.4 Court-circuit ............................................................................................. 24 1.3.5 Excentricit .............................................................................................. 25 1.3.6 Instrumentation en temprature ............................................................ 27 1.3.7 Instrumentation de flux dans lentrefer de la maquette ......................... 28 1.3.8 Bagues Collectrices .................................................................................. 31 1.3.9 Systme dacquisition .............................................................................. 32

1.4 CONCLUSION ....................................................................................................... 33

2. MODELE .............................................................................................................. 35

2.1 METHODE DES ELEMENTS FINIS ............................................................................... 36 2.1.1 Equations de Maxwell ............................................................................. 36 2.1.2 Lois de comportement ............................................................................. 37 2.1.3 Conditions aux limites ............................................................................. 37 2.1.4 Les formulations de la magntostatique ................................................. 38 2.1.5 La formulation magntodynamique ....................................................... 39 2.1.6 La mthode des lments finis ................................................................ 41

2.2 MODELE ANALYTIQUE ............................................................................................ 47 2.2.1 Induction dans lentrefer dune machine saine ....................................... 48 2.2.2 Induction dentrefer dans les cas de dfauts ........................................... 51 2.2.3 Signal de tension induite au capteur de flux ........................................... 53

2.3 CONCLUSION ....................................................................................................... 55

x

3. SIMULATION DE LA MAQUETTE ........................................................................... 57

3.1 LE MAILLAGE DE LA MAQUETTE ................................................................................ 57 3.2 CARACTERISTIQUE DES MATERIAUX ........................................................................... 60 3.3 LES TROUS DE VENTILATION .................................................................................... 61 3.4 LES EVENTS ET LE COEFFICIENT DE FOISONNEMENT ...................................................... 62 3.5 LES AMORTISSEURS MAGNETODYNAMIQUE ............................................................. 65 3.6 ETUDE DE LA TAILLE DE LENTREFER .......................................................................... 73 3.7 CALAGE DE LA MAQUETTE ....................................................................................... 74 3.8 SIMULATION AVEC EFCAD CODE 2D DU GRUCAD (BRESIL) ..................................... 75 3.9 SIMULATION DE LA CHARGE .................................................................................... 77 3.10 SIMULATION DES CAPTEURS DE FLUX (BOBINES RADIALES)............................................. 81 3.11 CONCLUSION ....................................................................................................... 85

4. EXCENTRICITES .................................................................................................... 87

4.1 APPROCHE DE DETECTION DES EXCENTRICITES ............................................................. 88 4.1.1 Mthode gnrale ................................................................................... 88 4.1.2 Application la machine dtude ............................................................ 89

4.2 ETUDE DES EXCENTRICITES PAR LAPPROCHE ANALYTIQUE.............................................. 90 4.2.1 Traitements des donnes pour lapproche analytique ............................ 90 4.2.2 Dtection des diffrentes excentricits ................................................... 92 4.2.3 Influence de la direction de lexcentricit statique .................................. 94 4.2.4 Influence de lintensit des excentricits ................................................. 96

4.3 ETUDE DES EXCENTRICITES PAR LAPPROCHE NUMERIQUE .............................................. 97 4.3.1 Mthode pour tenir compte des excentricits......................................... 98 4.3.2 Mise en uvre des capteurs dans le modle numrique ........................ 99 4.3.3 Etude en fonctionnement vide............................................................ 100 4.3.4 Etude en fonctionnement en charge ..................................................... 109

4.4 ETUDE EXPERIMENTALE DES EXCENTRICITES .............................................................. 112 4.4.1 Etude en fonctionnement vide............................................................ 112 4.4.2 Etude en fonctionnement en charge ..................................................... 115

4.5 METHODE DE DETECTION DEXCENTRICITE STATIQUE .................................................. 117 4.6 SIMULATION DEXCENTRICITE EN 3 DIMENSIONS ....................................................... 119 4.7 CONCLUSION ..................................................................................................... 121

5. DEFAUTS DE COURT-CIRCUIT ............................................................................. 123

5.1 APPROCHE DE DETECTION DES COURTS-CIRCUITS ....................................................... 124 5.1.1 Mthode gnrale ................................................................................. 124 5.1.2 Application la machine dtude .......................................................... 125

5.2 ETUDE DES COURTS-CIRCUITS PAR LAPPROCHE ANALYTIQUE ........................................ 126 5.3 ETUDE DES COURTS-CIRCUITS PAR LAPPROCHE NUMERIQUE ........................................ 128

5.3.1 Vrification de lhypothse de court-circuit .......................................... 128 5.3.2 Etude vide ........................................................................................... 130

5.4 ETUDE DES COURTS-CIRCUITS PAR LEXPERIMENTATION .............................................. 131 5.4.1 Etude vide ........................................................................................... 131

5.5 TRAITEMENT DES DONNEES ................................................................................... 133 5.6 ETUDE DE LINFLUENCE DE LOCALISATION DU COURT-CIRCUIT ET DE LA CHARGE SUR LA DETECTION DES DEFAUTS 138

xi

5.6.1 Influence de la localisation du court-circuit .......................................... 139 5.6.2 Influence de la charge de la machine sur la dtection du court-circuit 142

5.7 METHODE DE DETECTION SUPPLEMENTAIRE ............................................................. 145 5.8 COURT-CIRCUIT ET EXCENTRICITE ........................................................................... 147

5.8.1 Cas tudis par lments finis ............................................................... 147 5.8.2 Rsultat avec les mesures exprimentales ............................................ 150

5.9 CONCLUSION ..................................................................................................... 152

CONCLUSION GENERALE ........................................................................................... 155

ANNEXES .................................................................................................................. 159

ANNEXE 1 DESCRIPTION DU BANC DESSAI DE LALTERNATEUR [62] ....................................... 159 1 Principales fonctions du banc d'essai ............................................................ 159 2 Structure du banc d'essai .............................................................................. 159 3 Armoire de puissance et de commande ........................................................ 160

ANNEXE 2 GEOMETRIE DES TOLES [60] ............................................................................ 165 1 Gomtrie de dcoupage de la tle du stator ............................................... 165 2 Gomtrie de dcoupage de la tle du rotor ................................................ 166

REFERENCES ............................................................................................................. 167

xiii

Liste des Figures

Figure 1.1 - Les excentricits, avec le centre du stator en rouge ............................................... 8

Figure 1.2 - Court-circuit entre spires d un surchauffement de lisolant [36] ..................... 9

Figure 1.3 - Court-circuit entre spires [36][13] ........................................................................ 10

Figure 1.4 Analyse de la tension de phase vide [43] .......................................................... 12

Figure 1.5 - Mesure du courant dans les enroulements connects en parallle [2] .................. 12

Figure 1.6 Turboalternateur dessai avec les capteurs de flux [9] ........................................ 13

Figure 1.7 - RSO technique [65] .............................................................................................. 14

Figure 1.8 Dcomposition du signal en transforme dondelettes [78] ................................ 15

Figure 1.9 - Utilisation de capteurs capacitifs [68] .................................................................. 16

Figure 1.10 Flux de la couronne du stator [47] ..................................................................... 16

Figure 1.11 - Capteurs de flux dans lentrefer par Albright [15] ............................................. 17

Figure 1.12 - Capteurs de flux dans lentrefer spars un de lautre de 180 spatialement [61]

.................................................................................................................................................. 17

Figure 1.13 - Influence de la charge dans lanalyse [14] ......................................................... 18

Figure 1.14 Vue densemble de la maquette ......................................................................... 20

Figure 1.15 - Demi-coupe de la machine ................................................................................. 21

Figure 1.16 Extrmit du stator de la maquette..................................................................... 22

Figure 1.17 Rotor de la maquette .......................................................................................... 22

Figure 1.18 Schma de bobinage dune phase statorique ..................................................... 23

Figure 1.19 - Schma de bobinage du rotor ............................................................................. 23

Figure 1.20 - Coupe droite des encoches dun ple du rotor ................................................... 24

Figure 1.21 Court-circuit de six spires en vert ...................................................................... 24

Figure 1.22 Court-circuit en vert ........................................................................................... 25

Figure 1.23 Dessin du dispositif pour mettre en uvre les excentricits statiques ............... 26

Figure 1.24 Codes des excentricits ...................................................................................... 26

Figure 1.25 Dplacements du centre du rotor en fonction des codes des excentricits ........ 27

Figure 1.26 Localisation des sondes de temprature dans le rotor ........................................ 28

Figure 1.27 Diffrents types de bobines de flux ................................................................... 28

Figure 1.28 Capteur en circuit imprim ................................................................................ 29

xiv

Figure 1.29 Vue en perspective de la localisation des capteurs dans lentrefer de la machine

(vue ct bagues collectrices) .................................................................................................. 30

Figure 1.30 Agrandissement de lemplacement de quelques capteurs .................................. 30

Figure 1.31 Schma de raccordement des bagues collectrices .............................................. 31

Figure 1.32 Maquette avec les dtails des bagues collectrices.............................................. 31

Figure 1.33 Face-avant de lacquisition ................................................................................ 33

Figure 2.1 Exemples de types dlments [31] ..................................................................... 42

Figure 2.2 Triangle du premier ordre avec des inconnues nodales ....................................... 43

Figure 2.3 Machine rluctance variable double denture [63] .......................................... 49

Figure 2.4 Courbes obtenues travers de calculs analytiques. ............................................. 51

Figure 2.5 Induction radiale dans le cas de la maquette saine .............................................. 51

Figure 2.6 Calculs analytiques de la densit de permance dans le cas dexcentricit .......... 52

Figure 2.7 Force magntomotrice analytique dans les cas dun court-circuit. ...................... 53

Figure 2.8 Flux magntique analytique dune bobine radiale courte .................................... 54

Figure 2.9 Tension induite analytique dans une bobine radiale courte ................................. 55

Figure 3.1 - Maillages .............................................................................................................. 58

Figure 3.2 Comparaison de lnergie des simulations .......................................................... 59

Figure 3.3 Obtention de la courbe B(H) ................................................................................ 61

Figure 3.4 Tles du stator et du rotor .................................................................................... 61

Figure 3.5 Comparaison des caractristiques vide avec et sans les trous de ventilation .... 62

Figure 3.6 Coupe longitudinal des tles ................................................................................ 62

Figure 3.7 Maillage dun quart de la machine avec un vent (en jaune) .............................. 63

Figure 3.8 Coupe longitudinal des maillages ........................................................................ 63

Figure 3.9 Comparaison des caractristiques de la machine avec e sans vent .................... 64

Figure 3.10 Maillage de la machine avec les amortisseurs en bleu ...................................... 66

Figure 3.11 Courants induits dans les amortisseurs de la machine au premier pas de calcul 67

Figure 3.12 Evolution de lnergie magntique totale de la simulation en

magntodynamique .................................................................................................................. 67

Figure 3.13 Comparaison entre lnergie en rgime permanent pour une simulation normale

et une simulation utilisant un pas de calcul initial lev .......................................................... 68

Figure 3.14 Courant induit dans les amortisseurs de la machine en rgime permanent vide

.................................................................................................................................................. 68

Figure 3.15 fems triphases pour la machine vide avec un courant dexcitation de 10 A . 69

xv

Figure 3.16 Maillage avec les anneaux qui referment les barres amortisseur (en bleu

fonce), en gris le fer du stator et du rotor ............................................................................... 70

Figure 3.17 Le maillage des barres amortisseur en bleu clair avec les anneaux qui les

referment en bleu fonc ............................................................................................................ 71

Figure 3.18 Courants induits dans les amortisseurs de la machine en rgime permanent

vide ........................................................................................................................................... 71

Figure 3.19 Courants induits dans les amortisseurs + les anneaux de la machine en rgime

permanent vide ...................................................................................................................... 72

Figure 3.20 Comparaison de la fem dune phase pour la machine vide avec un courant

dexcitation de 10 A ................................................................................................................. 72

Figure 3.21 Comparaison des rsultats pour diffrentes tailles dentrefer ............................ 73

Figure 3.22 Maillage de la maquette ..................................................................................... 74

Figure 3.23 Comparaison des tensions composes en fonction du temps en A et A- et

mesure ...................................................................................................................................... 75

Figure 3.24 - Comparaison des caractristiques de la machine issues de la simulation et des

mesures ..................................................................................................................................... 75

Figure 3.25 Maillage en 2 dimensions .................................................................................. 76

Figure 3.26 Cartes des rponses de la simulation avec EFCAD ........................................... 76

Figure 3.27 Courbes avec code_Carmel et avec lEFCAD .................................................. 77

Figure 3.28 Circuit quivalent par phase dun gnrateur synchrone ................................... 78

Figure 3.29 Diagramme de Potier ......................................................................................... 78

Figure 3.30 Tension simple vide en magntostatique ........................................................ 79

Figure 3.31 Calcul de Xs ........................................................................................................ 80

Figure 3.32 Organigramme du calcul de langle de charge et du courant dexcitation ........ 80

Figure 3.33- Comparaison entre la tension et le courant dune phase simuls et mesurs pour

une charge inductive de 20 kVA .............................................................................................. 81

Figure 3.34 Zoom de lentrefer du maillage.......................................................................... 82

Figure 3.35 Position des nuds de la spire exploratrice (vue de ct) ................................. 82

Figure 3.36 Simulation des capteurs de flux ......................................................................... 83

Figure 3.37 Comparaison entre les signaux des capteurs simuls et mesurs ...................... 84

Figure 4.1 Mthode de dtection des excentricits dans le cas de la machine dtude. ........ 89

Figure 4.2 Schme de la variation de la direction de lexcentricit statique ......................... 90

Figure 4.3 - Les tensions induites et les inductions radiales dans les bobines ......................... 91

xvi

Figure 4.4 - Les rsultants des sommes ou soustractions des inductions des bobines et leurs

transform de Fourier ............................................................................................................... 92

Figure 4.5 Signaux rsultants de laddition des inductions radiales dans lentrefer et les FFT

correspondantes pour diffrents cas avec la machine vide pour le calcul analytique ........... 93

Figure 4.6 Comparaison des rsultats en fonction de la direction des excentricits statiques

pour le calcul analytique .......................................................................................................... 95

Figure 4.7 Comparaison des rsultats en fonction de l'intensit des excentricits pour le

calcul analytique ....................................................................................................................... 96

Figure 4.8 Simulation des excentricits, centre gomtrique en vert. ................................... 99

Figure 4.9 Position des capteurs dans le maillage ............................................................... 100

Figure 4.10 Carte de champ pour la simulation de la machine saine .................................. 101

Figure 4.11 Carte de champ pour la simulation de la machine avec une excentricit statique

de 0,3 mm ............................................................................................................................... 101

Figure 4.12 Carte de champ pour la simulation de la machine avec une excentricit

dynamique de 0,3 mm ............................................................................................................ 102

Figure 4.13 Carte de champ pour la simulation de la machine avec une excentricit

combine (statique de 0,3 mm et dynamique de 0,3 mm) ...................................................... 102

Figure 4.14 Signaux rsultants de laddition des inductions radiales dans lentrefer et les

FFT correspondantes pour diffrents cas avec la machine vide, calculs en magntostatique A

................................................................................................................................................ 104

Figure 4.15 Signaux rsultants de laddition des inductions radiales dans lentrefer et les

FFT correspondantes pour diffrents cas avec la machine vide, magntodynamique A- . 105


pour la simulation en formulation magntostatique A ........................................................... 106


pour la simulation en formulation magntodynamique A- .................................................. 107

Figure 4.18 Comparaison des rsultats en fonction de l'intensit des excentricits ............ 109

Figure 4.19 Influence de diffrents points de fonctionnement de la machine sur les

harmoniques pour les cas de la machine avec excentricit statique de 0,3 mm et la machine

avec excentricit dynamique de 0,3 mm ................................................................................ 111

Figure 4.20 - Les rsultants exprimentaux des sommes ou soustractions des inductions des

bobines et leurs transform de Fourier pour la machine saine ............................................... 113

xvii

Figure 4.21 Evolution de la raie 50 Hz en fonction de lexcentricit statique exprimentale

(Pour les codes de la position du rotor voir Figure 1.24) ....................................................... 114

Figure 4.22 Evolution des raies de 25 e 75 Hz en fonction de lexcentricit statique

exprimental (Pour les codes de la position du rotor voir Figure 1.24) ................................. 114

Figure 4.23 Influence de diffrents cas de fonctionnement de la machine sur les

harmoniques pour les cas de la machine saine et excentricit statique +3 +3 . ................ 116

Figure 4.24 Reprsentation de d et par rapport aux positions des capteurs de flux ......... 118

Figure 4.25 Evolution des tensions efficaces mesurs dans les trois capteurs en fonction de

lexcentricit statique exprimental (Pour les codes de la position du rotor voir Figure 1.24)

................................................................................................................................................ 119

Figure 4.26 Evolution des tensions efficaces simules dans les trois capteurs en fonction de

lexcentricit statique exprimental (Pour les codes de la position du rotor voir Figure 1.24)

................................................................................................................................................ 119

Figure 4.27 Mthode de modlisation des excentricits de trois dimensions. .................... 120

Figure 4.28 Signaux rsultants de ladition des inductions radiaux dans lentrefer et leurs

transforms de Fourier correspondants. ................................................................................. 121

Figure 5.1 Mthode de dtection de court-circuit ............................................................... 125

Figure 5.2 - et , simulation analytique dun court-circuit du type A1 (6 Spires) ............. 126

Figure 5.3 - w = - , simulation analytique dun court-circuit du type A1 (6 Spires) ....... 127

Figure 5.4 - w = - , simulation analytique dun court-circuit du type A3 (6 Spires) ....... 127

Figure 5.5 Maillage de la machine pour ltude de la prise en compte du court-circuit, en

dtail le court-circuit simul de 24 spires sur 54 de lencoche .............................................. 128

Figure 5.6 Comparaison de la tension induite dans une capteur dinduction dans lentrefer

pour diffrents cas de simulation de court-circuit .................................................................. 129

Figure 5.7 - et , simulation numrique dun court-circuit du type A1 (6 Spires) ............ 130

Figure 5.8 - w = - , simulation numrique dun court-circuit du type A1 (6 Spires) ...... 130

Figure 5.9 - w = - , simulation numrique dun court-circuit du type A3 (6 Spires) ...... 131

Figure 5.10 - et , signaux mesurs dun court-circuit du type A1 (6 Spires) ................... 132

Figure 5.11 Zoom de et , signaux mesurs dun court-circuit du type A1 (6 Spires) ... 132

Figure 5.12 - w = - , signal mesur dun court-circuit du type A1 (6 Spires) ................. 133

Figure 5.13 - w = - , signal mesur dun court-circuit du type A3 (6 Spires) ................. 133

Figure 5.14 Rsultats pour les simulations et mesure dans le cas dun court-circuit B4

(24 Spires) avec la machine vide ......................................................................................... 134

xviii

Figure 5.15 w = - , dtail des rsultats des simulations et mesure, avec la faon de

localiser les courts-circuits, dans le cas dun court-circuit B4 (24 Spires) ............................ 135

Figure 5.16 Rsultats traits pour les simulations et la mesure dans le cas dun court-circuit

B4 (24 Spires) avec la machine vide ................................................................................... 136

Figure 5.17 w = - traits, dtail des rsultants des simulations et mesure, avec la faon

de localiser les courts-circuits, dans le cas dun court-circuit B4 (24 Spires)........................ 137

Figure 5.18 w = - traits, dtail des signaux rsultants des simulations et mesure, avec

la faon de localiser les courts-circuits, dans le cas dun court-circuit A1 (6 Spires)............ 137

Figure 5.19 w = - traits, dtail des signaux rsultants des simulations et mesure, avec

la faon de localiser les courts-circuits, dans le cas dun court-circuit A3 (6 Spires)............ 138

Figure 5.20 w = - traits, rsultant de la simulation par lments finis et mesure

exprimentale pour le cas de la machine saine ...................................................................... 140


exprimentale pour le cas dun court-circuit de 6 spires de type A1 ..................................... 140








exprimentale pour le cas dun court-circuit de 12 spires de type B2 ................................... 141


exprimentale pour le cas dun court-circuit de 24 spires de type B4 ................................... 142

Figure 5.27 w = - traits, rsultant du calcul analytique, de la simulation par lments

finis et mesure exprimentale pour le cas dun court-circuit de 12 spires de type B2 avec la

machine vide et courant dexcitation de 10A ...................................................................... 143


exprimentale pour le cas dun court-circuit de 12 spires de type B2 avec la machine en

charge inductive de 10kVA .................................................................................................... 143

xix



charge purement rsistive de 12,5kVA .................................................................................. 144



charge purement rsistive de 25kVA ..................................................................................... 144

Figure 5.31 Organigramme de la mthode complmentaire de la dtection de court-circuit

................................................................................................................................................ 146

Figure 5.32 Vrification de linfluence des courts-circuits sur la mthode de dtection des

excentricits, rsultat simul avec lments finis ................................................................... 148

Figure 5.33 Vrification de linfluence des courts-circuits sur la mthode de dtection de

lexcentricit statique, rsultat simul par lments finis ...................................................... 149

Figure 5.34 Vrification de linfluence des excentricits sur la mthode de dtection et

localisation de court-circuit, w = - traits, simulation lments finis pour le cas dun

court-circuit de 12 spires de type B2 avec la machine en charge purement rsistive de 25kVA

................................................................................................................................................ 149


localisation de court-circuit, w = - traits, simulation lments finis pour le cas dun

court-circuit de 24 spires de type B4 avec la machine en charge purement rsistive de 25kVA

................................................................................................................................................ 150

Figure 5.36 Vrification de linfluence des courts-circuits sur la mthode de dtection des

excentricits, rsultat exprimental ........................................................................................ 151

Figure 5.37 Vrification de linfluence des courts-circuits sur la mthode de dtection de

lexcentricit statique, rsultat exprimental .......................................................................... 152


localisation de court-circuit, w = - traits, mesure exprimentale pour le cas dun court-

circuit de 12 spires de type B4 avec la machine en charge purement rsistive de 25kVA .... 152

1

INTRODUCTION GENERALE

Les travaux faisant l'objet de cette thse ont t raliss dans le cadre dun contrat

CIFRE avec EDF R&D (Dpartement THEMIS), et en cotutelle entre les laboratoires L2EP,

de Lille en France, et GRUCAD, de Florianpolis au Brsil. Par ailleurs, cette tude constitue

galement l'opration 3 du projet MEDEE 2 et s'inscrit dans le LAMEL, laboratoire commun

entre le L2EP et EDF RD.

Lnergie lectrique est vitale pour lhomme et aujourdhui il est quasiment

impossible dimaginer la vie sans elle. En France, durant des annes 70, le gouvernement a

dcid dinvestir massivement dans les usines nuclaires avec le but davoir une

indpendance nergtique. En 2010, EDF (Electricit de France), le principal producteur

dnergie en France, assurait prs de 85% de la production avec ce type dnergie. Cela fait de

la France le premier pays au monde en nombre de racteurs nuclaires en exploitation par

habitant avec 58 racteurs [40]. Ce parc est compos de 34 racteurs de 900 mgawatts, 20

racteurs de 1300 mgawatts et 4 racteurs de 1500 mgawatts.

Ces derniers ont t conus pour une dure de vie denviron 30 ans. La plupart de ces

centrales ont t mises en fonctionnement dans les annes 70 et 80 et donc arrivent la fin de

leur vie [53]. Toutefois, il est envisageable, et envisag, daugmenter leur dure de

fonctionnement pour encore quelques dcennies de manire fiable [41]. Ceci saccompagne

davantage de contrles et de maintenance prdictive.

Lnergie atomique dgage par les ractions nuclaires dans le racteur est utilise

pour gnrer de la vapeur deau haute pression. Cette vapeur fait tourner la turbine qui est

relie un turboalternateur. Cest cette machine, sige de la transformation dnergie

mcanique en lectricit, qui fait lobjet de notre tude.

En effet, aprs plusieurs annes de fonctionnement, ces machines sont plus

susceptibles de dvelopper des dfauts [25]. Dans le cas o ces dfauts savrent graves, ils

peuvent entraner la destruction partielle ou totale de la machine, et par consquence

provoquer un arrt de la tranche nuclaire. Le travail de cette thse sinscrit dans ce contexte

et il a comme but plus prcisment dtudier les dfauts dans les rotors de turbo-alternateurs.

Lobjectif du travail est de dvelopper une mthode de dtection, localisation et

caractrisation de dfauts sur une maquette de turbo-alternateur. Les types de dfauts que

nous allons tudier sont : les courts-circuits entre les spires rotoriques et lexcentricit du

2

rotor. Cette mthode sera, par la suite, adapte ltude des machines de 900 et 1300 MW du

parc nuclaire dEDF.

Initialement, la plupart des machines synchrones du parc nuclaire dEDF taient

dpourvues de capteur de flux dans lentrefer. Dans le but de mieux suivre ltat dilectrique

des enroulements rotoriques, EDF a spcifi puis install des capteurs de flux dans lentrefer.

Ces derniers ont commenc tre mis en place partir du dbut des annes 2000, installs au

fur et mesure lors des arrts dcennaux des tranches nuclaires. Aujourdhui, toutes les

machines possdent un capteur de flux compos dans la plupart des cas de deux bobines de

flux, une pour le flux axial et la seconde pour le flux tangentiel.

Par contre, les mthodes de dtection des dfauts travers des capteurs de flux sont

loin dtre standardises dans les machines dEDF. En effet, pour certaines machines, la

dtection est faite en continu et automatise par des outils dont les mthodes ne sont pas

connues. Pour dautres machines, les signaux des capteurs sont mesurs sporadiquement et

font lobjet de traitements ultrieurs, au coup par coup, ou lors dune suspicion de dfaut.

Le sujet de ce travail est donc de dvelopper une mthode qui puisse tre standardise

avec une dtection en ligne et en continu, et qui utilise ces capteurs de flux dans lentrefer. Il

est intressant de noter que pour le dveloppement des techniques de dtection et localisation

des dfauts il a t prioris des procds de mise en oeuvre facile et de dtection et

localisation pratique. Comme nous comptons adapter cette tude aux machines ayant

plusieurs annes dexploitation et qui sont mises en arrt pour leur inspection gnrale une

fois tous les 10 ans, nous ne pouvions pas nous baser exclusivement sur un signal de

rfrence, image de ltat initial sain de la machine. Donc, nous avons choisi de mettre au

point une mthode fiable de dtection et localisation de dfauts laide dun signal issu des

mesures sans comparaison avec un signal de rfrence.

Pour les essais exprimentaux, nous avons utilis une maquette dun turbo-alternateur.

Cette maquette avait t conue l'origine pour l'tude des phnomnes lectromagntiques

dans les parties frontales du stator [62]. Pour cette tude, quelques modifications ont t

effectues sur la maquette. Elle a t adapte pour permettre de raliser exprimentalement les

dfauts tudis et aussi, pour linsertion des capteurs de flux dans son entrefer.

Ce mmoire est divis en cinq chapitres :

Le premier chapitre prsentera les dfauts au rotor des turbo-alternateurs : les

diffrents types, leurs formations et les consquences quils peuvent avoir sur le

fonctionnement de la machine. Ensuite, seront prsentes les mthodes existantes dans la

3

bibliographie pour dtecter ce genre de dfauts, en sparant les avantages et inconvnients de

chaque mthode. Enfin, la maquette de turboalternateur qui a t utilise pour les essais

exprimentaux est dcrite dune manire dtaille.

Le deuxime chapitre portera sur les modles utiliss. Nous prsenterons dabord, une

synthse sur les quations de Maxwell ainsi que la mthode des lments finis. Ensuite le

dveloppement de la mthode analytique pour la machine vide est expos. Cette mthode

sappuie sur le calcul de permance dentrefer et sur la distribution de la force

magntomotrice.

Le troisime chapitre est consacr la modlisation de la maquette d'essais, sans

dfaut, avec loutil de calcul lectromagntique par lments finis code_Carmel. Dans un

premier temps, le maillage qui prsente un bon rapport taille / qualit de la solution sera

choisi. Par la suite, la saturation des matriaux est prise en compte. Pour cela, une tle du

stator a t rcupre et caractrise magntiquement. Linfluence des trous de ventilation,

des vents et de la taille de lentrefer sont tudis. Les rsultats sont galement compars la

simulation avec le logiciel dlment finis EFCAD, dvelopp par le Grucad au Brsil. Enfin,

les rsultats de simulation sont compars aux essais raliss sur la maquette.

Le quatrime chapitre porte sur les tudes dexcentricits. Dans un premier temps, le

modle analytique de la machine vide, simple et rapide, est utilis pour tudier des

excentricits statiques, dynamiques et combines. Afin dviter d'introduire des erreurs

numriques dues des maillages diffrents, une mthode qui permet de simuler tous les

cas dexcentricits en utilisant le mme maillage est prsente. Le modle numrique est

ensuite utilis pour tudier les excentricits vide et en charge pour diffrents points de

fonctionnement. La procdure de dtection des excentricits explore au travers des rsultats

analytiques et numriques. Les diffrents rsultats de simulation sont enfin compars aux

mesures exprimentales dans le cas dexcentricits statiques.

Le dernier chapitre est ddi ltude des courts-circuits rotoriques. Une mthode de

dtection et localisation des courts-circuits est dabord dveloppe. Ensuite, les deux outils de

modlisation sont encore une fois utiliss pour ltude et la dtection de ces dfauts en

utilisant la procdure propose. Puis ces diffrents rsultats sont compars aux essais

exprimentaux effectus sur la maquette dtude. Une routine pour faciliter la dtection en

ligne est prsente. Enfin, les deux procdures de dtection dexcentricit et de courts-circuits

sont testes dans des cas o les deux dfauts sont simultans.

5

1. Etat de lart et maquette exprimentale

Les machines synchrones quipant aujourdhui les grosses centrales de production

dnergie lectrique possdent des rotors bobins. De par les tolrances de fabrication, les

rgimes de fonctionnements, ou tout simplement leur vieillissement, diffrents dfauts

peuvent survenir. Quelques uns peuvent tre tolrs et ne prsentent pas deffets notables sur

leur fonctionnement mais dautres peuvent savrer beaucoup plus prjudiciables et aboutir,

terme, de svres dysfonctionnements de la machine, voire leur destruction. Dans un but

de prvention, de maintenance prdictive et/ou curative et dans un souci dallongement de la

dure de vie du matriel existant, il est primordial de se doter de procdures permettant, dune

manire fiable, de dtecter ces dfauts un stade prcoce afin de pouvoir remdier au

problme avec un minimum de contraintes et de cots.

Dans ce chapitre, nous allons, dans un premier temps, introduire les diffrents dfauts

qui peuvent apparatre dans les machines synchrones rotor bobin. Etant plus

particulirement intresss par les excentricits et les courts-circuits rotoriques, nous allons

dvelopper les causes et effets de ces deux dfauts spcifiques.

La dtection des dfauts est un sujet de proccupation majeur pour les exploitants de

centrales lectriques ainsi que les constructeurs de machines. Par consquent, diffrents

travaux ont t mens sur le sujet. Dans une seconde partie de ce chapitre, nous ferons une

tude, non exhaustive, des diffrentes procdures de dtection proposes dans des travaux de

recherche. Nous apporterons une attention particulire leurs avantages et inconvnients. Par

ailleurs, nous nous focaliserons sur les mthodes mettant en uvre des capteurs de flux

dentrefer tant donn que cest la piste privilgie par EDF pour quiper ses turbo-

alternateurs.

Enfin, une maquette exprimentale, constitue dune machine synchrone rotor

bobin similaire un turbo-alternateur chelle rduite, sera mise en uvre pour valider les

diffrents dveloppements thoriques et de simulation. Une adaptation y a t effectue pour

pouvoir simuler des dfauts et accder diffrentes grandeurs. La dernire partie du chapitre

sattachera une description dtaille de cette structure ainsi que des diffrents capteurs qui y

ont t placs.


6

1.1 Les Dfauts

Les composants des gnrateurs lectriques des centrales nuclaires ont t

typiquement spcifis, conus et fabriqus pour une dure de vie initiale de 30 ans. Plusieurs

travaux montrent que la dure de vie des composants dun gnrateur peut tre bien

suprieure aux 30 ans pour lesquels ils ont ts conus [25][41][53].

Aujourdhui, il est envisageable dtendre leur dure de fonctionnement 40 ans,

voire plus. Pour cela, il est impratif davoir un suivi prcis des conditions de fonctionnement

du gnrateur, afin de contrler le vieillissement de la machine et prvoir lapparition des

dfauts. Les dfauts peuvent avoir lieu sur trois parties principales des machines synchrones,

le stator, le rotor et le systme dexcitation. Dans ce travail, nous allons nous concentrer sur

les dfauts au rotor.

Les arbres des turboalternateurs pour les centrales nuclaires sont normalement conus

en une seule pice (monobloc) qui peut atteindre jusqu' 240 tonnes et avoir 17,4 m de long et

2 m de diamtre. Dans les centrales franaises, ils disposent de 4 ples dexcitation et

tournent donc 1500 tours par minute. Outre le bobinage inducteur, le rotor est galement

muni damortisseurs sous forme de barres court-circuites aux extrmits. Pour des raisons

videntes de scurit et fiabilit, les enroulements rotoriques sont aliments au travers de

dispositifs diodes tournantes qui sont localises en bout darbre. Cette mthode dexcitation

comporte plusieurs avantages mais admet un inconvnient majeur qui rside dans

linaccessibilit du courant dexcitation.

Par rapport aux gnrateurs hydrolectriques, les rotors des turboalternateurs tournent

des vitesses de rotation plus leves, typiquement 1500 ou 3000 tours par minutes en

France. Pour les alternateurs des centrales nuclaires, les cycles de fonctionnement- longues

priodes sans arrt- sont gnralement dun deux ans lissue desquels les machines sont

soumises des inspections et/ou maintenances. Ces turboalternateurs fonctionnent

majoritairement avec peu de variations de puissance active, mais ceci est moins vrai en fin de

cycle, et pour certaines machines qui font plus de dmarrages/arrts. Elles suivent par ailleurs

les contraintes du rseau en fournissant ou absorbant du ractif. En exploitation, la

temprature au rotor peut atteindre des valeurs relativement leves, 130 150.

Pour toutes ces raisons, les rotors subissent de fortes forces centrifuges, des

expansions thermiques et des dilatations diffrentielles. Ces phnomnes saggravent lors

dun mode de fonctionnement cyclique. Par consquent, ces rotors doivent tre robustes,

d'autant plus qu'ils doivent occasionnellement supporter des transitoires de tension et courant,


7

mais aussi un certain nombre de dmarrages et d'arrts durant leur priode de fonctionnement

[35].

Ainsi, aprs plusieurs annes de fonctionnement les dfauts dans les rotors des

turboalternateurs peuvent apparatre. Afin d'viter la destruction possible de la machine, la

dtection de ces dfauts est primordiale. D'autre part, il est important de pouvoir dterminer

les emplacements des dfauts et leur volution afin de prvoir et limiter le temps, et donc le

cot, de la maintenance des machines. A titre d'exemple, une rparation d'un court-circuit

entre spires peut durer quatre semaines et coter jusqu US$ 400.000 [25]. Il est mme

possible, lorsque le dfaut est dtect et son volution connue, de faire fonctionner la machine

dfectueuse sans beaucoup de risques ni impact important sur ses performances.

Dans le rotor, plusieurs types de dfauts existent tels que : des courts-circuits entre

spires du rotor, des problmes de fissure/corrosion de la frette, des problmes mcaniques sur

larbre, des excentricits du rotor, des dfauts du bobinage la masse, des problmes de cales

de fermeture dencoche, etc. Parmi ceux cits, les dfauts que nous allons tudier sont les

courts-circuits entre les spires rotoriques et les excentricits du rotor qui vont tre dcrits dans

les sections suivantes.

1.1.1 Excentricits

Dans le cas idal des machines lectriques, les surfaces interne du stator et externe du

rotor sont de parfaits cylindres et leurs axes de rvolution sont confondus. En ralit, de par

les tolrances dusinage, de fabrication et de montage, ces caractristiques ne sont

pratiquement jamais respectes. Il existe alors des dfauts de dformation du stator et/ou du

rotor et les axes de rvolution peuvent tre dcentrs. Tant que ces imperfections sont

minimes, cela ne prte pas des consquences importantes et la machine fonctionne

normalement. Mais ces dfauts structurels peuvent atteindre des tailles critiques qui

gnrent alors de srieuses contraintes sur la machine.

Les excentricits induisent alors des forces magntiques indsirables d'o une

augmentation des vibrations, des bruits acoustiques et des pertes additionnelles. Ces forces

magntiques sont appeles attraction magntique dsquilibre (UMP Unbalanced

Magnetic Pull) et sont toujours en direction de lentrefer le plus troit. Dans certains cas, le

rotor peut mme tre en contact avec le stator, ce qui peut rsulter en un dommage important

de la machine [46][47].


8

En rgle gnrale, on peut distinguer deux cas dexcentricits (Figure 1.1).

Lexcentricit statique correspond au cas o le rotor tourne autour de son propre axe dont le

centre est dcal par rapport celui du stator. Elle rsulte soit dune imperfection dans

lalsage du stator, soit dun mauvais positionnement du rotor et/ou du stator lassemblage.

Du point de vue dune position statorique, la largeur (paisseur) d'entrefer ne change pas

durant la rotation. Dans ce cas, on a une attraction magntique toujours dans la mme

direction, et constante, vers le stator. Normalement, cette force indsirable tend causer une

flexion au rotor et une dformation au stator. Comme dans la plupart des cas le stator est plus

rigide que le rotor, les contraintes sappliquent majoritairement sur ce dernier. De plus, dans

le cas dun turboalternateur, les machines sont souvent trs longues et maintenues aux

extrmits par des paliers, ce qui tend dformer naturellement le milieu de larbre. A long

terme, le dfaut dexcentricit peut saggraver, car plus le rotor se dforme, plus lentrefer

diminue et donc plus la force dattraction est grande. Cet effet tend dgrader les paliers et

donc enchaner une excentricit dynamique.

Dans le cas de lexcentricit dynamique, les centres du rotor et du stator sont

confondus mais le rotor tourne d'une manire dcale par rapport son propre centre. Cette

excentricit peut tre provoque par les tolrances de fabrication, dsalignement etc.

Lpaisseur de lentrefer varie alors pendant la rotation et la force dattraction dsquilibre

tourne avec le rotor. Cette force est la cause de bruit acoustique et de vibrations de larbre.

Ces deux dfauts se conjuguent souvent en mme temps. Nous appellerons ce cas une

excentricit combine. Pour les cas o lexcentricit dun bout de la machine est diffrente de

lexcentricit de lautre bout, une simulation en trois dimensions est imprative. Ces cas sont

appels ici excentricits en trois dimensions.

a) Excentricit Statique

b) Excentricit Dynamique

Figure 1.1 - Les excentricits, avec le centre du stator en rouge


9

1.1.2 Court-circuit entre spires

Parmi les dfauts qui peuvent apparatre au rotor dun turboalternateur, celui de

courts-circuits entre spires du rotor est le plus commun. Des estimations montrent que plus de

50% des rotors des gnrateurs fonctionnent avec des courts-circuits entre spires [14][35].

Ces dfauts surviennent quand deux ou plusieurs spires de cuivre se touchent. Cette anomalie

peut tre due une dgradation des isolations du cuivre telle que lusure, le dplacement des

isolants ou une surchauffe de lisolant (Figure 1.2). Egalement, une imperfection dans le

cuivre peut occasionner un dfaut dans la jonction entre deux conducteurs (Figure 1.3-a) ou

une distorsion du cuivre (Figure 1.3-b). La prsence de corps trangers peut aussi blesser

lisolation des conducteurs et provoquer des courts-circuits.

Figure 1.2 - Court-circuit entre spires d un surchauffement de lisolant [36]

En nombre trs limit, ces courts-circuits n'ont pas d'incidences fcheuses. Le

gnrateur peut continuer fonctionner sans quil y ait deffets notables sur les performances.

Toutefois, un court-circuit peut rsulter, terme, en une dgradation du rotor. En gnral, un

court-circuit entre spires conduit une vibration du rotor et un chauffement des spires, y

compris celles qui sont saines, puisquun courant dexcitation plus lev est ncessaire pour

compenser les pertes dans le dfaut. L'chauffement mne une dgradation de lisolation des

spires qui peut induire laugmentation du dfaut et mme une cration de nouveaux courts-

circuits, voire une masse rotor.


10

a) Jonction entre deux conducteurs

b) Distorsion du cuivre

Figure 1.3 - Court-circuit entre spires [36][13]

En pratique, dans le cas dun court-circuit, les deux facteurs qui limitent lutilisation

du gnrateur sont les niveaux de vibration du rotor et sa temprature [36]. Donc le gnrateur

est mis en service et le courant dexcitation est ajust jusqu ce quune de ses deux

contraintes le limite. Cette restriction de fonctionnement impose donc une limitation de

fourniture de puissance ractive, voire de puissance active.

Pour rparer un court-circuit entre spires du rotor, il est ncessaire de sortir le rotor, et

de dmonter les frettes. Ensuite, si le court-circuit est localis dans les dveloppantes il est

plus facile de le reprer et de le rparer. Par contre, sil est situ dans le ft du rotor, il faut

enlever dabord les cales dencoche pour pouvoir localiser le dfaut et le rparer. Dans le cas

de dgts importants, lensemble du bobinage rotorique doit tre remplac.

1.2 Technique de dtection des dfauts dans le rotor

La surveillance et le diagnostic des dfauts de toutes natures dans les machines

lectriques est un sujet qui a largement t abord par le pass. Cela a t motiv par la

recherche dune fiabilit de fonctionnement des machines qui sont sollicites en continu

pendant de longues priodes. Aussi, dans le cas dune intervention due un dfaut, le temps

dintervention peut tre largement diminu si lon connat le motif, la gravit et la localisation

du dfaut. Dailleurs, les tudes des dfaillances dans les machines peuvent mener des pistes

qui cibleront mieux les causes des dfauts, do lintrt de changer le mode dopration ou

parfois mme la conception des nouvelles machines.

Plusieurs travaux ont dj t effectus plus spcifiquement sur la dtection de dfauts

rotoriques. Cela a essentiellement concern les machines synchrones et induction. Vu le

nombre important de travaux qui ont dj t raliss sur les machines synchrones, et vu que


11

la dtection des dfauts sur des machines induction peut ne pas savrer efficace sur les

machines synchrones, nous avons dcid de cibler surtout sur les mthodes de dtection des

dfauts sur les machines synchrones rotor bobin.

Les travaux qui ont concern la dtection de dfauts rotoriques de machines

synchrones rotor bobin peuvent tre scinds en trois grands groupes : mthodes hors ligne,

mthodes en ligne et un troisime ensemble distinct que nous appellerons mthodes avec

capteurs de flux dans lentrefer.

Comme le spcifie leur dnomination, les mthodes hors ligne ne peuvent pas tre

effectues dans ltat normal de fonctionnement de la machine, cela veut dire que la machine

doit tre larrt, ou plus souvent en fonctionnement vide. Celles en ligne peuvent, quant

elles, tre ralises alors mme que la machine est en fonctionnement normal (en charge).

Enfin, nous avons dlibrment spar l'ensemble des mthodes avec capteurs de flux, mme

si elles font partie de l'un ou lautre des groupes prcdents, tant donn quune des

procdures utilises par EDF est base sur la mesure du flux d'entrefer.

1.2.1 Mthodes hors ligne

En 1963, Hermann et al. [52] ont propos une mthode simple qui consiste mesurer

limpdance d'une spire du rotor en injectant un courant alternatif pour dterminer si la spire

est en court-circuit. Pour cela, il faut avoir accs au bobinage rotorique, avec la machine en

arrt. La mesure de limpdance est ensuite compare la valeur dune spire saine. Dans le

cas o limpdance est moins leve, la spire est considre dfectueuse. Ensuite, pour

localiser le court-circuit, les auteurs ont suggr de chercher le court-circuit travers un

dispositif magntique qui mesure linduction. Pour cela il faut sortir le rotor et imposer un

courant alternatif aux enroulements rotoriques, ensuite, en rapprochent loutil du rotor, il faut

chercher o linduction induite est la plus faible.

Kiani et al. [43] stipulent quil est possible de dtecter loccurrence dun dfaut

rotorique et son type au travers de lanalyse de la tension simple de la machine vide. Ils

affirment en plus qu'une analyse harmonique permet de diffrentier entre un dfaut

d'excentricit ou/et un court-circuit entre spires.


12

Figure 1.4 Analyse de la tension de phase vide [43]

Selon [2], l'apparition, en fonctionnement vide, de courants entre les enroulements

connects en parallle du stator (Figure 1.5) est synonyme de dfauts. Les auteurs ont ralis

des simulations par lments finis de machines, et des essais, avec des dfauts au rotor

comme ceux de court-circuit entre spires et dexcentricit. Ils ont montr que le contenu

harmonique est modifi en fonction de la nature du dfaut. Cependant, la machine doit avoir

des enroulements connects en parallle et les dfauts ne sont pas localiss.

Sur la base de la mme mthode, des travaux ont t mens avec une modlisation

analytique par des rseaux de rluctances [71]. Lanalyse des courants a permis de conclure

que les harmoniques paires augmentent lorsquun dfaut est prsent.

Figure 1.5 - Mesure du courant dans les enroulements connects en parallle [2]

Des travaux plus consquents [9] ont t effectus sur la dtection des dfauts

rotoriques au travers de lanalyse du champ magntique de fuite dun alternateur vide.

Plusieurs capteurs qui mesurent les inductions de fuite dans les trois directions ont t utiliss

pour tudier les courts-circuits et les excentricits. Une approche par simulation a t

dveloppe et quelques rsultats de calculs ont t compars des signaux dune maquette

exprimentale. La mthode est non intrusive et semble trs intressante. Cependant, les


13

signaux sont trs faibles, de lordre de quelques micros tesla, et ils sont trs vite confondus

avec les bruits magntiques.

Figure 1.6 Turboalternateur dessai avec les capteurs de flux [9]

1.2.2 Mthodes en ligne

Parmi les mthodes dites en ligne, une des techniques suggres pour dtecter les

courts-circuits est la technique RSO (Repetitive Surge Oscilloscope) [38]. Elle est base sur

linjection de deux signaux simultans et identiques sur les deux extrmits de lenroulement

dexcitation, Figure 1.7. Les signaux reflts peuvent tre donc mesurs et ensuite somms.

Normalement sil ny a pas danomalies, comme des courts-circuits, les signaux reflts sont

identiques et le signal rsultant de la somme est un signal continu. Par contre, dans le cas dun

court-circuit, les signaux reflteront cette diffrence et leur somme nest plus nulle. A l'aide

de ces rponses, il est possible de dtecter et de trouver les dfauts travers une signature

des dfauts .

Dautres auteurs [3][42][55] ont essay la mme mthode avec une diffrence qui

consiste utiliser des rseaux neuronaux pour traiter les signaux de sortie. Ils ont dvelopp

un outil pour la dtection et la localisation en ligne du court-circuit. Les deux contraintes les

plus importantes sont dabord la ncessit dun signal de la machine ltat sain et, dautre

part, laccs direct au bobinage dexcitation, qui, dans la plupart des cas des grandes

machines, est inaccessible cause du systme incluant des diodes tournantes. Il est noter

quEDF utilise ce genre de dtection (RSO) larrt.


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Figure 1.7 - RSO technique [65]

Dautres approches sont bases sur lanalyse des vibrations du rotor et du stator quand

il y a un court-circuit entre les enroulements. Dans les travaux prsents en [70][73], un

dveloppement analytique est dabord effectu pour trouver les gammes de frquence des

vibrations. Ensuite, des essais sur des machines, avec et sans dfauts, ont t raliss afin de

dterminer les niveaux de vibrations du rotor et du stator certaines frquences. Cette

mthode comporte quelques inconvnients : dabord il nest pas possible de connatre la

localisation des dfauts, ensuite un signal de rfrence dune machine saine est ncessaire

pour pouvoir comparer les rsultats des vibrations, et enfin, les sources de vibrations peuvent

tre trs nombreuses, donc la dtection peut savrer trompeuse.

Il est galement possible danalyser le courant du stator pour dtecter les courts-

circuits dans les enroulements du rotor. Pour cela, des chercheurs ont effectu une tude sur

les harmoniques des signaux du courant statorique travers des simulations par lments finis

[20]. Ils montrent que les harmoniques sont plus leves dans le cas de dfaut que dans le cas

dune machine saine. L encore, il est ncessaire davoir un signal de rfrence pour pouvoir

effectuer la dtection.

Dans [78], une autre procdure est propose et consiste analyser le courant du rotor

au travers de la transforme en ondelettes. Elle permet de dtecter des courts-circuits dans les

enroulements du rotor partir de la comparaison des changements de lnergie de la

dcomposition du signal en ondelettes par rapport un signal de rfrence. Cette mthode

ncessite donc galement un signal de rfrence.


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Figure 1.8 Dcomposition du signal en transforme dondelettes [78]

La tension entre les deux bouts darbre du rotor est aussi utilise dans la rfrence [37]

pour dtecter des dfauts de court-circuit et dexcentricits. Au travers de calculs de

simulations par lments finis et dessais exprimentaux, les auteurs concluent quil y a des

modifications, dues aux dfauts, dans les contenus harmoniques. Ils montrent que les raies

harmoniques induites dpendent de lorigine des dfauts. Cependant, la localisation de ces

derniers nest pas tudie et comme les rsultats dpendent de la gomtrie et du

raccordement lectrique de la machine, ils ne peuvent tre utiliss directement sur diffrents

types de gnrateurs.

Dans le cas de la dtection dventuelles excentricits, il est possible dutiliser des

capteurs capacitifs [23], Figure 1.9. Ces capteurs, disposs dans lentrefer de la machine, sont

excits haute frquence et leurs courants, qui sont alors fonction de lpaisseur de lentrefer,

sont mesurs. Aprs, avec les mesures de la taille de lentrefer au moins en quatre positions

diffrentes, nous en dduisons le dplacement du rotor. La technique semble trs efficace pour

la dtection des deux types dexcentricits et pour calculer la rotondit (circularit) du rotor et

du stator autant que leur centre. Lutilisation dun plus grand nombre de capteurs permet

videmment daugmenter la prcision de la dfinition des formats du rotor et du stator mais

cela saccompagne dune augmentation du prix de linstallation tant donn que ces capteurs

sont onreux.


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Figure 1.9 - Utilisation de capteurs capacitifs [68]

Une mthode analogue consiste utiliser des capteurs de flux au lieu de capteurs

capacitifs [29][46][47]. Ces derniers sont disposs entre deux trous de ventilation le long de

lentrefer et ils mesurent le flux de la couronne statorique, Figure 1.10. Il est alors possible de

dtecter et quantifier, en ligne, les excentricits dynamiques et statiques ainsi que les

rotondits du rotor et du stator. Les courts-circuits partiels dans les enroulements du rotor

peuvent galement tre dtectables, mais ils ne peuvent pas tre localiss.

Figure 1.10 Flux de la couronne du stator [47]

1.2.3 Mthode avec capteur de flux dans lentrefer

En 1970, Albright [12] [15] a fait une analyse des courts-circuits avec un capteur de

flux localis dans lentrefer de la machine. Le capteur est constitu de deux enroulements : un

pour le flux axial et lautre pour le flux radial (Figure 1.11-a). Il a montr que chaque

conducteur des spires de lexcitation contribue la formation du signal de tension induite

dans les capteurs. Ce dernier est donc proportionnel au nombre de conducteurs avec courant,

et la division du signal par le nombre des conducteurs indique la contribution de chaque

conducteur. Lauteur profite alors de la symtrie des ples du rotor pour comparer les signaux

induits dun ple avec lautre, Figure 1.11-b. Pour pouvoir mesurer une tension induite dans


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les enroulements des capteurs, il est ncessaire dexciter le rotor et le faire tourner. Albright a

fait deux types dessais : un avec les enroulements statoriques vide et lautre avec les

enroulements statoriques en court-circuit.

A partir des signaux mesurs, il est possible de savoir si un enroulement admet un

court-circuit au travers de lamplitude du signal dun ple compare celle de lautre. Par

ailleurs, lamplitude du signal est proportionnelle au nombre de conducteurs sans dfauts.

Donc, il est thoriquement possible de savoir combien de spires sont en court-circuit ainsi que

leur localisation exacte. Les rsultats sont plus clairs avec les spires du stator en courts-

circuits.

a) Spire de flux

b) Contribution de chaque ple

Figure 1.11 - Capteurs de flux dans lentrefer par Albright [15]

Dautres approches, utilisant des capteurs de flux dentrefer ont t proposes. Ainsi,

dans [61], les auteurs utilisent deux capteurs de flux radial spars l'un de lautre de 180

lectriques et connects en srie. Dans ce cas, les flux principaux de chaque capteur

sannuleront et subsistera uniquement le flux d aux dfauts, Figure 1.12. Aprs quelques

tests, ils concluent qu'il est possible de dtecter le court-circuit. Le problme majeur de cette

technique rside dans le cas dune excentricit ou dune non circularit du rotor, la mthode

peut indiquer de fausses dtections de courts-circuits, car les signaux induits ne seront pas

pareils, mme dans le cas dune machine sans court-circuit.

Figure 1.12 - Capteurs de flux dans lentrefer spars un de lautre de 180 spatialement [61]


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Une tude dinfluence des excentricits statiques sur la dtection a alors t mene

[57] en utilisant toujours la mme mthode des deux spires. Il en ressort quil est possible de

dtecter et localiser les courts-circuits rotoriques et mme de savoir le nombre de spires en

court-circuit mais condition que la machine fonctionne vide ou avec une petite charge.

Beaucoup dautres travaux [13][14][28][30][39][44][58][79] ont montr que la

mthode dAlbright permet de faire de la dtection en ligne, donc en charge. Ils concluent que

le facteur de charge du gnrateur a un effet non ngligeable sur les niveaux des tensions

induites dans les capteurs placs dans lentrefer. Cela peut parfois masquer la dtection.

Comme solution, quelques tudes suggrent de sintresser uniquement la partie de la

courbe du signal du capteur o la densit de flux est nulle. Donc il faut prendre la drive en

fonction du temps de la tension mesure, le flux, et se placer linstant o elle sannule. Cest

en ce point que la comparaison des signaux doit tre effectue car les signaux ne sont pas

influencs par le facteur de charge du gnrateur. Ds lors, il faut uniquement comparer cette

partie de la courbe dun ple celle de lautre ple, Figure 1.13.

Quelques auteurs conoivent des systmes automatiques en ligne qui enregistrent

plusieurs signaux, pour diffrents points de fonctionnements, afin de pouvoir analyser tous les

enroulements dexcitation du rotor a posteriori. Sachant quun gnrateur fonctionne avec

diffrentes charges tout au long de sa vie, par consquent lendroit de la courbe o le flux est

nul va basculer sur toutes les encoches. Ainsi, aprs un certain temps de fonctionnement, tous

les enroulements pourront tre analyss.

Figure 1.13 - Influence de la charge dans lanalyse [14]


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1.3 Maquette dtude

Comme il a t spcifi dans lintroduction, la problmatique des travaux de cette

thse est de modliser des dfauts rotoriques (excentricits et courts-circuits rotoriques) afin

de pouvoir aboutir leur dtection par le biais de mesure de linduction magntique en des

points spcifiques de lentrefer. Mme si la modlisation numrique constitue aujourdhui un

outil fiable dtude de dispositifs lectromagntiques, les rsultats de simulation obtenus

doivent tre confronts et valids par des essais exprimentaux. Pour des raisons videntes de

scurit, il est exclu de pouvoir effectuer ces essais sur des turbo-alternateurs de centrale.

Nous avons alors utilis une maquette chelle rduite dun turbo-alternateur. Cette

maquette avait t conue l'origine pour l'tude des phnomnes lectromagntiques dans

les parties frontales du stator.

Quelques aspects de la maquette sont fournis en annexes. Ces donnes sont rapportes

de la thse de S. Richard [62], sans aucun changement. Lannexe 1 montre une vision

gnrale du banc dessais de lalternateur. Par rapport aux donnes dans lannexe, le banc

dessais est aujourdhui localis Clamart et lacquisition des donnes des capteurs qui

taient dj mises en place a t modifie.

La Figure 1.14 montre lensemble de la maquette. Au premier plan se trouve la

maquette du turbo-alternateur. Elle est couple une machine courant continu de 30kW

destine son entranement. Nous pouvons voir galement lordinateur et, sous la table, les

modules dacquisition des donnes issues de la maquette. Larmoire lectrique, en bleu clair,

est larmoire de puissance et de contrle. Elle contient aussi le redresseur pour lexcitation de

la machine.


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Figure 1.14 Vue densemble de la maquette

1.3.1 Caractristiques Electriques

La maquette est constitue d'une machine synchrone triphase quatre ples et

entrefer lisse dont les principales caractristiques lectriques sont:

Puissance apparente nominale Sn = 26,7 kVA ;

Vitesse de rotation = 1500tr/min.

Tension nominale entre phases Un = 220V ;

Courant nominal In = 70A ;

Facteur de puissance cos = 0,8 inductif;

Bobinage du stator pas raccourci 5/6 ;

Frquence f = 50 Hz ;

Couplage toile.

1.3.2 Gomtrie

Les diamtres extrieurs du stator et du rotor sont respectivement de 552 mm et

307mm. Les gomtries dtailles des tles statoriques et rotoriques sont regroupes dans

lannexe 3. La maquette a t conue pour avoir un entrefer de 1,5 mm mais son entrefer

effectif est denviron 1,67 mm. Elle possde 10 vents (au rotor et stator) de 5 mm chacun qui


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intercalent 11 paquets de tles en fer de 30 mm chacun. Par consquent, sa longueur totale

suivant laxe z est de 380 mm.

Les bobinages statoriques sont placs dans 48 encoches ouvertes de 10 mm de largeur

et 45 mm de profondeur et, sur la priphrie rotorique, sont disposes 36 encoches ouvertes

dont :

32 encoches de 10 mm de largeur et de 3 profondeurs diffrentes : 18, 26, et 34

mm qui accueillent les bobinages d'excitation et du circuit amortisseur ;

4 encoches pour le circuit amortisseur de 10 mm de largeur 10 mm de

profondeur (8 mm de cuivre et 2 mm de cale).

Figure 1.15 - Demi-coupe de la machine

La Figure 1.16 montre une photo prise de lextrmit du stator o nous voyons la

forme des ttes de bobines du stator, qui sont en panier de dveloppantes. Enfin, lalternateur

possde un cran statorique en cuivre qui se distingue sur les dernires tles du stator.


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Figure 1.16 Extrmit du stator de la maquette

Une photo du rotor avec ses deux frettes, est donne la Figure 1.17. Ces frettes,

conductrices et amagntiques, sont utilises galement pour connecter lensemble des barres

amortisseur. Les fils qui sortent de larbre sont utiliss pour lexcitation du rotor, pour simuler

les courts-circuits dans le rotor et pour mesurer la temprature dans certaines parties du rotor.

Figure 1.17 Rotor de la maquette

1.3.3 Schma de Bobinage

Sur la Figure 1.18 est reprsent le schma de bobinage dune phase statorique. Cest

un bobinage en deux couches avec un pas raccourci de 5/6; les lignes pointilles sont les

enroulements dune couche et les lignes pleines correspondent aux enroulements de lautre

couche. Chaque phase est rpartie en deux voies d'enroulements en parallle, reprsentes par

les lignes noires et rouges. Les chiffres sur la figure reprsentent les encoches correspondant

lemplacement de chaque conducteur. Par ailleurs, chaque ligne correspond quatre

conducteurs rectangulaires, de section 4mm par 3,5mm, relis en parallle.


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Figure 1.18 Schma de bobinage dune phase statorique

Le rotor de la maquette a t rebobin pour permettre de simuler des courts-circuits.

Nous retrouvons sur la Figure 1.19 le schma de bobinage des quatre ples rotoriques. Les

chiffres en noir reprsentent les encoches correspondant lemplacement de chaque

conducteur. Les chiffres en rouge reprsentent le nombre de spires dans chaque encoche.

Figure 1.19 - Schma de bobinage du rotor

On montre, sur la Figure 1.20, un ple du rotor compos de 9 encoches dont une

dmunie de conducteurs. Par contre, chaque encoche contient une barre amortisseur.


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Figure 1.20 - Coupe droite des encoches dun ple du rotor

1.3.4 Court-circuit

Des conducteurs du circuit dexcitation ont t dports lextrieur de la machine

afin quil soit possible de simuler des courts-circuits sans ncessit de dmonter la machine.

Ainsi, nous pouvons relier deux spires pour simuler les courts-circuits par le biais de points du

bobinage du rotor dports sur un ensemble de bagues collectrices. Lexemple de la Figure

1.21 reprend le bobinage dune encoche et montre comment sont simuls les dfauts, avec

un exemple de 6 spires sur une encoche de 54 spires. Les flches montrent le sens

dvolution du bobinage du rotor. Les spires en rouge sont celles qui sont parcourues par un

courant et celles en vert sont les spires court-circuites.

Cependant, la rsistance de lensemble des cbles qui reportent la connexion des spires

vers lextrieur et celle de contact des bagues collectrices a une valeur beaucoup plus leve

que la

a. bruno.contribution à la détection de défauts dans les rotors des turboalternateurs

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