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Activités de Recherche et d'Enseignements

Stage de DEA

Thèse de doctorat

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Enseignements

Stage de DEA :

            Mon stage de D.E.A s’est déroulé au sein du GREEN du mois de février au mois de Août 2001. Ce stage a été dirigé par Monsieur A. Rezzoug et Monsieur H. Razik. L’objectif était d’analyser l’influence d’un défaut rotorique sur l’évolution des grandeurs temporelles mesurables sur une machine asynchrone à cage d’écureuil. Ce stage de DEA s’est déroulé en deux temps.

J’ai tout d’abord développé un modèle permettant la simulation d’une machine asynchrone triphasée à cage d’écureuil en utilisant la méthode des circuits électriques magnétiquement couplés. La cage rotorique de la machine asynchrone ( phases) a été modélisée par un circuit triphasé, ce qui permet une réduction notable du temps de simulation. Les harmoniques d’espace créés par le bobinage statorique de la machine ont été pris en compte pour enrichir les signaux temporels obtenus par cette simulation. Cette prise en compte nous a permis ainsi de récolter un grand nombre d’informations permettant de détecter la présence d’un défaut rotorique.

La seconde partie de ce stage a été consacrée à l’analyse des résultats obtenus avec le modèle développé. La simulation d’une défaillance rotorique a été effectuée en augmentant partiellement la résistance d’une des trois phases rotoriques équivalentes (augmentation de 1%, 5% et 10%). Une fois la simulation effectuée, nous avons analysé le courant absorbé par la machine dans le domaine fréquentiel (utilisation de l’algorithme FFT) et constaté l’apparition de composantes additionnelles positionnées aux fréquences  ( représente le glissement de la machine,  la fréquence fondamentale des courants statoriques et un entier positif). De plus, grâce à la prise en compte des harmoniques d’espace, nous avons pu mettre en évidence le fait que des composantes additionnelles apparaissent au alentour des fréquences multiples de la fréquence du réseau lors de la création du défaut rotorique. En fait, nous avons montré que l’analyse de l’amplitude de ces composantes permet de conforter et d’améliorer le diagnostic de défaut rotorique en comparaison avec une simple analyse de l’amplitude des composantes présentes de part et d’autre de la composante fondamentale du courant statorique.

Ce travail de DEA a donné lieu à une publication dans une revue à caractère pédagogique (Revue 3EI, Décembre 2001).

Thèse de doctorat :

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Depuis le 1^er octobre 2001, j’effectue mes travaux de recherche au sein du GREEN (Groupe de Recherche en Electrotechnique et Electronique de Nancy). Ma thèse de doctorat a été dirigée par Monsieur H. Razik, Maître de conférences, HdR et a été soutenue le 29 octobre 2004.

Mon travail de thèse a porté sur la modélisation et le diagnostic de la machine  asynchrone à cage d’écureuil en présence de défaillances. Je me suis intéressé en particulier à l’influence d’une rupture de barre au sein de la cage rotorique lorsque la machine asynchrone est alimentée par une source de tension (réseau) ou par un convertisseur statique (variateur de vitesse commandé en V/f). Pour cela, j’ai d’abord développé un modèle électrique d’une machine asynchrone comportant 28 barres rotoriques en intégrant les harmoniques d’espace créés par le bobinage statorique. J’ai ensuite mis au point un banc expérimental (machine asynchrone, convertisseur) pour permettre, à travers de nombreux essais expérimentaux, de valider les résultats obtenus en simulation. A partir de ces essais expérimentaux, j’ai développé trois méthodes de diagnostics permettant de détecter automatiquement un défaut rotorique naissant (une barre partiellement cassée). Deux de ces approches ont la particularité de n’utiliser aucun seuil de référence, seuil habituellement obtenu avec une analyse du moteur fonctionnant avec son rotor sain.

Le document de thèse se compose de quatre chapitres :

 Le premier chapitre de cette thèse est consacré au rappel du contexte de l’étude : le diagnostic de défaut rotorique dans la machine asynchrone. Après avoir rappelé les éléments de constitutions de la machine, nous effectuons une analyse des différents défauts pouvant survenir sur celle-ci. Nous présentons ensuite divers outils issus des techniques de traitements du signal permettant l’analyse des signaux révélateurs d’un défaut électrique et/ou mécanique. Pour finir, nous discutons des méthodes de diagnostic actuellement appliquées à la machine asynchrone en précisant leurs atouts et leurs inconvénients.

             Nous présentons dans la deuxième partie du document un modèle de simulation de machine asynchrone à cage d’écureuil. Nous décrivons la méthodologie qui nous a permis d’aboutir à la simulation complète de la machine (circuits électriques magnétiquement couplés) pour deux modes d’alimentation (alimentation par le réseau ou par un convertisseur statique). Cette approche nous a permis d’étudier l’influence des défauts électriques sur le comportement général du moteur grâce à un programme de simulation écrit en langage C. En complément de l’étude menée, nous mettons en évidence l’importance de l’analyse des harmoniques d’espace pour le diagnostic de défaut de la machine asynchrone. En effet, nous avons montré que cette analyse permettait de différencier un défaut rotorique, tel une barre cassée d’une variation du couple de charge.

 Après avoir étudié les phénomènes créés par la présence d’un défaut rotorique sur les différentes grandeurs temporelles de la machine, nous nous intéressons plus particulièrement au développement de nouvelles méthodes de diagnostics. Le troisième chapitre est consacré à la description d’une méthode de diagnostic permettant la détection d’un défaut au rotor d’une machine asynchrone. Cette méthode s’appuie sur l’évaluation de l’amplitude des composantes présentes dans le spectre du courant absorbé par le moteur pour détecter la présence ou d’une barre rotorique cassée  (ou d’une portion d’anneaux de court circuit). Les résultats obtenus ont permis de diagnostiquer la présence d’une barre rotorique partiellement cassée lorsque le moteur asynchrone fonctionne avec une charge supérieure ou égale à 10% ainsi qu’une barre complètement cassée lorsque le moteur fonctionne à vide.

 Le quatrième chapitre s’attarde sur une seconde méthode de diagnostic qui a la particularité de n’utiliser aucune référence, référence habituellement donnée par le fonctionnement sain de la machine, pour établir la présence d’un défaut au sein de la cage d’écureuil. Cette méthode utilise la phase du spectre du courant statorique calculée à partir d’une transformée de Fourier discrète. Les résultats obtenus ont permis de diagnostiquer une barre cassée pour un couple de charge supérieur ou égal à 25%. La détection d’une barre partiellement cassée avec cette méthode n’a pu être possible, cette non détection étant essentiellement due au bruit important contenu dans ce signal. Pour contourner ce problème, la transformée de Hilbert appliquée au module du spectre du courant statorique a été utilisée ; ce qui nous a permis d’obtenir un signal complexe appelé signal analytique. Nous calculons la phase de ce signal et lui appliquons le même algorithme de décision que celui utilisé sur la phase du spectre du courant. Cette méthode, validée à partir de plusieurs essais expérimentaux, a permis de détecter une barre partiellement cassée pour une charge supérieure ou égale à 25%. En effet, ce signal contient beaucoup moins de bruit ce qui permet d’améliorer le diagnostic de défaut rotorique de la machine asynchrone.

 Ces travaux de recherche ont permis de développer et de valider à travers de nombreux essais expérimentaux trois méthodes de diagnostic. Ces méthodes, orientées principalement pour la détection d’une ou plusieurs barres rotoriques défaillantes, ont fait leurs preuves en permettant la détection d’un défaut précoce tel une barre partiellement cassée. Les programmes de détection, développés sous l’interface Matlab, peuvent être intégrés à un DSP pour permettre d’effectuer un diagnostic de la machine asynchrone en ligne. De plus, la méthode s’appuyant sur l’évaluation des amplitudes des composantes de défaut peut, sans aucune contrainte, être étendue au diagnostic de tout autre défaut (variation accidentelle du couple de charge, défauts de roulements, défauts statoriques, excentricité statique et/ou dynamique) à la seule condition de connaître les fréquences caractéristiques créées par le dit défaut dans le spectre fréquentiel du courant statorique de la machine.

J’ai soutenu ma thèse de doctorat, intitulée ²Modélisation et diagnostic de la machine asynchrone en présence de défaillances² le 29 Octobre 2004 à la faculté des Sciences et Techniques de Nancy, devant la commission d’examen composée de :

Président :

              A. REZZOUG                     Professeur à l’Université Henri Poincaré - Nancy I

                                                           Section : 63

Rapporteurs :

              J. C. TRIGEASSOU          Professeur à l’Université de Poitiers

                                                           Section : 61

              G. BARAKAT                     Maître de conférences à l’Université du Havre, HDR

                                                           Section : 63

Examinateurs :

              H. RAZIK                             Directeur de thèse

Maître de conférences à l’IUFM de Lorraine, HDR

                                                           Section : 63

              A. RICHARD                      Professeur à l’Université Henri Poincaré – Nancy I

                                                           Section : 61

              H. HENAO                          Maître de conférences à l’Université d’Amiens

                                                           Section : 63

Publications :

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Articles publiés ou à paraître

• Revue internationale avec actes et comité de lecture :

[A1]	G. Didier, H. Razik and A. Rezzoug. “An induction motor model including the first space harmonics for broken rotor bar diagnosis,” European Transactions on Electrical Power, accepté en Janvier 2004, à paraître.
[A2]	Equipe GDR M2EMS^1. “Comparison de plusieurs méthodes de modélisation de la machine asynchrone en présence de défauts,” Revue Internationale de Génie Electrique, à paraître.
[A3]	G. Didier, E. Ternisien, O. Caspary and H. Razik. “Fault Detection of Broken Rotor Bars in Induction Motor using a Global Fault Index,” Revue IEEE Industry Applications Society, à paraître.

• Revue nationale avec comité de lecture :

[B1]	G. Didier et H. Razik. “Sur la détection d'un défaut au rotor des moteurs asynchrones,” La revue 3EI n°27, Décembre 2001, pp. 53-62.

• Session invitée à un congrès international avec actes et comité de lecture :

[C1]	H. Razik and G. Didier. “A novel method of induction motor diagnosis using the line-neutral voltage,” EPE-PEMC'2004, September 2-4 2004, Riga, Létonie.
[C2]	G. Didier, H. Razik, A. Abed and A. Rezzoug. “On space harmonic model of a three phase squirrel cage induction motor for diagnosis purpose,” EPE-PEMC'2002, CD-ROM, September 9-11 2002, Dubrovnik, Croatia.

• Conférences et congrès internationaux avec actes et comité de lecture :

[D1]	G. Didier, E. Ternisien and H. Razik. “Detection of incipient rotor cage fault and mechanical abnormalities in induction motor using global modulation index on the line current spectrum,” IEEE-SDEMPED, September 7-9, 2005, Vienna, Austria.
[D2]	G. Didier, E. Ternisien and H. Razik. “Detection of incipient rotor cage fault and mechanical abnormalities in induction motor using global modulation index on the line current spectrum,” IEEE-SDEMPED, September 7-9, 2005, Vienna, Austria.
[D3]	H. Razik, G. Didier, T. Lubin, C.R. da Silvaz, A.W. Mascarenhas, C.B. Jacobina et A.M.N. Lima. “A Dedicate Model for the Diagnosis of Six-phase Induction Motors Under Rotor Bar Defect,” International Conference on Ship Propulsion and railway traction systems, Bologna, Italia, October 4-5-6 2005.
[D4]	H. Razik and G. Didier. “A low cost method for the diagnostic of asynchronous motors in case of rotor defects,” IEEE-CIEP'2004, October 17-22 2004, Celaya, Mexique.
[D5]	Equipe GDR M2EMS^1. “Comparison of modelling methods and of diagnostic of asynchronous motor in case of defects,” IEEE-CIEP'2004, October 17-22 2004, Celaya, Mexique.
[D6]	G. Didier, H. Razik, O. Caspary and E. Ternisien. “Rotor cage fault detection in induction motor using global modulation index on the instantaneous power spectrum,” IEEE-SDEMPED, August 24-26, 2003, Atlanta, USA.
[D7]	H. Razik and G. Didier. “On the monitoring of the defects of squirrel cage induction motors,” IEEE-Power Tech, June 23-26, 2003, Bologna Italia.
[D8]	G. Didier, H. Razik and A. Rezzoug. “On the experiment detection of incipient rotor fault of an induction motor,” IEEE-IEMDC, June 1-4, 2003, Madison WI, USA.
[D9]	H. Razik, A. Abed, G. Didier, F. Weinachter and A. Rezzoug. “Analysis of the current spectral of an induction motor for diagnostic purposes,” ICEM, CD-ROM, August 26-28, 2002, Bruges, Belgium.
[D10]	G. Didier, H. Razik and A. Rezzoug. “On the modelling of induction motor including the first space harmonics for diagnosis purposes,” ICEM, CD-ROM, August 26-28, 2002, Bruges, Belgium.

• Conférences et congrès nationaux avec actes et comité de lecture :

[E1]	Equipe GDR M2EMS^1. “Comparaison de plusieurs méthodes de modélisation de la machine asynchrone en présence de défauts,” Electrotechnique du Futur, 9-10 décembre, 2003, Supelec, Gif-sur-Yvette.
[E2]	G. Didier, H. Razik et A. Rezzoug. “Analyse de la tension de neutre en vue du diagnostic de la machine asynchrone,” Electrotechnique du Futur, 9-10 décembre 2003, Supelec, Gif-sur-Yvette.

• Rapport et communications :

[F1]	H. Razik et G. Didier. Rapport intermédiaire pour la société ALSTOM de 32 pages intitulé : Etude sur un modèle tenant compte des harmoniques d'espace dans les machines asynchrones.

Articles proposés

• Revue internationale avec actes et comité de lecture :

[Ap1]

G. Didier, E. Ternisien, O. Caspary and H. Razik. “A Novel Approach to Detect Broken Rotor Bars in Induction Machine by Current Spectrum Analysis,” Article proposé à la revue Mechanical and System Processing en Mars 2005.

• Conférence et congrès international avec actes et comité de lecture :

[Dp1]

pas d'article pour l'instant

• Conférences et congrès nationaux avec actes et comité de lecture :

[Ep1]

H. Razik, G. Didier, T. Lubin, C.R. da Silvaz, A.W. Mascarenhas, C.B. Jacobina et A.M.N. Lima."Un modèle dédié à la quantification du défaut de barres au rotor des moteurs asynchrones double-étoile," Electrotechnique du Futur, 14-15 septembre, 2005, Grenoble.

¹ L’equipe du GDR ME²MS, Thème Sûreté de Fonctionnement et Fiabilité est composée de :

E. Boutleux, L. Morel, H. Yahoui, H. Hénao, C. Delmotte, G.A. Capolino, G. Rostaing, J.P. Rognon, E. Foulon, L. Loron, G. Didier, H. Razik, G. Houdouin, G. Barakat,  B. Dakyo, S. Tnani, G. Champenois, J.C. Trigeassou, V. Devanneaux, B. Dagues, J. Faucher.

Cette équipe est animée par G. BARAKAT.

Activités d'Enseignements :

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J’ai effectué mes enseignement en électrotechnique (électricité et machines  électriques) en TP et TD de 1^er cycle (DEUG STPI¹, GMP², GSI¹) et 2^nd cycle (Licence IUP SYSET¹, IUP GSI¹, IUP GMP²).

¹ Options de l'IUP Génie Electrique et Informatique Industrielle
² IUP Génie Mécanique et Productique

· Année 2001 – 2004 : Moniteur au CIES de Lorraine.

 Nombre d’heures effectuées : 64 heures équivalent TD par an.

 Type d’enseignements dispensés :

Ø Transformateurs monophasés, transformateurs triphasés, systèmes triphasés équilibrés et déséquilibrés, circuits couplés, loi d’Hopkinson.

Ø Machines électriques - modélisation (calcul d'inductances, harmoniques d'espace, ...) étude des régimes permanents, étude des régimes dynamiques, étude des régimes déséquilibrés. 

Ø Résolution numérique de problèmes en génie électrique (calcul matriciel, équations et systèmes non linéaires, calcul d'intégrales, systèmes d'équations différentielles).

 Elaboration de sujets de :

· Travaux Pratiques pour les DEUG 2^éme année et IUP 1^ére année.

(Un exemple de TP rédigé par mes soins est donné en annexe)

· Travaux Dirigés pour la Licence SYSET “Surveillance des Systèmes Electrotechniques”.

 Répartition de mes enseignements :

Type de cours	Formation	Nombre d’heures reparties sur les 3 années
TP d’électrotechniques	IUP GEII, IUP GSI, IUP GMP, DEUG STPI2 (en 2^iéme  année)	222 (148 équivalent TD)
TD machines électriques	Licence SYSET	44

· Année 2004 – 2005 : ATER à l’université Henri Poincaré – Nancy I.

 Nombre d’heures à effectuer : 96 heures équivalent TD par an (Demi-poste)

 Type d’enseignements dispensés :

 Même enseignements que ceux effectués en tant que moniteur pour ce qui est des TP de Deug et des TD de Licence SYSET auxquels viennent s’ajouter des enseignements de :

Ø Machine à courant continu, hacheur série, hacheur parallèle.

Ø Modulation de Largeur d'Impulsions (MLI) pour onduleur de tension triphasé.

Répartition de mes enseignements :

Type de cours	Formation	Nombre d’heures reparties sur l’année
TP d’électrotechniques	IUP GEII, IUP GSI, IUP GMP, DEUG STPI2	75 (50 équivalent TD)
TD machines électriques	Licence SYSET	22
TP d’électrotechnique	Licence GMP	36 (24 équivalent TD)

Nombre d’heures effectuées au 24 Décembre 2004 : 66 heures de TP en 2^iéme année de Deug.

· Actuellement : Maître de Conférences à l'IUT Henri Poincaré de Longwy.

 Nombre d’heures à effectuer pour l'année 2005-2006 : 303 heures équivalent TD dans le domaine de l’électrotechnique et de l’électronique de puissance. 

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