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No d'ordre Annee

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Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
No d'ordre : 2369 Annee 2006 THESE presentee pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Specialite : Genie Electrique par Martin BLODT Diplom-Ingenieur, Universitat Karlsruhe (TH) Ingenieur de l'Ecole Nationale Superieure d'Ingenieurs Electriciens de Grenoble DEA Genie Electrique de l'Institut National Polytechnique de Grenoble Condition Monitoring of Mechanical Faults in Variable Speed Induction Motor Drives Application of Stator Current Time-Frequency Analysis and Parameter Estimation soutenue le 14 septembre 2006 devant le jury compose de : Mme. Nadine Martin President et rapporteur M. Jean-Pierre Rognon Rapporteur M. Stefan Capitaneanu Examinateur Mme. Marie Chabert Examinateur M. Jeremi Regnier Codirecteur de these M. Jean Faucher Directeur de these M. Pierre Granjon Invite These preparee au Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle de l'ENSEEIHT UMR CNRS No 5828

  • implementation sur dsp des methodes temps-frequence

  • modelisation par approche des ondes de forces magnetomotrices et de permeance

  • modulation d'amplitude du signal courant

  • oscillations de cou- ple

  • wigner distribution


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oN d’ordre : 2369 Ann´ee 2006
`THESE
pr´esent´ee
pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
´Sp´ecialit´e : G´enie Electrique
par
¨Martin BLODT
Diplom-Ingenieur, Universitat Karlsruhe (TH)¨
´ ´Ing´enieur de l’Ecole Nationale Sup´erieure d’Ing´enieurs Electriciens de Grenoble
´DEA G´enie Electrique de l’Institut National Polytechnique de Grenoble
Condition Monitoring of Mechanical
Faults in Variable Speed Induction
Motor Drives
Application of Stator Current Time-Frequency
Analysis and Parameter Estimation
soutenue le 14 septembre 2006 devant le jury compos´e de :
Mme. Nadine Martin Pr´esident et rapporteur
M. Jean-Pierre Rognon Rapporteur
M. Stefan Capitaneanu Examinateur
Mme. Marie Chabert Examinateur
M. J´er´emi Regnier Codirecteur de th`ese
M. Jean Faucher Directeur de th`ese
M. Pierre Granjon Invit´e
´ ´Th`ese pr´epar´ee au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de
l’ENSEEIHT
oUMR CNRS N 5828Abstract
ThisPh.D.thesisdealswithconditionmonitoringofmechanicalfailuresinvariable
speedinductionmotordrivesbystatorcurrentanalysis. Twoeffectsofamechanical
fault are considered: load torque oscillations and airgap eccentricity. The analyti-
cal modelling using the magnetomotive force and permeance wave approach leads
to two stator current models. The fault provokes amplitude or phase modulation
of the fundamental current component. Suitable detection methods are spectral
analysis and parameter estimation in steady state whereas time-frequency analysis
is requiredduringtransients. Instantaneousfrequencyestimation, theWignerDis-
tribution and the spectrogram are studied. Simulation and experimental results
validate the theoretical approach. Automatic extraction of fault indicators is pro-
posed for an unsupervised monitoring system. Moreover, load torque oscillations
and dynamic eccentricity can be discriminated with the proposed methods. The
feasibility of an on-line monitoring system is demonstrated by a DSP implementa-
tion of the time-frequency analysis including indicator extraction.
Keywords
• Induction motor • Condition monitoring
• Mechanical faults • Eccentricity
• Load torque oscillations • Time-frequency analysis
• Parameter estimation • Wigner Distribution
• Instantaneous frequency
iR´esum´e
Cetravaildeth`esetraitedelad´etectionetdudiagnosticded´efaillancesm´ecaniques
par analyse du courant statorique dans les entraˆınements ´electriques `a base de
machine asynchrone. Deux effets d’un d´efaut m´ecanique, des oscillations de cou-
ple et une excentricit´e d’entrefer, sont suppos´es. La mod´elisation par approche
des ondes de forces magn´etomotrices et de perm´eance conduit a` deux mod`eles
analytiques du signal courant. La cons´equence des d´efauts est soit une modu-
lation de phase, soit une modulation d’amplitude du signal courant statorique.
Ces ph´enom`enes sont d´etect´es par une analyse spectrale en r´egime permanent, ou
des m´ethodes temps fr´equence en r´egime transitoire. Les m´ethodes ´etudi´ees sont
la fr´equence instantan´ee, le spectrogramme et la repr´esentation de Wigner-Ville.
L’estimation param´etrique d’indices de modulation a ´egalement ´et´e trait´ee. Des
r´esultats de simulation et exp´erimentaux permettent de valider les signatures et
d’extraire de fa¸con automatique des indicateurs de d´efaut. De plus, une m´ethode
permettant la distinction des oscillations de couple d’une excentricit´e dynamique
estpropos´ee. L’´etudeestcompl´et´eeparuneimpl´ementationsurDSPdesm´ethodes
temps-fr´equence afin de d´emontrer la faisabilit´e d’une surveillance en ligne.
Mots-clefs
• Machine asynchrone • Surveillance et diagnostic
• D´efauts m´ecaniques • Excentricit´e
• Oscillations de couple • Analyse temps-fr´equence
• Estimation param´etrique • Distribution de Wigner-Ville
• Fr´equence instantan´ee
iiiZusammenfassung
In dieser Arbeit wird die Entdeckung und Diagnose mechanischer Fehler in ge-
schwindigkeitsvariablenAsynchronantriebenmittelsStatorstromanalyseuntersucht.
Zwei Auswirkungen mechanischer Fehler auf die Asynchronmaschine werden vor-
rausgesetzt: kleine, periodische Drehmomentschwankungen und Luftspaltexzen-
trizit¨at. Das daraus resultierende Luftspaltfeld wird mittels der Durchflutung und
desmagnetischenLeitwertsanalytischundqualitativberechnet. Derentsprechende
Statorstrom zeigt kleine Amplituden- oder Phasenmodulationen infolge der mech-
anischen Fehler. Geeignete Signalverarbeitungsmethoden im stationa¨ren Betrieb
sind Spektralanalyse und Parameterschatzung, wohingegen im geschwindigkeits-¨
variablen Betrieb Zeit-Frequenz-Analyse ben¨otigt wird. Die Analyse der Momen-
tanfrequenz, Wigner-Ville-Verteilung und Spektrogramm werden behandelt. Die
vorgeschlagenen Methoden werden durch Simulationen und Versuchergebnisse va-
lidiert. Die Ergebnisse zeigen, daß dynamische Exzentrizitat und Drehmoment-¨
schwankungen unterschieden werden ko¨nnen. Um eine automatische und per-
¨manente Uberwachung des Antriebes zu realisieren, werden verschiedene Indika-
toren basierend auf Zeit-Frequenz-Analyse und Parameterscha¨tzung vorgestellt.
Die praktische Umsetzbarkeit der Algorithmen wird durch DSP Implementierung
der Zeit-Frequenz-Analyse demonstriert.
Stichworter¨
• Asynchronmaschine • Zustandsu¨berwachung
• Mechanische Fehler • Exzentrizit¨at
• Drehmomentschwankungen • Zeit-Frequenz-Analyse
• Parameterschatzung • Wigner-Ville-Verteilung¨
• Momentanfrequenz
vAcknowledgement -
Remerciements
Bien que ce m´emoire de th`ese soit en langue anglaise, je me permets d’´ecrire ces
remerciements en fran¸cais. Les travaux pr´esent´es dans ce m´emoire ont ´et´e r´ealis´es
au sein de l’´equipe Commande et Diagnostic des Syst`emes Electriques (CoDiaSE)
du Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle (LEEI). Le labo-
ratoire est situ´e `a l’Ecole Nationale Sup´erieure d’Electrotechnique, d’Electronique,
d’Informatique, d’Hydraulique et des T´el´ecommunications (ENSEEIHT) de l’In-
stitut National Polytechnique de Toulouse.
Tout d’abord, je voudrais remercier Messieurs Yvon Ch´eron et Maurice Fadel,
directeurs du LEEI, ainsi que Pascal Maussion, responsable du groupe CoDiaSE,
pour l’accueil qui m’a respectivement ´et´e r´eserv´e au sein du LEEI et du groupe
CoDiaSE.
Ensuite, je voudrais remercier tous les membres du jury:
• Madame Nadine Martin, Directeur de Recherche CNRS au Laboratoire des
Images et des Signaux, Grenoble, pour m’avoir fait l’honneur de pr´esider
le jury et d’ˆetre rapporteur. J’ai beaucoup appr´eci´e son int´erˆet pour notre
travail et les remarques tr`es constructives que l’on a pu ´echanger.
• MonsieurJean-PierreRognon,ProfesseurdesUniversit´es`al’ENSIEG,Greno-
ble,pouravoiraccept´elalourdetˆachederapporteuretpoursescommentaires
sur ce travail. Je voudrais ´egalement le remercier pour la grande qualit´e de
ses enseignements dont j’ai pu profiter lorsque j’´etais ´etudiant a` l’ENSIEG.
• MonsieurStefanCapitaneanu,Ing´enieur`aSchneider-ToshibaInverter,d’avoir
particip´e `a ce jury en tant qu’examinateur, d’avoir port´e autant d’int´erˆet `a
nostravauxetdenousavoircommuniqu´e`atraverssonexp´erienceindustrielle
son avis sur la pertinence de notre approche.
• Madame Marie Chabert, Maˆıtre de Conf´erences `a l’ENSEEIHT, pour sa
fructueuse collaboration pendant cette th`ese. J’ai beaucoup appr´eci´e de tra-
vailleravecelle,tantauauniveaudelarecherche,quepourlesenseignements.
Merci pour sa motivation, sa gentillesse, pour l’int´erˆet qu’elle a port´e `a notre
sujet et pour sa rigueur lors des nombreuses relectures d’articles et de ce
manuscript.
• Monsieur Pierre Granjon, Maˆıtre de Conf´erences `a l’ENSIEG, d’avoir par-
ticip´e`acejury,poursescommentairesetremarquesconstructivesparrapport
viiviii Acknowledgement - Remerciements
au m´emoire, pour son grand int´erˆet pour notre travail, pour sa gentillesse et
sa sinc´erit´e. Un grand merci pour son encadrement lors de mon DEA, qui
est `a l’origine de mon int´erˆet pour le diagnostic et le traitement du signal.
• Monsieur J´er´emi Regnier, Maˆıtre de Conf´erences `a l’ENSEEIHT, pour le
co-encadrement de cette th`ese. Je voudrais le remercier pour l’excellente
ambiance de travail pendant les deux ann´ees, sa gentillesse, son int´erˆet et sa
grandemotivationpourunnouveausujetqu’iladuint´egrerrapidementapr`es
son recrutement. J’ai toujours beaucoup appr´eci´e nos ´echanges scientifiques
ou non-scientifiques et c’´etait un plaisir de travailler ensemble.
• Monsieur Jean Faucher, Professeur des Universit´es a` l’ENSEEIHT, qui a
dirig´ecestravauxdeth`ese. Jevoudraisluiexprimertoutemagratitudepour
lagrandeconfiancequ’ilm’aaccord´etoutaulongdescestroisann´ees. Merci
de m’avoir propos´e un sujet tr`es enrichissant, de m’avoir laiss´e de la libert´e
et de m’avoir toujours soutenu. A part ses grandes qualit´es scientifiques, j’ai
´egalementbeaucoupappr´eci´esesqualit´eshumainesquiontfaitquetouts’est
d´eroul´e dans une ambiance tr`es agr´eable.
Mesremerciementsvont´egalementaupersonneltechniquedulaboratoire: Jean-
MarcBlaqui`ere,JaquesLuga,DidierGinibri`ereetparticuli`erementOlivierDurrieu
de Madron et Robert Larroche pour leur aide sur le banc d’essai. L’informatique
est toujours un composante critique dans un tel laboratoire, donc merci a` Jaques
Benaioun, Jean Hector et Philippe Azema pour leur aide et leurs interventions.
Je suis ´egalement reconnaissant envers le personnel administratif pour leur gen-
tillesse et pour m’avoir facilit´e de nombreuses taˆches. Merci `a Fatima Mebrek,
Val´erie Schwarz, Christine Bodden, Fanny Dedet, B´en´edicte Balon, Josiane Pio-
nnie, Catherine Montels et Raymonde Escaig.
Parmi les autres permanents, je voudrais remercier Bruno Sareni (surtout pour
sa disponibilit´e et son aide par rapport `a l’optimisation), Danielle Andreu (pour
le bon d´eroulement de mes enseignements au sein de son d´epartement), Maria
Pietrzak-David (pour sa gentillesse et sa disponibilit´e), Franco¸ is Pigache, Ana
Maria Llor et d’autres que je n’ai pas cit´es.
Je voudrais saluer et remercier les doctorants avec lesquels j’ai eu le plaisir
de partager le bureau international E113a, ou` r´egnait une ambiance toujours tr`es
agr´eable: Sylvain Canat, Lauric Garbuio, Paul-Etienne Vidal, Grace Gandanegara
et particuli`erement Gianluca Postiglione (pour le reste du temps dans un bureau
un peu plus petit).
Un grand merci `a de nombreux autres th´esards qui ont contribu´e `a une bonne
ambiance dans le laboratoire. Je commence par les anciens: Guillaume Fontes,
Nicolas Roux, Christophe Viguier ; suivi par mes coll`egues J´erome Faucher (pour
lesbonsmomentsgastronomiquespartag´es),AliAbdallahAli(pourlesnombreuses
discussions autour d’un bon caf´e), Mathieu Leroy, J´erˆome Mavier, Anne-Marie,
Bayram;etlesplusjeunes: lesdeuxFranco¸ is,MarcosetMarcus,Valentin,Antony,
Baptiste et de nombreuses autres personnes que je n’ai pas cit´ees.