No. Dossier: les éoliennes Le magazine de maintenance du groupe PRÜFTECHNIK Les nouvelles de PRÜFTECHNIK Incontournables CMS Service de maintenance conditionnelle Equilibrage du rotor Par Dr. Edwin Becker Dans le contexte du réchauffement climatique, l éolienne s impose dans le monde entier comme une alternative écologique. Pour prolonger la durée de vie des éoliennes, de multiples concepts d entraînement sont actuellement appliqués. En voici quelques mots-clés: redresseurs à diodes, génératrices synchrones et permanentes, multiplicateurs à plus de deux trains d engrenage planétaire, multiplicateur à circuit hydraulique. Ce sont les expériences sur site qui détermineront quelles solutions s imposeront. Cependant, une chose est sûre: la maintenance conditionnelle jouera un rôle primordial. Nous avions déjà consacré un numéro à l énergie éolienne, mais nous avons décidé de reprendre le dossier pour vous présenter les derniers changements en matière de concepts de surveillance dans ce marché en pleine expansion. Sommaire Incontournables CMS Equilibrage du rotor Les CMS pour l éolien Vibrations et alignement de concert Un centre de maintenance certifié Surveillance de systèmes faibles vitesses Infos Les éoliennes sont plus ou moins sujettes à vibrations. Le spécialiste connaît les éoliennes à fonctionnement stable, celles construites en faible quantité à cause de leurs problèmes vibratoires, et celles à vitesse variable, qui présentent un risque accru de vibrations, quand elles tournent à une vitesse proche de la fréquence propre du mât. Mais il est possible de réduire ces vibrations au moyen d un équilibrage. Dans le secteur de la construction d installations et de machines, l équilibrage des rotors, des machines et des ventilateurs est une pratique courante. Il y a des années, PRÜFTECHNIK a développé les instruments de mesure appropriés et vous propose, comme prestation de service, l équilibrage sur un plan ou deux, d installations en marche. Alors pourquoi ne pas équilibrer les pales de rotor d une éolienne, y compris celles des éoliennes à vibrations relativement élevées et de faible fréquence et dont les pales ont besoin d un équilibrage sur un plan seulement? Des essais préliminaires ont démontré que les instruments de mesure PRÜFTECHNIK sont suffisamment sensibles pour effectuer des mesures linéaires et des équilibrages à partir de 0,Hz. A titre d exemple: Un exploitant se plaint de coupures fréquentes déclenchées par le contrôleur de vibrations installé dans la nacelle. Dans un premier Figure : Montage de la ceinture d'équilibrage. temps, on pourrait chercher la cause dans un mauvais ajustement du contrôleur de vibrations, et donc procéder à son réajustement. Ensuite on pourrait essayer de trouver un endroit dans la nacelle qui vibre moins et y installer le contrôleur. Mais dans le cas présent, l exploitant nous a tout de suite chargés de mesurer les vibrations et de les réduire par équilibrage. Les figures -3 vous illustrent quelques étapes de ce travail à commencer par le montage de la ceinture d équilibrage ( ceinture sur laquelle sont fixées les masselottes de test) en passant par la mesure des défauts d équilibre pour terminer par le montage de masses supplémentaires. L équilibrage sur un plan s est fait en quatre étapes: Mesures pour établir un diagnostic D abord nous mesurons et nous analysons la partie basses fréquences du spectre d amplitude de la vitesse vibratoire.
Le résultat nous montre qu il y a, dans la gamme de puissance nominale de l éolienne, une gamme de vitesse de rotation à l intérieur de laquelle la fréquence propre du mât est fortement excitée. C est la preuve qu un petit déséquilibre ou d autres perturbations suffisent à exciter le système vibratoire constitué par l ensemble rotor-nacelle-mât. Le test de déséquilibrage Pendant ce test, on étudie la réaction du système face à un poids externe. A cet effet, nous fixons des masselottes sur une pale, et nous mesurons ensuite, à l aide d accéléromètres, les vibrations produites par la rotation. A l aide de capteurs optiques, nous mesurons également la fréquence de rotation et la phase. Etant donné que le système en question présente des excitations de résonance, nous n avons pu monter que des petites masselottes. Afin de réduire d éventuelles influences aérodynamiques, nous sommes obligés de faire tourner l éolienne dans un état sous-critique et sans pitching. 3 L équilibrage proprement dit Pour l équilibrage proprement dit, nous avons utilisé l appareil de mesure VIBXPERT. Son logiciel a été configuré pour trois points de fixation: les trois pales. Les masselottes sont ensuite montées sur les ceintures d équilibrage et nous procédons à un nouveau tour d équilibrage. 4 Répétition du processus de mesures de diagnostic Ensuite nous mesurons à nouveau et nous comparons les résultats avec la situation de départ. Dans le cas présent, nous obtenons une réduction de la charge vibratoire d environ 40%, même sur un phénomène de résonance. Cependant les mesures révèlent que la fréquence propre du mât est excitée par des déséquilibres d origine aérodynamique. Nous conseillons alors à l exploitant de procéder à un blocage électrique des vitesses critiques pour empêcher que d éventuels déséquilibres d origine aérodynamique n excitent les résonances. D autres causes de déséquilibres à faible fréquence et des perturbations des éoliennes sont parcourues en figure 5. Figure : Montage de la ceinture d'équilibrage. Figure 3: Montage d'une masselotte. Figure 4: Le travail est achevé! Dans le rotor et ses pales Déséquilibres liés à la masse: Pales à masse inégale. Répartition irrégulière de la masse dans une pale. Défaut de bridage ou de pitch au niveau du moyeu. Déséquilibre au niveau du moyeu. Excentricités sur l'ensemble du rotor. Arbre tordu. Infiltrations d'eau/givrage. Dans la chaîne cinématique: Déséquilibre lié à la masse ou au couple, dans la génératrice, l'accouplement ou le disque de frein. Figure : Mesure du déséquilibre. Déséquilibres d'origine aérodynamique: Erreurs d'angle au niveau des pales. Pales ne présentant pas le même profil. Pales endommagées. Balourds provenant de travaux de réparation. Défaut de pitch/défaut de cône. Vents indirects, biaisés. Excitations externes liées à l'emplacement (rafales, appels d'air au niveau du mât). Figure 5: Le mauvais équilibre d une éolienne peut avoir de multiples causes et entraîner une usure prématurée.
Quand et comment utiliser la maintenance conditionnelle? Les CMS pour l éolien Par Johann Loesl, directeur des opérations de PRÜFTECHNIK Condition Monitoring De plus en plus d éoliennes sont équipées d un CMS, système qui fournit en permanence, à l exploitant, des données sur l état de son éolienne. Il est impératif dans les installations offshore et il est extrêmement utile dans les éoliennes onshore. En fournissant continuellement des informations sur les conditions de fonctionnement et l état de votre éolienne, le CMS vous aidera à éviter le risque d éventuels arrêts de production. Les systèmes de maintenance conditionnelle (CMS) intègrent et gèrent tous les paramètres de fonctionnement, contribuant ainsi, dans une large mesure, à un fonctionnement économique de l éolienne. Dans la dernière mise à jour de ses directives, la Germanischer Lloyd a non seulement spécifié les exigences auxquelles doit répondre notre système de maintenance conditionnelle, mais rend le CMS en ligne obligatoire pour les installations en mer. En plus des systèmes certifiés, nous sommes en mesure de vous proposer d autres outils de maintenance et de surveillance, qui ont désormais fait leur preuve au niveau international, et que nous allons décrire par la suite. La maintenance conditionnelle mobile En l absence d une installation de CMS en ligne, on procède à des mesures mobiles. C est une bonne méthode, lors- structure, des analyses de bruits et de déplacement. Mais lorsqu on répète ces mesures, il faut que les conditions de charges et de vitesses soient identiques. Les contrôle-commandes de la plupart des éoliennes disposent d un mode spécial qui fait, qu à partir d une certaine vitesse du vent, l éolienne tourne toujours à la même puissance. C est-à-dire que le réglage automatique est désactivé du moins en partie. Mais les instruments portables tel que le VIBXPERT, utilisés dans de nombreuses éoliennes, permettent d enregistrer des données à vitesse variable, l essentiel étant de respecter une durée de mesure suffisamment longue afin d enregistrer tous les événements qui ont provoqué le dégât. Une fois qu on a identifié la cause principale des vibrations, il est souvent utile de constater l ampleur réelle des dégâts. Un examen vidéo-endoscopique est alors un excellent moyen d analyse, à condition qu il soit effectué par un technicien de maintenance qualifié. Les petits constructeurs d éoliennes et les experts utilisent des instruments de mesures portables tel que le VIBXPERT pour répéter, autant que nécessaire, les mesures concernant le comportement et les vibrations de l éolienne en marche et détecter ainsi les éventuelles anomalies. Lors des mesures mobiles effectuées par PRÜFTECHNIK, nos techniciens veillent au respect de deux conditions: présence d au moins 0% de la charge et durée suffisamment longue. La figure montre l arborescence d une chaîne cinématique caractéristique d une éolienne. On fixe des points de mesure sur la génératrice, le multiplicateur et le palier principal, qu on combine ensuite avec des fonctions de mesure et d analyse. Pour vous permettre de procéder à des mesures répétées, les paramètres sont mémorisés dans un fichier, que l on peut activer à tout moment. De nombreux exploitants et constructeurs se demandent, s il faut former des spécialistes du diagnostic en interne ou, s il vaut mieux sous-traiter ce domaine. C est pour répondre à cette interrogation que PRÜFTECHNIK a développé le concept du Condition Monitoring Partner: l exploitant recueille les données sur la base de certaines spécifications et les transmet ensuite, pour diagnostic, au centre de maintenance conditionnelle de PRÜFTECHNIK, qui a été certifié par la Germanischer LLoyd début 007. Tout le travail en amont (sélection des points de mesure dans l éolienne et création du fichier de l appareil de mesure) est assuré par PRÜFTECHNIK. L enregistrement des données par VIBXPERT est effectué par un technicien d entretien de l exploitant ou du constructeur, qui, la plupart du temps, est sur place de toute façon. C est un procédé qui fait gagner du temps et de l argent, car il vous fait économiser les frais de déplacement Fig.: Analyse de bruit sur un palier de 3 qu on constate des anomalies et qu on est obligé d effectuer des mesures spéciales pour confirmer un premier diagnostic. On peut alors procéder à des mesures classiques de dynamique de Fig. : Arborescence établie pour des mesures mobiles. Fig. 3: Montage compatible EMV d un VIBRO- WEB XP sous une génératrice de 500 kw.
4 pour la visite d un spécialiste du diagnostic. Nous sommes également en mesure de former votre personnel de façon à ce que vous soyez capable de faire le travail de diagnostic vous-même. En cas de problèmes difficiles à résoudre vous pourrez toujours contacter un de nos spécialistes. La maintenance conditionnelle de routine Cependant, le CPK effectué à l aide d un collecteur portable présente certains inconvénients: l état de la machine n est décrit qu à un moment donné et sous certaines conditions, ce qui ne nous permet pas toujours de reconnaître des perturbations qui se produisent en marge. La solution qui s impose alors est l installation d un CMS en ligne. Une version portable du VIBROWEB XP recueille des valeurs de mesure, pendant un certain temps et en conditions de fonctionnement, et les transmet via le web au centre de maintenance conditionnelle de PRÜFTECHNIK. Il y a aussi la possibilité de stocker les données sur une clé USB, qui sera ensuite lue au centre de maintenance. C est un procédé qui a un bon rapport qualité-prix et peut donc être une alternative à l installation permanente d un CMS en ligne. Il est particulièrement adapté à des parcs qui tournent avec des éoliennes de petite taille. Mais la maintenance conditionnelle temporaire sert également à observer le comportement d une machine dans des situations critiques et à assurer le suivi de multiplicateurs précédemment endommagés. Il est aussi très utile quand il s agit d établir des tolérances d alignement (voir l article p. 5). Le Service de Télédiagnostic Temporaire ou TTS Le procédé qui a été décrit plus haut est appelé TTS, sigle anglais pour Temporary Telediagnostic Service. Si, par exemple, une installation connaît un problème ou si on veut tester un prototype, PRÜFTECHNIK est capable de fournir un concept de surveillance qui présentera de façon claire, dans un logiciel d évaluation, des mesures de vibration qui prendront en compte des paramètres tels que décalages éventuels, couple, température, etc. La maintenance en ligne standard Ethernet LAN Fig. 4: Transmission et gestion des données par téléservice Pour surveiller une éolienne, la meilleure solution est l installation permanente d un CMS en ligne. Les bases de la surveillance et des divers systèmes ont été stipulées dans les règlements de la Germanischer Lloyd. Voici les systèmes PRÜFTECHNIK de CMS en ligne qui ont obtenu la certification Germanischer Lloyd: - VIBROWEB XP - VIBGUARD (distribué par µ-sen) - WinTControl ( Flender/Winergy). Le développement de ces systèmes a obéi à des critères tels que: mesures sur une longue durée, enregistrement des données dans différents états opératoi- Fig. 5: Petit et compact le CMS VIBNODE Operator email DSL Firewall SMTP server res et une amélioration permanente des algorithmes d analyse. La gestion des données Mais après un ajustement parfait du CMS en ligne, il faut relever le défi que constitue la gestion des données. La figure 4 montre comment PRÜFTECH- NIK a résolu ce problème dans tous ses CMS en ligne: A l intérieur du parc, les données sont transmises d éolienne en éolienne, par ethernet, et ensuite envoyées en fichier attaché par e-mail au centre de maintenance conditionnelle de PRÜFTECHNIK. Via une connexion Internet sécurisée, l exploitant et le centre de maintenance ont accès aux bases de données centralisées sur un serveur. Une alternative intéressante Dans le cas où un système certifié n est pas obligatoire, ou s il ne se justifie pas d un point de vue économique, le CMS VIBNODE est une alternative peu coûteuse (figure 5). Mettre à profit des synergies. L expérience acquise par PRÜFTECH- NIK depuis de longues années en matière de maintenance conditionnelle favorise les synergies dans le cas de partenariats. C est le choix qui a été fait par la NORDEX SA et la PRÜFTECHNIK Condition Monitoring SARL. A paraître Internet Monitoring Center email Le dossier de notre prochain numéro: les turbomachines - Le service de télédiagnostic temporaire pour les turbo-transmissions. - Mesurer les vibrations sur les turbopropulsions. - Analyses en phase d accélération maximale et en phase de décélération. - Evaluer des orbites et des analyses de décalage.
Utilisation de l alignement Vibrations et alignement de concert Par Dr. Edwin Becker et Ole Holstein Fig. : Spectre de vitesse vibratoire avec une augmentation de l amplitude à deux fois la 5 Les erreurs d alignement dans les chaînes cinématiques éoliennes constituent une des causes principales de vibrations. L existence d une erreur est facile à identifier grâce à l analyse du spectre de vitesse des vibrations: si l amplitude de la fréquence de rotation de l arbre de la génératrice est trop élevée, il convient de vérifier les derniers rapports d alignement et de contrôler l alignement à l aide d un instrument laser. Aligner à zéro La chaîne cinématique d une éolienne se caractérise par un alignement hautement variable ce qui s explique par l installation généralement souple de la génératrice et du multiplicateur. L arbre de la génératrice tend à se décaler par rapport à l arbre de sortie, et ceci en fonction de la charge et de la vitesse. Pour assurer la transmission de puissance, indépendamment des variations d alignement au cours du fonctionnement, les constructeurs utilisent des accouplements très souples. Ce qui importe c est que les différents états d alignement, lorsque l éolienne est en service, restent effectivement à l intérieur du rayon d action de l accouplement utilisé. Pour cela, on peut utiliser des accouplements qui sont en mesure de suivre des décalages importants (fig. ). Cependant dans les cas de déport parallèle, cet accouplement atteint ses limites, ce qui se manifeste par une augmentation des forces de rappel, des vibrations élevées et une usure prématurée. Les systèmes laser récents permettent d obtenir un alignement presque parfait entre le multiplicateur et la génératrice quand l installation est à l arrêt. Mais dans le cas d une chaîne cinématique Fig. : Alignement de l arbre d une chaîne cinématique éolienne à l aide d un système laser. Fig. 4 Les tolérances + / - peuvent être rentrées dans les systèmes d alignement. souple, il convient plutôt de faire en sorte que les deux composants ne soient pas alignés quand l installation est à l arrêt pour qu un alignement parfait de l arbre se produise en service. Pour cela, il faut savoir dans quelle direction se produisent les décalages quand le système est en route. Ces données appelées tolérances peuvent être enregistrées par tous les systèmes d alignement de PRÜFTECHNIK. Comment connaître les tolérances? déport parallèle, vertical déport parallèle, horizontal déport angulaire, vertical déport angulaire, horizontal Fig. 3: Les quatre cas possibles d un mauvais alignement Les tolérances d alignement se trouvent dans les modes d emploi et sont fournies par le constructeur de l installation. Cependant, la grande diversité des composants dans les chaînes cinématiques et la multitude de structures de base rendent difficile l établissement des valeurs générales. Pour déterminer les tolérances effectives, on peut avoir recours à un système spécifique tel que PERMALIGN. Pour cela, on fixe des capteurs hautement sensibles sur la génératrice et le multiplicateur. Ces capteurs mesurent les éventuels décalages des composants toutes les secondes.
Terminology Le saviez-vous? Fig. 5: Montage temporaire d un système laser PERMALIGN sur le multiplicateur. Les résultats mesurés peuvent être enregistrés et traités par n importe quel CMS en ligne de PRÜFTECHNIK Les clients qui disposent déjà d un CMS en ligne de PRÜFTECHNIK tels que WinTControl, VIBROWEB XP ou VIB- GUARD connectent tout simplement les composants du PERMALIGN par l intermédiaire de l interface RS 3 et transmettent les résultats mesurés au centre de maintenance. Pour établir les tolérances d alignement on tiendra compte des différentes conditions de vent: sans vent (à l arrêt), vent faible ( pales en mouvement, hors production), vent moyen et vent fort. Le graphique xy de la figure montre les résultats mesurés. Les tolérances d ali- décalage vertical décalage horizontal position à l arrêt Fig. : Composant PERMALIGN monté côté face de la génératrice. Fig. 7: Les données PERMALIGN atteignent le VIBROWEB XP via RS-3. gnement qui en résultent sont ensuite intégrées au système d alignement et automatiquement prises en compte au cours de la procédure d alignement. L expérience de l équipe de service de PRÜFTECHNIK montre qu il faut une à quatre semaines de mesures, selon l emplacement de l éolienne et les conditions de vent. L établissement des tolérances d alignement en tant que prestation de service PRÜFTECHNIK se fait, si vous le souhaitez, dans le cadre d un contrat de service payant. Si vous ne disposez pas d un CMS, nos techniciens se chargeront de l installer pour la durée de l intervention. Montage: Installation de la machine sur le site. Alignement: Mettre la machine dans la bonne position lors du montage. Instructions d alignement: consignes précisant l état à atteindre à la fin de la procédure d alignement (valeurs à atteindre). Le rapport d alignement: description de l état atteint à la fin de la procédure d alignement (valeurs obtenues). Etat d alignement: état après alignement lorsque la machine est à l arrêt, donc froide, qui change quand la machine est en service, donc chaude. Décalage: changement de position de l arbre dû aux conditions de fonctionnement, qui intervient surtout entre le moment où les machines sont à l arrêt, donc froides et celui où elles sont chaudes parce qu elles tournent en permanence. Paramètres qui influencent l état d alignement (en accord avec VDI 7) Dilatation thermique entre les températures de montage et de fonctionnement (fondation, châssis, arbres). Déformations élastiques au cours du fonctionnement (fondation, châssis, arbres). Décalages se produisant entre l état de montage et l état de fonctionnement (dus à des jeux, forces et lubrification). Inclinaison oblique des arbres du multiplicateur provoquée par le montage de masses tels que disques de frein ou accouplements. Jeu radial et battement axial de la bride. Rigidité radiale et axiale de l accouplement de connexion. Déport angulaire: se mesure en degré, millirad (mrad) ou comme valeur relative en millimètres par mètre (mm/m). Exemple: un accouplement d un diamètre de 00mm présente un écart de mm au bord supérieur, ce qui cause un angle de 0mrad (NB mrad = mm par mètre). Déport parallèle en mm: désigne la distance entre les points d intersection des axes de rotation avec un plan déterminé perpendiculaire aux deux axes de rotation. En général, le déport parallèle se réfère à la distance entre les axes d arbre et le centre de l accouplement. Fig. : Décalages représentés sur un graphe xy à différentes conditions de vent. A) pas de vent/vent faible B) vent moyen C) vent fort. C B A Pour plus d information sur l alignement, demandez un exemplaire gratuit de notre manuel technique destiné aux techniciens et aux ingénieurs, par simple e-mail à l adresse suivante: info@pruftechnik.com
7 Le service de maintenance conditionnelle Un centre de maintenance certifié Par A. Chavez, M. Kenzler, J. Wu, M. Tanasijewic L expérience nous a montré plus d une fois qu un matériel de maintenance conditionnelle certifié ne suffit pas à garantir un diagnostic d erreur fiable. Ce dernier dépend largement de la bonne installation, du paramétrage et de la mise en service des systèmes de mesure (CMS), ainsi que d une réaction rapide et appropriée aux changements signalés. Pour satisfaire ces énormes exigences, PRÜFTECHNIK a fait certifier son centre de maintenance conditionnelle par la Germanischer Lloyd en mars 007. L article qui suit vous donnera un aperçu de notre travail au centre et vous montrera comment nous abordons les problèmes délicats. Les différentes compétences d un centre de maintenance conditionnelle sont au nombre de trois: centre de maintenance conditionnelle certifié - compétences A B C installation et mise en service du CMS service de mise en route ( 3 mois sur une éolienne) télémonitoring/télémaintenance & diagnostic conseil & analyse En plus de l installation, de la mise en service et du paramétrage, le téléservice doit assurer le contrôle de routine des résultats de mesure, changer, si nécessaire, les valeurs-limites, rédiger des rapports de situation, réagir à l arrivée de messages d alerte et d alarme. A l apparition du moindre endommagement, le client est informé de la démarche à suivre qui lui permettra de résoudre le problème. Toutes ces tâches exigent des instructions claires, un personnel qualifié, un équipement approprié (matériel et logiciels de dernière génération) ainsi qu une connaissance hautement professionnelle du diagnostic. Les procédures et la gestion du matériel ayant été clairement définies lors de la certification par Germanischer Lloyd, nous avons pu créer le cadre idéal à une surveillance de plusieurs milliers d éoliennes. L expérience nous montre que le facteur temps joue un rôle crucial dans la maintenance conditionnelle, l idéal étant de pouvoir s acquitter automatiquement des tâches de routine, ce qui permet de libérer du temps pour l établissement d un diagnostic dans toutes les règles de l art. A) Installation & mise en service Notre travail commence avec l installation et la mise en service du CMS. Il faut s assurer que tous les systèmes sont montés conformément aux normes et que les protocoles de montage et de mise en service sont disponibles. Il faut de plus récupérer toutes les données nécessaires concernant la chaîne cinématique et ses composants pour ensuite les mémoriser. Il faut tester la communication et créer la structure de données dans l ordinateur de service. Ensuite, il convient de transférer vers le CMS installé le logiciel de mesure spécifique à la chaîne cinématique en place, et activer l envoi par e-mail. Quelques jours plus tard, nous vérifions si toutes les données requises sont réalisées et si elles sont sensées et compréhensibles. Ensuite, on active, dans le logiciel de mesure, les deux états opératoires requis et pendant à semaines, nous collectons des résultats, qui vont servir de base aux calculs des valeurslimites qui serviront à la configuration de bandes d alerte et de bandes d alarme spécifiques aux composants de la chaîne cinématique en place. La figure montre un écran de configuration typique du logiciel OMNITREND. La phase de mise en route qui aura duré trois mois est conclue avec la rédaction d un rapport de 50 pages, qui spécifie les conditions de fonctionnement de l éolienne, les contraintes des technologies de mesure et de communication, ainsi que celles propres à l éolienne elle-même. Cette phase de mise en route exige donc un travail conséquent et un personnel suffisamment qualifié. Fig. : Ecran de configuration du logiciel OMNITREND
B) Télémaintenance & diagnostic Le service de télémaintenance débute après la phase de mise en route et doit être demandé à part. La procédure standard prévoit des contrats annuels qui incluent deux rapports de télémaintenance. Pour vous donner une idée du travail que demande la télémaintenance voici l exemple d un parc de 00 éoliennes: Chaque éolienne produit quotidiennement environ MB de données. Pour télécharger des données de 00 MB par modem ou GPRS, il faut environ 0 heures. L utilisation du web ou de la technologie UMTS peut nettement accélérer ce procédé. Mais le travail ne s arrête pas là, car les données doivent encore être rentrées et sauvegardées dans la base de données. Afin d accélérer la procédure, PRÜF- TECHNIK a développé le transfert des données par e-mail ainsi que le logiciel e-mail center à sauvegarde de données centrale, qui permet d automatiser de nombreuses tâches de routine concernant la collecte et la mémorisation des données, et qui libère ainsi du personnel, qui peut être affecté au diagnostic. Un technicien peut surveiller 50 éoliennes, un spécialiste 00 éoliennes: une analyse de routine prend environ 5 minutes, ce qui signifie pas tout à fait 0 heures, c est-à-dire de quoi remplir une journée de travail. Dans ses logiciels, PRÜFTECHNIK a intégré des fonctions qui permettent non seulement d établir un premier diagnostic, mais aussi de systématiser les procédures de travail et d analyse. Le spécialiste gagne donc du temps et peut se consacrer pleinement au diagnostic détaillé. Chaque journée de travail débute avec Fig. 4: Surveillance des diagrammes caractéristiques de vitesse de rotation et de puissance le traitement d éventuelles alarmes. Pour chaque éolienne, il y a 00 valeurs-limites au-delà desquelles est déclenchée une première alerte et 00 valeurs-limites qui définissent l alarme. Ce qui signifie, pour 00 éoliennes, une éventualité de 0.000 alarmes quotidiennes. La rédaction d un rapport d alarme avec analyse détaillée nécessite environ 30 minutes. Afin de réduire l énorme volume de données, on pourrait désactiver certaines catégories d alarmes ou augmenter le seuil des valeurs-limites. Mais PRÜFTECHNIK a opté pour Fig. 3: Un des techniciens du centre de maintenance une autre solution, celle de prolonger la durée des mesures au niveau du CMS, de fixer les états opératoires pour chaque éolienne, d augmenter la résolution des mesures dans le spectre d amplitude et d utiliser de nouvelles méthodes de mesure telles que le rééchantillonnage. Nous obtenons ainsi des données d une grande qualité, des signaux qu on peut facilement reproduire, et des valeurs d alarmes plus fiables. La rédaction des rapports de télémaintenance prend du temps. Il faut rédiger deux rapports annuels par éolienne, ce qui signifie une charge de travail de 00 heures annuelles pour 00 éoliennes. Fig. : Rapport de télémaintenance Le logiciel OMNITREND Web ne simplifie pas seulement les diagnostics et les évaluations, mais également la rédaction automatique des rapports. La figure 4 montre des diagrammes de la relation vitesse-puissance. C) Conseil et analyse Cependant, les meilleurs diagnostics ne servent à rien, si l éolienne n est pas le siège d améliorations continues. Le cahier des charges de la Germanischer Lloyd exige du personnel d un centre de maintenance conditionnelle une connaissance approfondie des particularités de chaque éolienne surveillée. Cette connaissance lui permettra de distinguer entre les dépassements de valeurs dus au hasard ou aux particularités du fonctionnement, et ceux qui sont liés à un réel dysfonctionnement. PRÜFTECH- NIK intègre dans ses évaluations une analyse régulière de type AMDEC (analyse des modes de défaillances, de leurs effets et de leur criticité) spécifique à chaque éolienne et ses composants. Cela nous permet d optimiser le travail de maintenance. Notre répertoire standard comprend même des mesures de maintenance pro-actives, telles que l équilibrage sur place, l alignement de la chaîne cinématique, la vidéoscopie des composants du multiplicateur, l interprétation d analyses d huile et de lubrifiant, ainsi que l évaluation de signaux inhabituels.
La technologie de la maintenance conditionnelle Surveillance de systèmes faibles vitesses Prolonger la durée de mesure (ère partie) Par Dr. Edwin Becker Pour contrôler les vibrations des composants d une chaîne cinématique à faible vitesse, il faut des mesures répétées et représentatives. Pour s assurer de la stabilité d une valeur de fréquence, il faut mesurer au moins vingt périodes de vibrations, alors que pour l amplitude il en faut cent. Plus concrètement: pour l équilibrage du rotor d un système,5 MW (t/min correspondent à une fréquence de rotation de 0,3 Hz), il est nécessaire de respecter une durée d environ 0 secondes pour la stabilité de fréquence et d environ 300 secondes pour la stabilité d amplitude. De la même façon, le CMS en ligne gagne en qualité grâce à des mesures de longue durée. C est pour cette raison que PRÜF- TECHNIK mesure les composants d une chaîne cinématique à faible vitesse sur un minimum de 40 secondes et évalue en plus les signaux-temps enregistrés. La figure met en évidence les différences de fréquences et d amplitudes de 3 spectres calculés à partir de différents échantillons d une seconde issus d un signal temporel de 0 secondes (signaltemps mesuré sur le palier principal d un système de,5 MW). Fig. : Signal-temps de 0 secondes et 3 spectres de fréquence dérivés d échantillons de ce signal Surveillance de systèmes faibles vitesses (ème partie) Rééchantillonnage synchrone 9 Dans les installations à vitesse variable, la vitesse de rotation peut varier fortement quand on procède à des mesures sur une longue durée, et les spectres de fréquence et d amplitude s estompent. Par contre, l utilisation de la méthode de rééchantillonnage permet d obtenir des mesures avec une fréquence (ordre) et une amplitude bien définies. Le rééchantillonnage signifie que la vibration et le signal de la vitesse de rotation sont mesurés simultanément, et que le taux d acquisition est calé sur la vitesse effective, c est-à-dire rééchantillonnée. La figure illustre l ajustement synchrone de l angle du couple durant la phase d accélération d une éolienne. Comme le montre la figure 3, les valeurs d amplitude sont également affectées. Alors que le spectre d ordre rééchantillonné atteint une amplitude de 4 mm/s, le spectrequi correspond à une fréquence synchrone montre une amplitude de seulement 0, mm/s. Notons qu il s agit bien là de mesures simultanées. Le rééchantillonnage est donc impératif pour l éolienne à vitesse hautement variable et dans le cas de mesures sur une longue durée. 7 5 4 3 Signal 4 3 5 Signal 7 4 5 7 7 4 5 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 5 4 3 3 7 4 3 5 7 7 7 7 7 7 7 7 7 3 4 7 5 5 Fig. : Analyse de fréquence: en haut synchrone par rapport au temps, en bas synchrone par rapport à l angle du couple. PRÜFTECHNIK a développé cette technique, qui est le standard actuel. Fig. 3: Spectres d amplitude synchrones: en bas analyse de fréquence, en haut l analyse d ordre (synchrone par rapport à l angle du couple). 3 7 Time Time Amplitude Amplitude Frequency Order
Surveillance de systèmes faibles vitesses (3ème partie) L art de mesurer à basse fréquence 0 db 0-0 db -0 db 0. Hz Hz 0 Hz 00 Hz Fig. 4 en haut: L accéléromètre VIB.95 pour les mesures à basse fréquence. Fig. 5 en bas: Courbe caractéristique de l accéléromètre VIB.95. Par le passé, on pensait que les accéléromètres piézoélectriques étaient inadaptés aux fréquences de moins de Hz. On considérait que cette technologie était d une sensibilité insuffisante pour l analyse de la vitesse vibratoire. Les accéléromètres que PRÜFTECHNIK a spécialement conçus pour le secteur éolien, sont aujourd hui aptes à effectuer des mesures linéaires de fréquence à partir de 0, Hz (figures 4 et 5). Des études systématiques réalisées sur l utilisation de capteurs et de test de calibrage ont montré ceci: selon le type de capteur utilisé, à une fréquence de 0,5 Hz, les signaux étaient soit non captés, soit réduits de à db. Avec une réduction de db, une amplitude de 50 mm/s apparaît comme étant de 0,5 mm/s. Ce qui affecte considérablement les informations nécessaires au diagnostic concernant, par exemple, l équilibre des pales du rotor. Pour éviter que les instruments électroniques de mesure ne saturent, le système de maintenance conditionnelle utilise une résolution minimale d amplitude de bits et un temps de mesure suffisamment long. Cela signifie qu à bits, avec une amplitude maximale de 000 mm/s, il est toujours possible d enregistrer une amplitude de 0, mm/s. Ce sont exactement ces caractéristiques qu exploitent les systèmes certifiés de CMS en ligne et l analyseur de signaux portable VIBXPERT. Ils mesurent les vibrations des pales du rotor à basse fréquence et enregistrent avec précision leur amplitude, ce qui permet de surveiller l état du rotor en toute circonstance. Un avantage particulier de tous ces accéléromètres à basse fréquence est que tous les points de mesure sur la chaîne cinématique sont équipés du même type de capteur, ce qui évite toute erreur ou confusion. Résultat pour 3000 accéléromètres installés: la Moyenne de Temps de Bon Fonctionnement entre deux réparations (MTBF) est portée à 0 ans. Surveillance de systèmes faibles vitesses (4ème partie) Des capteurs de déplacement sans contact 0 Les plus grandes éoliennes actuellement installées ont un rotor de 5 mètres de diamètre. Leur vitesse se situe parfois en-dessous de tours par minute, ce qui entraîne des fréquences de rotation inférieures à 0, Hz. A ce niveau-là, les accéléromètres piézoélectriques atteignent leur limite technique et le rotor et ses pales bougent plus qu ils ne vibrent. L utilisation d un capteur de déplacement sans contact devient alors indispensable à la maintenance conditionnelle. PRÜFTECHNIK a compris très tôt la nécessité d une telle technique de mesure et l a intégrée, depuis plusieurs années, dans son système CMS certifié par la Germanischer Lloyd: en plus des deux entrées de mesure spéciale, nous avons mis en oeuvre des procédés d évaluation des vibrations et des décalages de l arbre et des orbites. Par ailleurs, dans le cadre du projet de recherche CONMOW* subventionné par l UE, PRÜFTECHNIK a testé, avec succès, des capteurs à induction d un rayon d action d environ 0 mm, utilisables avec l analyseur portable VIBXPERT. Fig. : Capteur de déplacement monté en radial sur le palier principal La figure nous montre un capteur de déplacement monté de façon à mesurer l excentricité de l arbre, la direction et l ampleur du décalage et les vibrations/ mouvements d arbre. Si deux capteurs sont installés avec un angle de 90, on peut repérer les mouvements à l intérieur du palier et les vibrations induites. *CONMOW Condition Monitoring for off-shore wind turbines s y à l arrêt s x =0 s y =0 s x s y en marche s x <0 s y >0 s x Fig. 7: Mesure du décalage de l arbre à l aide de deux capteurs de déplacement.
Surveillance de systèmes faibles vitesses (5ème partie) Engrenages planétaires à basse vitesse A une vitesse de rotation basse correspond une fréquence de rotation basse, d oscillation, de passage, d engrènement et de dysfonctionnement à l intérieur de l engrenage planétaire*. Des mesures de longue durée sont nécessaires, en particulier pour l engrenage planétaire à basse vitesse. Quand l engrenage d une dent détériorée s encastre dans l engrenage intérieur, alors que le capteur est très proche du phénomène, l amplitude atteindra alors son niveau maximum (fig. 5). Pour cette raison, PRÜFTECHNIK utilise les signaux-temps afin d identifier de tels incidents sur l engrenage planétaire. Lorsque les engrenages planétaires sont endommagés, on vérifie les décalages axiaux à l intérieur des engrenages hélicoïdaux du multiplicateur à l aide de capteurs de déplacement sans contact. Un problème se pose lorsque ce type de capteur doit être installé après-coup, car il n y a pas de trous adaptés au Surveillance de systèmes faibles vitesses (ème partie) Les compteurs de particules en ligne La maintenance conditionnelle fondée sur les vibrations atteint ses limites lorsqu il s agit d un diagnostic d un palier à rouleaux et d un engrenage planétaire à basse vitesse. D un côté, les détériorations doivent être suffisamment importantes pour provoquer des perturbations vibratoires. De l autre côté, les vibrations liées aux conditions opératoires normales ne doivent pas masquer les signes des détériorations; ces signes peuvent, en effet, être très faibles. En pourcentage en fer taille de la particule taux normal répartition de la taille montage. Mais il existe des solutions. La figure 9 montre un capteur de déplacement monté sur le multiplicateur, dans Fig. : Engrenage planétaire avec une dent endommagée sur une roue planétaire. général, sur les engrenages avec un circuit de lubrification, l usure apparaît avant que ne se manifestent des vibrations révélatrices d une détérioration. C est pour cette raison qu on pratique, dans le secteur éolien, l analyse de prélèvements d huile afin de détecter leur teneur en corps étrangers. Des analyses détaillées de l huile permettent de déterminer la répartition des particules, ce qui traduit le degré de pureté de l huile et donc indirectement Fig. 0: Changement de la répartition des particules avec le temps et en fonction de la détérioration. taux en cas d usure suite à un défaut l espace axial laissé par le disque de serrage. Avec une telle installation, ce nouveau principe de mesure permet non seulement de repérer le décalage axial à l intérieur de l engrenage planétaire, mais aussi de déterminer les poussées axiales générées par le rotor. Fig. 9: Capteur de déplacement à montage axial sur le multiplicateur. * Pour la formule de calcul de la fréquence d excitation de l engrenage planétaire se référer à la page 7 du numéro 5 de telediagnose.com l état du multiplicateur et du palier à rouleaux. PRÜFTECHNIK vous propose ce service sous forme d intervention sur site. Le fait de mesurer les particules en ligne réduit les incertitudes liées au prélèvement et augmente la fiabilité des résultats. Actuellement PRÜFTECHNIK développe un compteur de particules en ligne à courants de Foucault, une technologie que nous connaissons bien, puisque nous l utilisons avec succès depuis des années, pour les tests qualitatifs de tuyauteries. Depuis mai 007, les compteurs de particules figurent dans les directives Germanischer Lloyd concernant les CMS installés sur les éoliennes. Fig. : Les particules de taille importante sont visibles sur l aimant du filtre.
News VIBXPERT offre maintenant la fonction rééchantillonnage Dans les analyses vibratoires, VIBX- PERT peut dorénavant être utilisé pour des analyses d ordre. Grâce au mode rééchantillonnage, il est maintenant possible de mesurer des installations à vitesse hautement variable. Durées de mesures réduites sur les éoliennes Comment mesurer le maximum de points sur une éolienne en un minimum de temps? C est facile! Les capteurs sont branchés sur un commutateur à canaux qui est connecté au collecteur de données par des câbles de mesures. A partir d un endroit sûr, les canaux sont ensuite sélectionnés avec un commutateur rotatif et on peut commencer à enregistrer les mesures. Comment gérer sereinement 000 installations? La gestion quotidienne des données de 0 ou 00 éoliennes est encore chose aisée. Mais comment maîtriser la gestion de 000 ou 5000 éoliennes? PRÜFTECH- Le groupe NORDEX confie la maintenance à PRÜFTECHNIK Le centre de maintenance conditionnelle certifié de PRÜFTECHNIK a été chargé d assurer la surveillance des éoliennes NORDEX équipées de CMS. Le contrat prévoit l installation hebdomadaire de 5 systèmes. Après leur mise en route, la télémaintenance se fera dans le centre de maintenance d Ismaning. Le modem GPRS pour les CMS en ligne Le secteur éolien peut tirer grand profit d un tarif forfaitaire, qui permettra de réaliser des économies substantielles dans le transfert de grands volumes de données. PRÜFTECHNIK peut vous fournir des modems GPRS. Un transfert encore plus rapide est possible avec la technologie UMTS, là où elle est disponible. VIBNODE adopte le signal-temps Les signaux-temps fournissent des informations précieuses. Le système low-cost VIBNODE est maintenant en mesure d enregistrer des signaux-temps déclenchés et de les transmettre par GPRS. D autres prestations de service En plus des prestations décrites, nous proposons une multitude d autres services. www.telediagnose.com Contact PRÜFTECHNIK SARL Parc d activités Lavoisier Rue Laplace 59494 Petite-Forêt Tél. + 33 3 7 5 5 33 Fax + 33 3 7 5 55 9 email: info@pruftechnik.com PRÜFTECHNIK Condition Monitoring 5737 Ismaning, Germany Tel: +49 9 99-0 Fax: +49 9 99-300 email: info@pruftechnik.com www.pruftechnik.com NIK vient de développer des nouvelles technologies au niveau du matériel informatique et des logiciels, qui vous permettront de gérer, de façon sûre, l énorme masse quotidienne de vos données. Agenda Pour connaître le calendrier de tous les salons, séminaires et rencontres du groupe PRÜFTECHNIK, rendez-vous sur notre www.pruftechnik.com Pour en savoir plus sur le Condition Monitoring et l alignement: www.telediagnose.com