L’analyse vibratoire constitue une part très importante des moyens de mesures pour la surveillance et la détection des défauts mécaniques des machines tournantes. Le positionnement des accéléromètres est stratégique et contribue fortement à la réussite du diagnostic ; la proximité du capteur de l’élément défaillant est une condition très utile, mais pas toujours réalisable. La corrélation entre le bruit émis par une machine et son état est assez étroite et montre l’apport des mesures acoustiques pour l’optimisation du diagnostic. L’imagerie acoustique, très appliquée pour détecter des sources dans le domaine du transport, avec ses multiples méthodes (holographie, beamforming, etc…) peut être un moyen pour remonter aux défauts mécaniques. Dans cet objectif, plusieurs stratégies basées sur l’algorithme de beamforming sont développées. Premièrement, des indicateurs communément utilisés pour le diagnostic des machines sont visualisés en fonction de l’espace. Le kurtosis permet de localiser les sources impulsives qui peuvent être reliées à un défaut. De nouveaux indicateurs basés sur le spectre d’enveloppe des signaux focalisés sont également mis en place pour détecter les défauts de roulement de bague interne et externe. D’autre part, la moyenne synchrone angulaire est utilisée pour extraire le champ acoustique synchrone avec la rotation d'un composant de la machine. Les sources reliées à un défaut sont affectées au champ résiduel et peuvent être identifiées dans les cartographies. Enfin, une nouvelle méthode d'imagerie acoustique qui exploite les fonctions de transfert vibroacoustiques entre des accéléromètres positionnés sur la machine et une antenne acoustique est développée. Elle permet d'obtenir des cartographies de la pression rayonnée sur une surface de la machine uniquement à partir d'accéléromètres. Son applicabilité à la détection de défaut est également démontrée sur un banc à engrenages. / Vibration analysis is mainly used in condition monitoring and fault detection of rotating machine domain. The success of the diagnosis is strongly related to the position of the accelerometers. However, the machine geometry sometimes prevents the sensors to be placed close enough to the faulted part causing the diagnostic failure. The sound emitted by a mechanism and its condition are related. Using microphones to optimize condition monitoring is then justified. Acoustic imaging techniques (acoustic holography, beamforming, etc…) are mainly used as a source localization and quantification tool but they can be turned into a powerful diagnosis tool. Several strategies based on the beamforming algorithm are developed in this work. Firstly, diagnosis features commonly used in condition monitoring of rotating machinery are mapped as a function of space. Kurtosis allows localizing impulsive sources which eventually can be related to a mechanism failure. New features based on the squared envelope spectrum of the focused signals are also introduced. They aim toward the detection of inner and outer race fault in roller element bearings. On the other hand, angular synchronous average is used to extract the acoustic field synchronous with one component rotation. The sources related to a fault are localized in the residual field mappings. Finally, a new imaging technique based on the vibroacoustic transfer functions between a few accelerometers placed on the machine and the microphone array is developed. It allows obtaining the mappings of the radiated pressure on the machine surface only thanks to the accelerometers. It is tested as a fault detection tool on a test bench

Récemment, le diagnostic des machines tournantes devient un des sujets de recherche les plus importants. Plusieurs axes sont développés dans ce domaine : traitement de signal, reconnaissance des formes et autres. En plus, les systèmes industriels peuvent être surveillés à distance en temps réel grâce à la disponibilité de l’internet. Cette surveillance se trouve exigeante au niveau de l’acquisition et le stockage des données. En 2004, le Compressive Sensing est introduit dans le but d’acquérir les données a une basse fréquence afin d’économiser l’énergie dans les réseaux de capteurs sans fils. Des résultats similaires peuvent être achevés par l’Echantillonnage Aléatoire qui procure une acquisition à basse fréquence grâce à sa propriété d’anti-repliement. Comme cette technique d’échantillonnage est jusqu’à l’instant de la rédaction de cette thèse n’est pas encore disponible au marché, le travail sur ce sujet se trouve promettant afin de présenter une implémentation pratique validée. D’où, la contribution de cette thèse est de présenter les différentes propriétés de l’échantillonnage aléatoire à travers une étude théorique détaillée dans le domaine temporel et fréquentiel suivie d’une simulation et d’une application pratique sur des signaux synthétisés simples puis sur des signaux de vibration extraits des principaux composants des machines : roulements et engrenages. Les résultats obtenus au niveau de la simulation et la pratique sont satisfaisants grâce à la diminution de la fréquence d’échantillonnage et la quantité de données à sauvegarder ce qui peut être considéré comme une résolution de la problématique de la surveillance à temps réel / Nowadays, machine monitoring and supervision became one of the most important domains of research. Many axes of exploration are involved in this domain: signal processing, machine learning and several others. Besides, industrial systems can now be remotely monitored because of the internet availability. In fact, as many other systems, machines can now be connected to any network by a specified address due to the Internet of Things (IOT) concept. However, this combination is challenging in data acquisition and storage. In 2004, the compressive sensing was introduced to provide data with low rate in order to save energy consumption within wireless sensor networks. This aspect can also be achieved using random sampling (RS). This approach is found to be advantageous in acquiring data randomly with low frequency (much lower than Nyquist rate) while guaranteeing an aliasing-free spectrum. However, this method of sampling is still not available by hardware means in markets. Thus, a comprehensive review on its concept, its impact on sampled signal and its implementation in hardware is conducted. In this thesis, a study of RS and its different modes is presented with their conditions and limitations in time domain. A detailed examination of the RS’s spectral analysis is then explained. From there, the RS features are concluded. Also, recommendations regarding the choice of the adequate mode with the convenient parameters are proposed. In addition, some spectral analysis techniques are proposed for RS signals in order to provide an enhanced spectral representation. In order to validate the properties of such sampling, simulations and practical studies are shown. The research is then concluded with an application on vibration signals acquired from bearing and gear. The obtained results are satisfying, which proves that RS is quite promising and can be taken as a solution for reducing sampling frequencies and decreasing the amount of stored data. As a conclusion, the RS is an advantageous sampling process due to its anti-aliasing property. Further studies can be done in the scope of reducing its added noise that was proven to be cyclostationary of order 1 or 2 according to the chosen parameters

Ce travail de recherche s'inscrit dans le cadre de la surveillance des machines tournantes en régime non stationnaire et plus particulièrement la détection des défauts de roulement. Il se focalise sur la modélisation et l'analyse des variations de la vitesse de rotation instantanée. Les modèles numériques développés s'appuient sur une approche originale dite " angulaire " qui introduit explicitement les degrés de rotation libres de la machine et permet de s'affranchir de condition de fonctionnement en régime stationnaire. Un modèle de roulement à billes à gorge profonde a été développé couplant les efforts de contact normaux et tangentiels grâce à l'introduction du phénomène de résistance au roulement. Ce couplage permet d'expliquer l'origine des fluctuations de vitesse de rotation en présence de défaut de bague extérieure, phénomènes constatés expérimentalement : la présence d'un défaut sur une bague modifie périodiquement le couple de frottement. La modélisation de la liaison par engrenages est plus classique, la problématique a été de s'assurer qu'elle était compatible avec l'approche angulaire utilisée dans ces travaux. Le couplage des éléments de roulement et d'engrenage dans un modèle simple a montré que la présence de défauts de roulement provoque des variations des efforts radiaux ce qui modifie les efforts d'engrènement et en conséquence perturbe également la vitesse de rotation. Un modèle simplifié d'une éolienne a été réalisé et utilisé pour tester et valider des indicateurs spectraux de surveillance en conditions de fonctionnement non stationnaires. La comparaison avec des mesures expérimentales issues d'une éolienne a montré la robustesse du modèle. Il peut donc être exploité comme un outil d'analyse phénoménologique et de test d'indicateurs de surveillance. Il a par exemple permis de montrer l'importance des conditions de fonctionnement (charge et vitesse) sur le niveau des indicateurs utilisés en surveillance. Si besoin, les développements proposés peuvent être étendus sans difficulté à des modèles plus complexes de roulements, d'engrènements et de structures d'accueil de ces éléments technologiques. / This work has been developed within the framework of non-stationary rotating machinery surveillance with emphasis on the detection of roller bearing defects. It focuses on the modeling and analysis of instantaneous angular speed variations. The numerical models developed are based on an ``angular" approach which introduces explicitly the machine's free body rotation degrees of freedom allowing simulations in non stationary operating conditions. A deep groove ball bearing model has been developed coupling tangential and normal forces by taking into account the rolling resistance phenomenon. This coupling allows to explain the origin of angular speed fluctuations in the presence of outer race roller bearing defects, phenomena that has been observed experimentally: a roller bearing defect periodically modifies the friction torque. The description of the gear mesh has been performed by means of a classic approach where the scientific issue has been to verify the compatibility with the angular modeling, cornerstone of this dissertation. Integration of the roller bearing and the gear modeling approaches into a simple mechanical architecture has shown that the presence of bearing defects provoking variations in the rolling element-races normal forces, modifies the gear mesh forces leading to perturbations of the angular speed. A simplified wind turbine model has been used for the test and validation of non stationary surveillance spectral indicators. The robustness of the model has been shown by means of a comparison with measurements performed on a wind turbine. It has allowed to show the importance of the operating conditions (load and speed), on the level of indicators used. This means the model may be used as a tool for phenomenological analyses as well as a device to test surveillance indicators. If needed, the approaches presented may be easily extended into more complex models of bearings, gears, casings and foundations.

Ce travail de recherche est consacré à l'élaboration d'une méthode de compensation active des vibrations d'une machine tournante électrique. Son originalité tient au fait que les enroulements statoriques sont alimentés par<br />des courants de commande additionnels afin d'engendrer des forces radiales sur le stator. Celui-ci répond alors par des vibrations additionnelles qui interagissent avec les vibrations naturelles de la machine. Le but de ce<br />système de contrôle actif est donc de calculer la valeur ”optimale” de ces courants, permettant de minimiser la puissance des signaux vibratoires au niveau de capteurs accéléromètriques fixés à la périphérie du stator.<br />Dans un premier temps, la modélisation du transfert situé entre les commandes et les contre-vibrations engendrées conduit à un système linéaire et variant périodiquement dans le temps (LVPT). La fréquence fondamentale de ses variations est alors proportionnelle à la fréquence de rotation de la machine.<br />Après avoir montré l'insuffisance des méthodes classiques de contrôle actif pour cette application, une étude théorique détaillée des systèmes LVPT est réalisée. Elle conduit à la définition d'une matrice de transfert, jouant le même rôle que la fonction de transfert classique employée pour les systèmes linéaires et invariants dans le temps. Cette matrice permet d'écrire simplement la relation entre les entrées et les sorties du système<br />considéré dans le domaine fréquentiel.<br />Finalement, les résultats précédents sont utilisés afin de déterminer l'expression optimale des courants de commande minimisant la puissance des signaux de vibrations mesurés. Un algorithme récursif permet également de converger vers cet optimum, et de prendre en compte d'éventuelles variations des perturbations vibratoires à éliminer. Divers résultats, obtenus sur des signaux synthétiques puis sur des signaux vibratoires réels, illustrent les performances obtenues par ce système de contrôle actif. Il permet une réduction significative des vibrations<br />synchrones au phénomène de rotation, sans pour autant modifier les caractéristiques des autres. Enfin, son implantation en temps-réel dans un processeur numérique de traitement de signal est discutée et réalisée.

Cette thèse propose trois méthodes de traitement du signal orientées vers la surveillance d’état et le diagnostic. Les techniques proposées sont surtout adaptées pour la surveillance d’état, effectuée à la base de vibrations, des machines tournantes qui fonctionnent dans des conditions d’opération non-stationnaires comme par exemple les éoliennes mais elles ne sont pas limitées à un tel usage. Toutes les méthodes proposées sont des algorithmes automatiques et gérés par les données.La première technique proposée permet de sélectionner la partie la plus stationnaire d’un signal en cadrant la représentation temps-fréquence d’un signal.La deuxième méthode est un algorithme pour l’association des dispositions spectrales, des séries harmoniques et des séries à bandes latérales avec des fréquences caractéristiques provennant du cinématique d'un système analysé. Cette méthode propose une approche unique dédiée à l’élément roulant du roulement qui permet de surmonter les difficultés causées par le phénomène de glissement.La troisième technique est un algorithme de démodulation de bande latérale entière. Elle fonctionne à la base d’un filtre multiple et propose des indicateurs de santé pour faciliter une évaluation d'état du système sous l’analyse.Dans cette thèse, les méthodes proposées sont validées sur les signaux simulés et réels. Les résultats présentés montrent une bonne performance de toutes les méthodes. / This thesis proposes a three signal-processing methods oriented towards the condition monitoring and diagnosis. In particular the proposed techniques are suited for vibration-based condition monitoring of rotating machinery which works under highly non-stationary operational condition as wind turbines, but it is not limited to such a usage. All the proposed methods are automatic and data-driven algorithms.The first proposed technique enables a selection of the most stationary part of signal by cropping time-frequency representation of the signal.The second method is an algorithm for association of spectral patterns, harmonics and sidebands series, with characteristic frequencies arising from kinematic of a system under inspection. This method features in a unique approach dedicated for rolling-element bearing which enables to overcome difficulties caused by a slippage phenomenon.The third technique is an all-sideband demodulation algorithm. It features in a multi-rate filter and proposes health indicators to facilitate an evaluation of the condition of the investigated system.In this thesis the proposed methods are validated on both, simulated and real-world signals. The presented results show good performance of all the methods.

Les ensembles turbo-alternateurs des centrales électriques sont de grandes machines tournantes de plus de 50 mètres de long et de plusieurs centaines de tonnes. Lors du fonctionnement normal d'une telle machine, une probabilité non nulle existe d'un détachement accidentel d'une aube. Dans une telle situation, un balourd important est généré et du contact apparaît entre les parties tournantes et non tournantes de la machine. Il est alors capital de pouvoir simuler efficacement la dynamique de ce type d'évènement faisant intervenir de fortes non linéarités dans le système. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ANR (Agence Nationale de la Recherche) IRINA (SImulation et maîtRise des rIsques en coNception des mAchines tournantes) et en particulier entre le LaMCoS (LAboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures) de l'INSA de Lyon et le département AMA (Analyses Mécaniques et Acoustiques) d'EDF R et D à Clamart. Elle a pour objectif de mettre au point une technique rapide de simulation du comportement des lignes d'arbres de machines tournantes en cas de présence de non linéarité de type contact entre rotor et stator. Pour atteindre cet objectif, une double démarche a été mise en place. La première consiste à mettre au point des modèles simplifiés afin de réduire le nombre de degrés de liberté du problème. De surcroît, une technique de réduction de modèle adaptée au cas de non linéarité localisée est utilisée afin de réduire encore plus la taille du système à résoudre. La seconde démarche consiste à mettre au point une technique de résolution rapide du système réduit afin d'obtenir la solution encore plus rapidement. Pour cela, au lieu d'utiliser les traditionnelles techniques d'intégration temporelle directe, c'est la méthode de la balance harmonique qui est mise à profit. Cette technique permet d'obtenir directement la réponse stabilisée du système grâce à une résolution des équations dans le domaine fréquentiel. Dans ce cadre, une maquette numérique a été mise au point mettant en oeuvre les fonctionnalités citées. Cette dernière permet de reproduire les phénomènes physiques périodiques ainsi que quasi-périodiques et de déterminer leur stabilité. Des études paramétriques sur des exemples de problèmes de contact rotor-stator viennent illustrer cette démarche. Enfin, une application sur un cas industriel de groupe turbo alternateur EDF est présentée. / Power plants turbo-generator sets are large rotating machines of more than 50 meters long and weight several hundred tons. During normal operation of such a machine, there is a nonzero probability of an accidental disconnection of a blade. In such a situation, a significant imbalance is generated and contact may occur between the rotating and non-rotating parts. It is therefore essential to be able to effectively simulate the dynamics of this type of event involving strong nonlinearities in the system. This PhD was conducted within the framework of the ANR (Agence Nationale de la Recherche) IRINA (Simulation and risk control in rotating machinery design) and in particular between the LaMCoS (LAboratory of Contact Mechanics and Structures) of the INSA Lyon and the AMA department (Mechanical and Acoustic Analysis) at EDF R and D in Clamart. It aims to develop a fast technique for simulating the behavior of shafts of rotating machinery in case of presence of non-linearity of contact between rotor and stator. To achieve this goal, a dual approach was implemented. The first is to develop simplified models to reduce the number of degrees of freedom of the problem. In addition, a model reduction technique suitable for the case of localized nonlinearity is used to further reduce the size of the system to be solved. The second approach is to develop a technique for efficient resolution of the reduced system to obtain the solution more quickly. To do this, instead of using the traditional direct temporal integration techniques, the harmonic balance method is put to use. This technique allows to directly obtain the stabilized response of the system thanks to a resolution of the equations in the frequency domain. In this context, a numerical model has been developed to implement the features mentioned. The latter allows to reproduce the physical periodic and quasi-periodic phenomena and to determine their stability. Parametric studies of examples of problems of rotor-stator contact will illustrate this approach. Finally, an application on an industrial case of turbo generator EDF is presented.

Devant la forte demande mondiale en énergie électrique, les alternateurs à diodes tournantes constituent une solution largement répandue dans les installations de génération d’électricité de fortes puissances (hydraulique, fossile et éolien) ainsi que dans les applications îlotées sous forme de groupes électrogènes ou de petits alternateurs intégrés dans les systèmes embarqués. La renommée de ce type d’alternateur s’est construite sur leurs robustes constitutions mécanique et électrique et sur leur parfaite adaptabilité au type de charge alimentée. Néanmoins, l’utilisation de ces machines dans des conditions de fonctionnement très contraignantes, que cela soit à cause des fortes puissances demandées par les applications industrielles ou des contraintes environnementales dans lesquelles travaillent les alternateurs isolés, engendre une recrudescence de défauts, principalement de types électriques, à l’intérieur du système. L’apparition de ces défaillances est extrêmement délétère pour des applications à haut niveau de service et dont un arrêt intempestif peut engendrer des coûts de maintenance et d’immobilisation très élevés pour les opérateurs. Devant la nécessité de planifier de façon optimisée les opérations de maintenance à effectuer sur les alternateurs, il est possible de mettre en place des stratégies de diagnostic qui surveillent l’apparition des principales défaillances susceptibles de toucher ce type de machine. Bien que les modifications imprévisibles du point de fonctionnement liées à la charge compliquent la tâche, il est envisageable de mettre en lumière la présence de défauts de court-circuit dans les bobinages ainsi que des défaillances de diodes dans le pont redresseur triphasé en étudiant les modifications des formes d’ondes des signaux électriques générés. Ce travail est décrit dans la présente thèse. Face au manque d’antécédents sur le sujet, une grande partie des recherches s’est focalisée sur la conception et la mise en place d’un modèle numérique d’alternateur à diodes tournantes représentatif des formes d’ondes réelles en régimes sain et défaillant, tache non triviale étant donné le caractère saillant des pôles de l’alternateur. Pour répondre à ces attentes, un processus original de co-simulation a été mis en place présentant une identification des inductances de l’alternateur sous Flux2D et une estimation numérique des équations différentielles du système sous Matlab. Cette modélisation fiable a par la suite permis une sélection d’indicateurs de diagnostic par analyse fréquentielle des signaux électriques qui sont capables, sans ajout de capteurs supplémentaires, d’informer l’utilisateur sur la présence de défauts à l’intérieur du système. Afin de s’assurer une bonne compréhension des phénomènes, un grand soin a été apporté à la justification théorique des modifications spectrales introduites par les défauts dans les signaux électriques. Une importante campagne d’essais expérimentaux a permis la validation des modèles sain et défaillant grâce à la réalisation, par la société Nidec Leroy- Somer, d’un alternateur capable de simuler des défauts de court-circuit inter-spires stator. Ces essais ont mis au jour la possibilité de détecter les défauts dans de nombreuses configurations de court-circuit, mais également la difficulté de les prévoir de façon anticipée, ouvrant par là même de nombreuses perspectives de recherche. / Considering human.s huge needs in electrical energy, power alternators equipped with integrated rotating rectifiers represent a widely used solution. Indeed, this type of generator equips most of the industrial electrical power plants (hydro, fossil and wind) as well as isolated applications in the form of Diesel generators or onboard alternators. Due to their robustness and their electrical adaptability, power alternators have acquired a solid reputation and are therefore considered as an obvious solution when dealing with energy production activities. Nonetheless, the hard conditions to which they are constrained imply a dramatic deterioration of their mechanical and electrical components that can lead to serious damages, such as the loss of diodes or the emergence of short-circuits in the alternator.s coils. Such damages can make it impossible for the alternator either to fully deliver the expected power or to simply continue being operated, engendering in both cases a forced outage of the alternator and impacting dramatically the maintenance and exploitation costs. In order to avoid such issues, a setting up of diagnostic methods has been considered in this work. Even though the modifications of the electrical load is a big matter proper to electrical generation applications, a diagnostic method consisting in the monitoring of electrical signal spectra may be undertaken and can inform the user about the apparition of unintended faults. Due to the lack of knowledge on the electrical malfunctions of this kind of alternator, a great part of the thesis has been dedicated to the numerical modelling of the complete system, in healthy as well as in faulty operating conditions. Because of the salience of the rotor poles, an accurate representation of the alternator.s inductances constitutes a key point of a faithful simulation of the signals. waveforms. To offer a more convenient model, an original co-simulation process between Flux2D and Matlab has been developed. It is composed of an easy-to-use numerical model based on differential equations developed in Matlab and conserves the inductances accuracy thanks to an identification with the finite elements in Flux2D. This model could then be used to develop a diagnostic methodology based on the surveillance of several spectral components specific to different electrical signals. These components have proven themselves sensitive to the fault and offer by the way a clear view of the state of health of the system. Furthermore, a theoretical study has been undertaken to demonstrate the modifications of the fault indicators created by the occurrence of an electrical fault. In addition, a thorough test campaign has been realised in order to confirm the validity of both the numerical models and the diagnostic methodology. This campaign has become feasible thanks to the development of a special 27kVA alternator by Nidec Leroy-Somer, in which additional plugs have been inserted to give access to different turns of a stator coil, and thus to enable the realisation of stator inter-turn short-circuits. The campaign has brought valuable information about the opportunities to detect a short-circuit in a primitive phase and let the doors open to further researches in this domain.

Le comportement dynamique des turbomachines industrielles doit respecter des critères émis par les normes internationales et les utilisateurs. Les rotors flexibles sont sensibles à la distribution de balourd, et sont soumis aux excitations aérodynamiques de leur environnement. Usuellement, les contrôleurs utilisés peinent à délivrer le niveau d’exigence demandé, par conséquent les propriétés mécaniques des paliers magnétiques sont fortement dépendantes de celles des rotors. L’objectif de ce mémoire est d’analyser le comportement dynamique des compresseurs centrifuges afin de proposer une stratégie de contrôle innovante. D’abord, chaque palier est considéré comme une entité a part entière en couplant ses deux axes d’action. Le comportement dynamique du rotor est exprimé dans le repère polaire. Par ailleurs, la logique floue, qui utilise un modèle de pensée proche du raisonnement humain, applique des actions correctives en fonction du comportement dynamique global du rotor. Ainsi, l’utilisation couplée de ces deux approches créé une synergie permettant d’agir sur le système de manière ciblée. Le contrôleur dissipe l’énergie cinétique du rotor lors du franchissement de vitesses critiques afin d’atténuer la réponse au balourd, ou augmente la raideur du palier lors de vibrations transitoires ou asynchrones afin de réduire la trajectoire du rotor. Le faible amortissement structurel du rotor le rend sensible au phénomène de « spillover » (l’énergie de contrôle affecte les modes de fréquence élevée). Or, la logique floue ne peut pas gérer ce phénomène. Ainsi, un contrôleur PID sous-jacent est utilisé pour maîtriser la stabilité des modes hautes fréquences. Au final, le contrôleur flou polaire permet d’obtenir des marges de performances entre les capacités de cet asservissement et le cahier des charges. Ces marges sont utilisées pour trois objectifs : le respect des spécifications, l’amélioration du comportement subsynchrone, et enfin la simplification et la standardisation du contrôleur sous-jacent nommé ici SPID. Ce contrôleur est tel que ses caractéristiques, dans la plage de fréquence utile, sont indépendantes du rotor pour une application donnée. Enfin, la stratégie développée est évaluée avec des simulations numériques et des essais expérimentaux. D’abord, le modèle numérique est validé, puis le contrôleur est appliqué à un banc d’essais académique. Le comportement est stable et robuste. Il présente des performances supérieures au PID augmenté fourni avec le banc, que ce soit pour la réponse au balourd, ou pour la réponse à des excitations subsynchrones. Finalement, la démarche est appliquée à un compresseur industriel. Les simulations montrent que le comportement est proche de celui exigé pour des machines sur paliers classiques. L’optimisation de l’approche et l’automatisation de la conception pourraient conduire à la standardisation des paliers magnétiques actifs. / The dynamic behaviour of large turbomachinery should satisfy stringent requirements dictated by international standards and final users. Their flexible rotor is sensitive to the unbalance distribution and subjected to particular excitations coming from the industrial process. Usually, the performance margins between the requirements and the classical controller capabilities are small. Consequently, the magnetic bearing characteristics depend on the rotor geometry. Designing such controllers is difficult and time consuming. The objective of this thesis is to investigate the dynamic behaviour of supercritical centrifugal compressors in order to propose a new control strategy. First, each bearing is considered as one entity by coupling its two axes of action. The introduction of polar quantities permits a better observation of the rotor dynamic behaviour. In addition, by using logic close to human being reasoning, the fuzzy logic modulates the action forces as a function of the global dynamic behaviour. The coupling of the two approaches is an efficient way to apply targeted corrective actions. This controller attenuates the unbalance vibration when crossing critical speeds by applying damping forces, or increases the stiffness during transient or asynchronous excitations in order to limit the maximum displacement reached. As their structural damping is low, flexible rotors are very sensitive to spillover effect, which cannot be managed by fuzzy controllers. Consequently, an underlying PID is necessary. This hand-synthesized controller has high frequency characteristics tuned in order to ensure stability and robustness for each rotor. Compared to a classical approach, the polar fuzzy controller enables to increase the performance margins. These margins are used to fulfil three objectives: the achievement of standards requirements, the improvement of the subsynchronous behaviour, and the simplification and the standardization of the PID controller that we called SPID. This SPID is designed for a given application, such that the bearing characteristics on the operating frequency range are always the same. The control strategy is assessed numerically and experimentally. First, the numerical model is validated with experimental tests. Then, the controller developed is applied to an academic test rig. The controller is stable and robust. It exhibits performance superior to the augmented PID supplied with the test rig for both unbalance response and response to subsynchronous excitations. Finally, the control of an industrial compressor is assessed numerically. The results obtained are close to the standards requirements used for classical bearings. The optimization of the approach and the utilization of an automatic tuning algorithm for high frequency characteristics could lead to the standardization of Active Magnetic Bearings.

Les machines tournantes sont le siège de phénomènes vibratoires particuliers liés à des sources d’excitation variées dues à l’effet de rotation, au couplage vibrations/mouvements de rotation/écoulements tournants, à la symétrie périodique ou quasi-périodique des structures, et à l’amortissement interne et externe. Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire portent sur le développement d’une méthodologie de couplage de modèles 1D poutre et 3D pour l’analyse dynamique avancée des machines tournantes. La méthode Arlequin est une méthode de raccord de modèles autorisant par l’intermédiaire d’une technique de superposition, de coupler des modèles numériques de nature différente. L’extension de cette méthode au cadre de la dynamique des machines tournantes offre la possibilité de mieux traiter les aspects énergétiques et propagation d’ondes à travers la zone de recouvrement. À cette fin, plusieurs points sont abordés. Le premier point concerne l’écriture du formalisme Arlequin en régime dynamique transitoire dans le cadre du raccord 1D-3D. À partir des formulations continue et discrétisée, les questions de couplage multi-schémas/multi-échelles en temps sont traitées en se basant sur la conservation de l’énergie globale des sous-domaines couplés. Dans le second point, une méthode de raccord multi-schémas/mono-échelle en temps fondée sur une pondération de type partition de l’unité des paramètres du schéma de Newmark dans la zone de collage est proposée. Elle permet de garantir l’équilibre énergétique du système global et assure la continuité des quantités cinématiques à l’interface. Puis cette approche est généralisée au cadre des raccords multi-schémas/multi-échelles. Ce nouveau formalisme autorise l’intégration numérique avec des schémas et des échelles de temps différents dans un contexte de raccord avec recouvrement tout en préservant l’équilibre énergétique global. Le dernier point traite deux volets principaux. Dans le premier volet, une formulation mixte ciblant les applications machines tournantes pour lesquelles un repère fixe et un autre tournant coexistent, est mise en place. Dans le second volet, le formalisme multi-schémas/multi-échelles en temps est étendu à la formulation mixte dans le but d’obtenir une approche générale permettant l’analyse de modélisations avancées de machines tournantes. La pertinence de ces travaux est illustrée par une application semi-industrielle représentant une application de type machines tournantes. / Rotating machinery are subjected to specific vibratory phenomena related to various sources of excitation arising from rotation, vibration / rotation movements coupling, symmetry of the periodic or quasi-periodic structures, and internal and external damping. This work focuses on developing a methodology for coupling beam and 3D models for advanced dynamic analysis of rotating machinery. The Arlequin method is a multi-scale computation strategy allowing the coupling of numerical models of different nature through a technique of superposition. The extension of this method to the dynamics of rotating machinery framework offers the possibility of a better treatment of the energy aspects and wave propagation through the overlapping zone. To this end, several points are discussed. The first one concerns writing the Arlequin formalism in a transient dynamic regime for a 1D-3D coupling. Using the continuous and discrete formulations, questions regarding coupling different integration schemes and heterogeneous time scales are studied based on the total energy conservation of the coupled sub-domains. In the second point, a multi-scheme integration method based on a weighting partition of unity function of the Newmark’s scheme parameters in the gluing zone is proposed. It ensures the energy balance of the overall system and the continuity of kinematic quantities at the interface. This approach is then generalized to a multi-scheme / multi-scale framework. Based on displacement continuity in the recovering area, this new formalism allows the numerical integration with different time scales and heterogeneous time schemes while preserving the overall energy balance. The last point deals with two main components. In the first phase, a mixed formulation aiming at rotating machinery applications where a rotating and a fixed frame coexist is developed. In the second phase, the multi-scheme / multi-scale framework is extended and applied to the mixed formulation in order to obtain a general approach for analyzing advanced modeling of rotating machinery. The relevance of this work is illustrated by a representative application of rotating machines.