Ce travail a pour objectif de développer un outil numérique de modélisation du comportement des aimants permanents tout en tenant compte de la démagnétisation induite par divers facteurs comme la géométrie, le champ induit et la température. Le modèle de démagnétisation est basé sur une expression analytique (l’équation de Marrocco). Il nécessite l’identification de quatre paramètres et l’implémentation des lois polynomiales de variation pour certains d’entre eux afin de prendre en compte la démagnétisation. Ce modèle a été implémenté dans le code de calcul par éléments finis code_Carmel. Pour prendre en compte l’influence de la température, un chaînage a été effectué avec un code thermique, SYRTHES. Afin de valider cet outil numérique, une maquette expérimentale a été développée. Dans un premier temps, le modèle de calcul des pertes par courants induits dans les aimants permanents a été validé en utilisant une approche basée sur une procédure de séparation des pertes qui combine les résultats expérimentaux à ceux calculés. Ensuite, différentes grandeurs globales et locales issues du modèle de démagnétisation des aimants permanents ont été comparées aux mesures expérimentales avec une bonne concordance montrant ainsi l’aptitude du modèle proposé à représenter le comportement d’un aimant permanent soumis à une élévation de la température et à un champ démagnétisant. / This work aims at developing a numerical tool able to simulate the behavior of permanent magnets while taking into account the demagnetization induced by various factors such as geometry, induced field and temperature. The demagnetization model is based on an analytical expression (the Marrocco equation). It requires the identification of four parameters and the implementation of polynomial variation laws for some of them in order to be able to take into account the demagnetization. This model has been implemented in the finite element calculation code code_Carmel. In order to also take into account the influence of temperature the model was coupled to a thermal calculation code, SYRTHES. To validate this tool, an experimental device has been developed. Initially the permanent magnet eddy current losses model has been validated using a loss balance procedure that combines both experimental and numerical approaches. This validation allows then to provide a good estimation of the temperature rise that appears inside the magnets. Finally the permanent magnet demagnetization model has been validated by comparing different global and local calculated values with measured ones. These results showed a good agreement and demonstrated a good ability of the proposed method to take into account the behavior of demagnetization of permanent magnets under the influence of induced magnetic field and temperature.

Les exigences des normes de raccordement des sources de production décentralisées au réseau électrique français imposent au système de conversion une qualité des grandeurs électriques en sortie des convertisseurs. Leur rendement est également une exigence de premier plan étant donné les puissances mises en jeu. L’enjeu est ici d’évaluer et améliorer le compromis qualité/rendement de ces systèmes de conversion par leur stratégie de commande MLI. Pour répondre à ces exigences, des stratégies à hystérésis triphasé (contrôle direct), appliquées sur une structure d’onduleur de tension triphasé deux niveaux, ont été développées garantissant un comportement comparable des trois courants de ligne. Des contrôles sur les courants de ligne, ainsi que sur les courants polygonaux fictifs ont été mis en œuvre. Ces deux types de contrôle sont basés sur les mêmes règles et critères simples de modulation, afin de pouvoir être implantés simplement sur des systèmes temps réel et pouvoir être ensuite étendus à des structures de convertisseur entièrement commandés plus complexes. La plupart de ces contrôles ont fait apparaître des familles d’harmoniques dans le spectre de tension produit, traduisant une régularité naturelle dans les commutations produites de ces contrôles directs. Dans ce travail, la largeur des bandes d’hystérésis a été considérée fixe, mais ce paramètre de réglage pourrait être exploité dans le but de jouer également sur le rendement. Les performances électriques et énergétiques de ces nouveaux contrôles directs ont été évaluées et certains se sont révélés meilleurs sur ces deux critères que les contrôles directs bibliographiques. / The standards connections requirements of the decentralized generating sources to the French electricity network impose on conversion system to take into account the quality of the electric magnitudes in the converter output. Their efficiency is also a requirement leading given the powers brought into play. The challenge is to assess and improve the quality / efficiency compromise of these conversion systems by their PWM control strategy. To answer to these requirements, three phase hysteresis strategies (direct control), applied on a two- levels inverter structure have been developed to ensure a similar behavior of the three line currents. Controls on the line currents together with the fictitious polygonal currents were implemented. These two types of control are based on the same rules and simple modulation criteria to be implanted simply on real-time systems and can then be extended to converter structures fully controlled more complex. Most of these controls showed harmonic families in the produced voltage spectrum, reflecting a natural regularity in the produced switching of these direct controls. In this work, the width of the hysteresis band was considered fixed, but this parameter setting could be exploited in order to play also on the performance. Electrical and energy performances of these new direct control was evaluated and some proved better on these two criteria than the bibliographic direct controls.

Le développement de nouveaux outils de diagnostic est primordial pour assurer la maintenance des grands alternateurs. La tension présente entre les deux extrémités de l’arbre est considérée comme une quantité indésirable car elle peut induire des dégradations dans les paliers et, est ainsi mesurée de manière préventive. Néanmoins, son analyse fine pourrait s’avérer utile pour la détection de défauts. Comme la tension d’arbre est présente même en fonctionnement sain de l’alternateur, il est nécessaire de découpler toutes les causes qui peuvent l’engendrer. L’objectif de ce travail consiste donc à mener une investigation sur les multiples sources à l’origine de cette tension d’arbre afin de pouvoir quantifier leurs impacts respectifs, mais également de déterminer la signature d’un défaut de court-circuit entre spires ou d’excentricité rotorique. Une première étude a porté sur l’analyse de machines simplifiées dans le but d’isoler l’impact d’un défaut donné. Deux approches ont été développées, la première à partir d’un modèle analytique et la seconde à l’aide de la modélisation par éléments finis. Les conclusions émises par ces deux approches ont été analysées et comparées montrant des concordances qualitatives intéressantes. Ensuite, deux turboalternateurs de grande puissance (900 MW et 1300 MW) ont été modélisés par une approche numérique en 2D. Une démarche d’investigation systématique a été menée pour caractériser l’influence de plusieurs causes afin de cerner et quantifier leurs impacts sur la tension d’arbre. Enfin, une modélisation tridimensionnelle d’un des 2 alternateurs a permis de montrer l’effet des têtes de bobines et ce, en régime sain comme en défaut. / The development of new diagnostic tools is compulsory for the maintenance of large generators. The voltage which appears between the two ends of the shaft of the machine is an undesirable quantity because it can induce degradations in the bearings and thus, it is measured in a preventive manner. However, its analysis could be useful for the detection of some given defects. Since this voltage is non-nil even in healthy operation, it is necessary to be able to dissociate all the causes which can generate it. The objective of this work is to conduct an investigation on the multiple sources which can induce this shaft voltage in order to quantify their respective impacts, but also to highlight more specifically the signature of an interturn short circuit or rotor eccentricity. A first study was focused on the analysis of simplified machines in order to isolate the impact of the inherent effect of a given defect without interaction with other parameters. Two approaches were then developed, the first from an analytical approach and the second one using a finite element modeling. Conclusions of these approaches have been analyzed and compared thus showing interesting qualitative concordances. Then, two high power turbogenerators (900 MW and 1300 MW) were modeled using a numerical approach in 2D. An enquiry process was conducted to characterize the influence of several causes in order to identify and quantify their impacts on the shaft voltage. Finally, a three-dimensional modeling of one of these alternators showed a significant effect of the rotor and stator end windings on this shaft voltage either in healthy and faulty operating.

Nous avons développé une méthode d'identification de courts-circuits et d'excentricités statiques d'un turboalternateur en fonctionnement. Cette méthode doit être non seulement capable d'identifier le type de défaut, mais également sa gravité et sa localisation. Pour cela, la force électromotrice issue d'une sonde de flux radiale est considérée pour identifier les défauts de la machine. Les méthodes d'apprentissage ayant fait leur preuve sur ce type de problématique, un ensemble d'échantillons des défauts, i.e. matrice des prototypes, est construit grâce à des simulations par la méthode des éléments finis de la machine dans un grand nombre d'états de fonctionnement. Le but est alors d'identifier la classe (le défaut) de mesures expérimentales en considérant les sorties de simulations. Pour faire cela, une maquette de turboalternateur est modélisée et les sorties de simulation sont comparées aux mesures expérimentales. L'application de méthodes de classification supervisée choisies selon la forme des données montre qu'on peut atteindre des taux de bonne classification de 79 % pour les courts-circuits et 93 % pour les excentricités après un traitement spécifique des attributs et un recalage des sorties de simulation. Une règle d'identification du type de défaut est également mise en place au travers d'une classification hiérarchique. Celle-ci donne d'excellents résultats pour lesquels toutes les mesures expérimentales sont assignées au bon type de défaut. Enfin, un automate à états finis permet d'améliorer les résultats précédents en tenant compte de l'évolution temporelle de l'état de fonctionnement de la machine. Ainsi, un taux de bonne classification de 91.5 % pour l'identification de courts-circuits est obtenu. / An identification method of rotor inter-turn short-circuits and static eccentricities of an operating turboalternator is developed. This approach provides the type of the machine functional state such as its seriousness and location. The electromotive force obtained from a radial flux sensor is considered in order to identify the machine faults. Some previous works have shown that learning methods are efficient to characterize precisely the fault of a machine. Thus, a fault signatures data set, i.e. prototypes matrix, is built thanks to simulations using finite element method applied to the machine considering a great number of functional states. Therefore, the goal of this work is to identify the class (fault) of experimental measurements using the simulated output. To do that, a small scale alternator is modelled and simulation outputs are compared to the experimental measurements. The application of supervised classification method chosen beyond the shape of data shows that a good classification rate of 79 % for short-circuits and 93 % for eccentricities can be achieved thanks to specific features and simulation output treatments. An identification rule of the fault type is designed by considering a hierarchical classification approach. It achieves excellent results since all experimental measurements are assigned to the right type of fault. Finally, the use of a finite state automaton achieves better results for short-circuits identification by taking into account the temporal evolution of the machine functional state.

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L’électronique de puissance nécessite des interconnexions à faible inductance et des températures de fonctionnement en dessous de certaines valeurs critiques. Les busbars laminés présentent une inductance très faible en comparaison avec les câbles. De plus, leur forme aplatie permet d’augmenter la surface d’échange avec l’environnent garantissant des bonnes performances thermiques. Dans cette thèse nous proposons une comparaison entre différentes méthodes de calcul d’inductance. Le but est d’en privilégier une en fonction de la complexité du problème à résoudre. La valeur d’inductance à calculer correspond à la boucle de commutation ayant lieu dans les convertisseurs de puissance. Des règles de conception permettant de minimiser la valeur de cette boucle sont aussi présentées. Concernant le calcul thermique, on propose une approche basée sur les éléments finis 2D. La superposition de plusieurs plaques bidimensionnelles permet de modéliser des busbars laminés de façon précise et plus rapide qu’une étude tridimensionnelle. Les conditions aux limites sont appliquées en fonction de la superposition des plaques. Grâce à la rapidité de cette approche, des optimisations topologiques peuvent être appliquées. Des algorithmes d’optimisation adaptés aux besoins industriels ont été développés pour la minimisation de l’inductance et de la température maximale des busbars. Ces algorithmes présentent de bonnes performances et sont utilisés lors des optimisations mono et multi-objectif. / Power electronics needs low inductance interconnections and operating temperatures below certain limits. Laminated busbars present low inductance compared with cables. Moreover, their flat geometry increases the heat exchange surface with the environment ensuring good thermal performances. In this PhD thesis we propose a comparison between different inductance calculation methods. The objective is to favor one according to the complexity of the problem to be solved. The inductance value is calculated during the switching loop taking place in the power converters. Several design rules are presented in order to minimize the inductance of the loop. Regarding the thermal management, we present an approach based on the 2D finite element method. The overlapping of the two-dimensional plates allows us to model the whole laminated busbar and faster way than a tridimensional study without losing precision. The boundary conditions are applied according to the overlapping between layers. Thanks to this approach, topology optimization techniques can be applied. Algorithms adapted to the industrial needs have been developed for the minimization of the inductance and the maximum temperature in busbars. These algorithms show good performances and are used in mono and multi-objective optimizations.

Les systèmes industriels de transport de poudre sont, en général, des systèmes mécaniques bruyants, énergivores, mais surtout coûteux en maintenance. L’objectif de cette thèse consiste à investiguer des solutions alternatives exploitant des vibrations ultrasonores, moins contraignantes pour la structure et ses jonctions. Dans une première partie, une méthode de transport, baptisée « frottement contrôlé », exploite un actionnement piézo-électrique afin de moduler le coefficient de frottement équivalent entre la poudre et son guide de transport en mouvement. La mise en œuvre expérimentale de cette méthode démontre son potentiel et vient également corroborer une proposition de modèle analytique simplifié pour ce mode de transport. Dans une seconde partie, des solutions exploitant uniquement des vibrations ultrasonores sont étudiées. Ces solutions se basent sur la génération et le contrôle d’une onde progressive acoustique dans un élément de type poutre ou tube. Des modèles analytiques et éléments finis de ces différentes solutions de transport sont exploitées afin de mieux appréhender les phénomènes physiques influençant le transport, mais aussi afin d’optimiser le dimensionnement de la structure en minimisant le taux d’onde stationnaire. En se basant sur les considérations et préconisations précédentes, des bancs de tests spécifiques à chacune des solutions envisagées sont développés. Les différentes campagnes d’essais réalisées permettent finalement de mener une analyse comparative de la qualité des solutions de transport de poudre par onde ultrasonique. / Industrial powder transportation systems use conveyor belts or vibratory conveyors which are often noisy mechanical systems, requiring a massive energy consumption and costly maintenance due to their moving parts. The objective of this thesis is to investigate alternative solutions using ultrasonic vibrations, less restrictive for the structure and its junctions. In the first part, a method of transportation, called "friction control," operates a piezoelectric actuator to modulate the equivalent friction coefficient between the powder and the guide in movement. The experimental implementation of this method shows its potential. We propose also a simplified analytical model for this mode of transport. In the second part, only solutions using ultrasonic vibrations are studied. These solutions are based on the generation and control of an acoustic wave into a beam-like member or tube. Analytical and finite element models of the different transport solutions are used to better understand the physical phenomena affecting transport, but also to optimize the design of the structure by minimizing the standing wave ratio. Based on the above considerations, multiple specific tests bench for each of the proposed solutions are developed. Finally, the various tests carried out, allow to conduct a comparative analysis of the quality of the powder transport solutions by ultrasonic wave.

Multilevel converters have attracted a great deal of interest in recent years since they offer a number of advantages in many high voltage and high power applications, such as adjustable speed electric motor drives and power systems through Flexible Alternating Current Transmission Systems (FACTS) controllers and active harmonic filters. They can reach high voltages with low harmonics without the use of transformers or series-connected synchronised switching devices by their unique structures. Along with proper Pulse-Width Modulation (PWM) control scheme, they can also provide lower cost, higher performance, lower Electro-Magnetic Interference (EMI), and higher efficiency than the traditional PWM converters. However, switching losses become a serious issue in high power applications. In order to improve the efficiency and reliability of the system, and reduce the size of the output filter, the stresses on the semiconductors and the development and manufacturing costs, reducing the switching frequency and associated losses of multilevel PWM converters and systems needs to be properly addressed. The thesis gives an overview on multilevel converter topologies and control schemes. It then presents mathematical analysis towards further understanding of the Neutral-Point-Clamped (NPC) and the Flying Capacitor (FC) converters. The Fundamental Frequency Sinusoidal PWM (FF-SPWM) control method is examined as a potential "carrier" based approach in reducing the converter switching frequency and associated losses. The performance of multi-modular parallel connected systems based on the NPC and FC converters as a building block is reported along with the influence of the multicarrier PWM techniques. The voltage-unbalancing problem of the FC converter is addressed and a solution is provided. DSP based controllers for the three-level and the five-level FC converters have been developed and experimentally verified. Results taken from the laboratory prototype are presented to support the theoretical part of the project.

The plasma opening switch (POS) is used in pulsed power systems where a very fast opening and high current switch is required. Plasma is injected into the switch, which carries a large conduction current, before it opens in a process that lasts for a few nanosecond and transfers the current to a parallel-connected load at a much increased voltage and with a much shorter rise time. The conduction and opening times of the switch are dependent on plasma parameters such as the distribution, speed and species, all of which are determined by the plasma source. Most of the earlier reported work involves large dimension POSs and a correspondingly high input current (more than 100 kA) and uses carbon plasma. One main objective of the present research was to achieve a low input current (20 kA) and miniaturised POS by using hydrogen plasma rather than carbon plasma on account of its lower mass. A cable gun was selected for producing the plasma, since although this produces both hydrogen and carbon plasma these arise different times during its operation. For the present application a Tesla transformer was used in preference to a Marx generator to produce an initial high voltage pulse for the system, on the basis of its simpler design and cost effectiveness. This transformer together with an associated water PFL (pulse forming line) and pressurised switch was capable of producing a load current in excess of 20 kA with a rise time of 53 ns, which was fed through the POS to the final load. Special diagnostics arrangements were necessary to measure the fast high current and voltage pulse a in nonintrusive way. Faraday cups and a high speed camera were used to measure the plasma parameters. The overall system built (i.e. including the POS) is capable of producing a 22 kA current with a rise time of 5 ns, and of generating a power of more than 10 GW. Much of the work detailed in the thesis has already been presented in peer reviewed journals and at prestigious international conferences.

This thesis investigates space-vector modulation and one-dimensional modulation applied to the cascaded H-bridge multi-level converter as a model for one port of the UNIFLEX-PM power converter system. The UNIFLEX-PM converter is a modular system including galvanic isolation at medium frequency intended to replace transformers in future distribution and transmission systems. Power converters in this application must produce good quality voltage waveforms with low power loss. In this work, modulation methods are developed using theoretical analyses and simulation studies, before being verified experimentally using a low voltage, laboratory-based power converter operating at the low switching frequencies applicable to high-power applications. Using space-vector modulation, the relationship between the phase of the sampling process and the distortion of the line voltages is used to reduce the harmonic distortion of the output voltages. Different loads are attached to the cells of the cascaded H-bridge converter and limits are derived determining the range of loads for which it is possible to equalize the capacitor voltages. An algorithm which uses redundant states to balance the capacitor voltages without increasing the switching frequency is applied to space-vector modulation and one-dimensional modulation and its performance is compared to the derived limits. The geometrical effect of capacitor voltage ripple on the space-vector diagram is used to derive the influence on the spectrum of the line-voltages. It is identified that second and fourth harmonics of the capacitor voltages contribute to fifth and seventh harmonics of the line voltages. A feed-forward scheme to compensate for the ripple of the capacitor voltage is derived and is shown to reduce the magnitude of un-wanted harmonics. All the methods developed in this thesis can be applied to converters with any number of cells.