Les Systèmes électriques à Puissance Distribuée (SPD) sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels. La sûreté de fonctionnement (SDF) et la continuité de service de ces SPDs sont aujourd'hui des préoccupations majeures. Une stratégie de gestion globale de l'énergie adaptée ainsi que leur stabilité sont des exigences fondamentales pour que ces systèmes puissent fonctionner correctement. La présence de charges déséquilibrées ainsi que les interactions entre convertisseurs dans ces systèmes peuvent conduire à l'instabilité du bus DC commun. Un des cas les plus connus en terme de cause d'instabilité est celui d'une charge "à puissance constante" (CPL). Par ailleurs, toute défaillance au niveau de l'interrupteur commandable du convertisseur peut provoquer de graves dysfonctionnements du système. Tout défaut non détecté et non compensé en temps réel peut rapidement mettre en danger l'ensemble du système de puissance. Par conséquent, la mise en oeuvre de méthodes efficaces et rapides de détection et de compensation de défaut est impérative. Afin d'assurer la continuité de service de ces systèmes. Dans ce mémoire, nous étudions la gestion de l'énergie, la stabilité et la continuité de service d'un DC-SPD. Après l'étude de la gestion de l'énergie et la stabilité du système, une méthode de stabilisation active décentralisée est proposée afin d'augmenter le domaine de stabilité du SPD et afin deéviter l'instabilité en présence de charges déséquilibrées. Par ailleurs, des méthodes de détection de défaut au niveau d'un interrupteur commandable, efficaces et très rapides, sont également proposées. Nous présentons également une topologie de convertisseur DC-DC à tolérance de pannes, intégrant un interrupteur redondant ; dans tous les cas de défaut (court-circuit ou circuit-ouvert), cette topologie doit permettre deassurer la continuité de service du système de puissance en mode normal. Les études théoriques ont été validées par la simulation et par des tests expérimentaux / Electric Distributed Power Systems (DPS) are used in many industrial sectors. Continuity of service of these systems as well as their reliability are now of the major concerned. Energy management and stability are fundamental requirements for these systems to operate normally. In these systems, load converters exhibit Constant Power Load (CPL) behavior tend to destabilize the system. The system stability also can be threatened by unbalanced loads connected to the common bus. Furthermore, the failure of the controllable switch of the converter can cause serious malfunctions of the system. Undetected and uncompensated fault in real time can quickly endanger the entire power system. Therefore, the implementation of effective and rapid fault detection methods and compensation is mandatory. In this thesis, we study the energy management, stability and continuity of service of a DC-DPS. After the study of energy management and system stability, an active decentralized stabilization method is proposed to increase the stability domain of the system and to avoid instability in the case of unbalanced loads. Furthermore, efficient and very rapid methods of fault detection for a controllable switch are also proposed. We have presented a fault tolerant topology with redundancy for a DC-DC converter, which must ensure continuity of service of the DPS in any fault conditions (open or short circuit). Theoretical studies have been validated by simulation and experimental tests

Les convertisseurs statiques triphasés AC/DC/AC à structure tension sont largement utilisés dans de nombreuses applications de puissance. La continuité de service de ces systèmes ainsi que leur sécurité, leur fiabilité et leurs performances sont aujourd'hui des préoccupations majeures de ce domaine lié à l'énergie. En effet, la défaillance du convertisseur peut conduire à la perte totale ou partielle du contrôle des courants de phase et peut donc provoquer de graves dysfonctionnements du système, voire son arrêt complet. Afin d'empêcher la propagation du défaut aux autres composants du système et assurer la continuité de service en toute circonstance lors d'une défaillance du convertisseur, des topologies de convertisseur "fault tolerant" associées à des méthodes efficaces et rapides de détection et de compensation de défaut doivent être mises en oeuvre. Dans ce mémoire, nous étudions la continuité de service de trois topologies de convertisseurs AC/DC/AC avec ou sans redondance, lors de la défaillance d'un de leurs interrupteurs. Deux applications sont ciblées : l'alimentation d'une charge RL triphasée et un système éolien de conversion de l'énergie basé sur une MADA. Un composant FPGA est utilisé pour la détection du défaut, afin de réduire autant que possible son temps de détection. Des variantes permettant d'optimiser la méthode de détection de défaut sont également proposées et évaluées. Les trois topologies de convertisseurs proposées, associées à leurs contrôleurs, ont été validées de la modélisation/ simulation à la validation sur banc de test expérimental, en passant par le prototypage "FPGA in the Loop" du FPGA, destiné plus spécifiquement à la détection du défaut / AC/DC/AC converters are widely being used in a variety of power applications. Continuity of service of these systems as well as their reliability and performances are now of the major concerns. Indeed, the failure of the converter can lead to the total or partial loss of the control of the phase currents and can cause serious system malfunction or shutdown. Thus, uncompensated faults can quickly endanger the system. Therefore, to prevent the spread of the fault to the other system components and to ensure continuity of service, fault tolerant converter topologies associated to quick and effective fault detection and compensation methods must be implemented. In this thesis, we present the continuity of service of three AC/DC/AC fault tolerant converters with or without redundancy, in the presence of a fault in one of their switches. Two types of applications are studied: the supply off a three-phase charge and a wind energy conversion system based on a DFIG. An FPGA based implementation is used for fault detection, in order to reduce the detection time as much as possible. Three optimizations in the fault detection method are also presented. During these researches, the three proposed converter topologies and their controllers are validated in simulations and also experimentally, while being validated in a "FPGA in the Loop" prototyping

Ce mémoire s’inscrit dans le contexte général de la continuité de service des convertisseurs multiniveaux, lors de la défaillance d’un de leurs composants de puissance. Les structures concernées sont les topologies suivantes, largement utilisées dans les applications industrielles : Neutral Point Clamped (NPC) et Neutral Point Piloted (NPP) ou T-Type. Dans un premier temps, afin de limiter le taux de pannes du convertisseur, une commande contribuant à l’accroissement de la durée de vie des composants de puissance est tout d’abord proposée. Pour se faire, nous minimiserons sur chaque période le nombre de commutations des composants commandables à l’ouverture et à la fermeture. Cette idée a pour origine le fait qu’un convertisseur multiniveaux permet de générer le même niveau de tension de sortie à partir de plusieurs séquences de commutations différentes. Le principe de la commande proposée sera développé de manière générale, puis appliqué aux cas de structures type « Pont en H » à 5 niveaux, de type NPP (ou T-Type) et NPC. Ensuite, nous étudierons la continuité de service en mode nominal d’un convertisseur « Pont en H » à 5 niveaux, de type NPP (ou T-Type), suite à la défaillance en circuit ouvert d’un composant de puissance. Nous proposerons tout d’abord un diagnostic du défaut, constitué d’une première étape de détection, suivie d’une localisation précise du composant défaillant. Une topologie originale de convertisseur à tolérance de pannes permettra de garantir la continuité de service du système, en modifiant sa commande en adéquation avec le composant défaillant localisé. Des architectures électroniques numériques reconfigurables basées sur des composants FPGA (Field Programmable Gate Array) seront dédiées au diagnostic et à la reconfiguration de la commande ; elles permettront d’atteindre des performances temporelles élevées. L’ensemble des résultats présentés dans ce mémoire sera validé par modélisation/simulation, puis expérimentalement sur un banc de test / This thesis deals with continuity of service of multilevel power converters, during the failure of one of their power components. The studied converter topologies are the following, widely used in industrial applications: Neutral Point Clamped (NPC) and Neutral Point Piloted (NPP) or T-Type. First, to reduce the failure rate of the converter, an advanced control is proposed ; it increases the lifetime of the power components by minimizing the number of switchings over a period. This idea is based on the fact that a multilevel converter makes possible to generate the same output voltage level from several different switching sequences. The principle of the proposed control will be developed in a general way. Then, it is applied to the cases of 5-level "H-bridge" topologies, NPP (or T-Type) and NPC. Then, the continuity of service in nominal mode is studied for a 5 level "H-brige" NPP (or T-Type) converter, when an open circuit failure occurs on a power component. We first propose a fault diagnosis, consisting in a fault detection step, followed by the location of the faulty component. Then, an original fault-tolerant converter topology will ensure the continuity of service of the system, by modifying the control according to the localized faulty component. Reconfigurable digital electronic architectures based on Field Programmable Gate Array (FPGA) components will be dedicated to the diagnosis and the reconfiguration of the control; they will perform high temporal performances. All the results presented in this paper are validated by modeling and simulation. Then, they are experimentally validated on a test bench

Pour certaines applications de positionnement dans les systèmes embarqués la puissance ou les couples mis jeu en peuvent être faibles. Les actionneurs utilisés pour ces applications sont équipés de machines pas à pas telles que les machines réluctance variable excitées ou non, ou encore des machines synchrones à aimants permanents. En aéronautique, ces actionneurs doivent être les plus compacts possibles et la continuité de service est exigée. La redondance partielle ou totale de l'actionneur est solution permettant d'assurer la continuité de service. Nous avons étudiés plusieurs structures de machines notamment les machines à deux voies d'enroulement pour leurs compacité telles les machines à reluctance variable à excitation homopolaire (MRVH-2C) et les machines synchrones à aimants permanent (MSAP-DE). Dans le but faciliter ou motiver le choix de l'une ou l'autre des structures, nous avons développé des modèles de machines capables de fournir des informations sur les grandeurs mesurables ou non, et sur le comportement des actionneurs. Ainsi à partir d'un calcul éléments finis 2D nous avons mis au point plusieurs modèles couplés EF 2D réseau de perméances de la MRVH-2C qui tiennent compte de l'état de saturation magnétique et du caractère tridimensionnel de cette machine. Ceux-ci ont été utilisés pour simuler le comportement de l'actionneur dans différents situations. Toujours pour une application de positionnement à faibles puissance et basse vitesse, nous avons dimensionné, modélisé et simulé une MSAP-DE commandée en boucle fermée et qui, de façon intrinsèque tolère le défaut de court-circuit triphasé grâce à sa résistance de phase qui est élevée / For certain applications of positioning in embedded systems power or torque needed can be low. Actuators used for these applications can be equipped with stepper machinery such as variable reluctance machines excited (or not) or permanent magnets synchronous machine. In aeronautic these actuators should be as compact as possible and continuity of service is required. Partial or total redundancy of the actuator can ensure the continuity of service. We have studied various structures of machines particularly double channel machines for their compactness such as two channels hybrid variable reluctance machines (2C-HVRM) and double channel permanent magnets synchronous machines (DC-PMSM). In the aim of facilitating or of justifying the choice of one or the other of these structures, we have developed models of able to provide information on measurable (or non measurable) features, and the behavior of the actuators. So from a 2D finite element calculation we have developed several coupled 2D FE permeances network models of a 2C-HVRM tacking account of the magnetic saturation state of this machine and its three-dimensional character. These models were used to simulate the behavior of the actuator in different situations. Always for positioning application with low power and low speed, we sized, modeled and simulated a DC-PMSM close loop controlled. That machine is intrinsically tolerant to phase short-circuit fault, thanks to its high phase resistance

La récupération d'énergie thermique basée sur les générateurs thermoélectriques (TEG) est utilisée dans de nombreuses applications telles que les dispositifs médicaux auto-alimentés. La sûreté de fonctionnement et la continuité de service de ces systèmes sont aujourd'hui des préoccupations majeures. Ainsi, toute défaillance au niveau d'un des interrupteurs commandables de la circuiterie électronique d'interface peut provoquer de graves dysfonctionnements du système. Tout défaut non détecté et non compensé peut mettre en danger l'ensemble du système et interrompt l'alimentation en énergie de la charge. Par conséquent, la mise en œuvre d'une compensation de défaut efficace et rapide est impérative afin d'assurer la continuité de service. Dans ces travaux de recherche, nous étudions la continuité de service d'une interface électronique pour TEG basée sur une conversion à deux étages Buck/Buck-Boost cascadés. Une modélisation électrique générique (modèle de Thévenin) du TEG sous différentes conditions de fonctionnement et prenant en compte l'ensemble des résistances thermiques de contact est tout d'abord présentée. Ensuite, une méthode de compensation de défaut de type circuit-ouvert au niveau de l'interrupteur commandable de l'un des deux convertisseurs DC-DC est également proposée. Nous présentons une topologie originale de convertisseur DC-DC à tolérance de pannes, sans redondance matérielle classique. Cette topologie permet d'assurer la continuité de service du système de récupération d'énergie en mode nominal. Les études théoriques ont été validées par simulation et par des tests expérimentaux / Thermal energy harevsting based on thermoelectric generators is used in many applications such as self-powered medical devices. The reliability and continuity of service of these systems are now major concerns. Furthermore, any failure in the controllable switch of the electronic interface circuitry can cause serious system malfunctions. Any undetected and uncompensated fault can endanger the entire system and interrupt the power supply to the load. Therefore, the implementation of an efficient and rapid fault compensation is imperative in order to ensure the continuity of service. In this research, we study the continuity of service of an electronic interface for TEG, based on a two-stage conversion cascaded Buck/Buck-Boost. A generic electrical modeling of the TEG model under different operating conditions and with taking into account all the thermal contact resistances is first presented. Next, an open-circuit fault compensation method of the controllable switch of one of the two DC-DC converters is also proposed. We present an original fault-tolerant DC-DC converter topology with no conventional hardware redundancy. This topology ensures the continuity of service of the energy recovery system in nominal mode. Theoretical studies were validated by simulation and experimental tests