Les particules en suspension émises par l'industrie sidérurgique sont des polluants atmosphériques importants, particulièrement à cause des substances toxiques qu'elles peuvent véhiculer. Parmi elles, Cd, Pb et Zn sont particulièrement considérés dans le domaine de la surveillance de la qualité de l'air. La spéciation d'un élément, plus que sa concentration, gouverne ses propriétés toxicologiques et son devenir dans l'environnement. Aussi dans un premier temps, nous nous sommes attachés à caractériser les poussières d'émetteurs de poussières sidérurgiques (atelier d'agglomération, convertisseur à oxygène) et à déterminer la spéciation du Cd, Zn et Pb. Dans un second temps, une étude préliminaire des effets des poussières sur les systèmes vivants a été effectuée. Ce travail a permis d'identifier les espèces porteuses de ces métaux dans les poussières sidérurgiques et d'évaluer l'effet des poussières issues de l'atelier d'agglomération sur des systèmes vivants.

Les conditionneurs alternatifs – continu à absorption sinusoïdale (PFC) pour les applications critiques se distinguent par un haut niveau de performances tel que les THD réduits, un haut rendement et une bonne fiabilité. Leur importance est d’autant plus nécessaire qu’une continuité de service des alimentations est requise même en présence d’une défaillance interne de composant. Deux types de structures associées à leur commande sont réalisés à cet effet, les structures à redondance parallèle et les structure à redondance en série. Elles consistent respectivement en l’ajout d’un bras d’interrupteur dans le cas de la redondance parallèle, qui est une option plus compliquée et en une suppression d’une cellule de commutation dans le deuxième cas. L’étude présentée ici, consiste en premier lieu en une exploration et une évaluation de nouvelles familles de topologies multi-niveaux, caractérisée par un partitionnement cellulaire en série. Ces nouvelles topologies, ainsi que leurs variantes, comportent au moins une redondance structurelle avec des cellules mono-transistor à défaut de commande non critique et symétriques à point-milieu. Elles sont donc génériques pour la mise en parallèle et l’extension en triphasé. Cependant, elles sont pour la plupart peu compétitives à cause des composants qui sont souvent surdimensionnés et donc plus onéreuses, en comparaison avec la structure PFC Double-Boost 5 Niveaux à composants standards 600 V (brevetée par l’INPT – LAPLACE –CNRS en 2008) que nous étudions. Cette dernière constitue le meilleur compromis entre un bon rendement et une maîtrise des contraintes en mode dégradé. Sur le plan théorique nous montrons que le seul calcul de fiabilité basé uniquement sur un critère de premier défaut est inadapté pour décrire ce type de topologie. La prise en compte de la tolérance de panne est nécessaire et permet d'évaluer la fiabilité globale sur une panne effective (i.e. au second défaut). L'adaptation de modèles théoriques de fiabilité à taux de défaillance constant mais prenant en compte, au niveau de leurs paramètres, le report de contrainte en tension et l'augmentation de température qui résulte d'un premier défaut, permet de chiffrer en valeur relative, le gain obtenu sur un temps court. Ce résultat est compatible avec les systèmes embarqués et la maintenance conditionnelle. Un prototype monophasé de PFC double-boost 5 niveaux à commande entièrement numérique et à MLI optimisée reconfigurable en temps réelle a été réalisé afin de valider l’étude. Il permet une adaptation automatique de la topologie de 5 à 4 puis 3 niveaux par exemple. Ce prototype a également servi de test d'endurance aux transistors CoolMos et diodes SiC volontairement détruits dans des conditions d'énergie maîtrisée et reproductibles. D’autres campagnes d'endurance en modes dégradés ont été réalisées en laboratoire sur plusieurs centaines d’heures en utilisant ce même prototype. Nous nous sommes axés sur la détection de défauts internes et le diagnostic (localisation) rapide, d'une part par la surveillance directe et le seuillage des tensions internes (tensions flottantes) et d'autre part, par la détection d’harmoniques (amplitude et phase) en temps réel. Ces deux techniques ont été intégrées numériquement et évaluées sur le prototype, en particulier la seconde qui ne requiert qu'un seul capteur. Enfin, nous proposons une nouvelle variante PFC expérimentée en fin de mémoire, utilisant deux fois moins de transistors et de drivers pour les mêmes performances fréquentielles au prix d'un rendement et d'une répartition des pertes légèrement moins favorable que la structure brevetée. / This work is an exploration and an evaluation of new variants of multi-level AC/DC topologies (PFC) considering their global reliability and availability: electrical safety with an internal failure and post-failure operation. They are based on a non-differential AC and centre tap connection that led to symmetrical arrangement cells in series. These topologies permit an intrinsic active redundancy between cells in a same group and a segregation capability between the two symmetrical groups of cells. More again, they are modular and they can be paralleled and derived to any number of levels. Only single low-voltage (600V) transistor pear cell is used avoiding the short-circuit risk due to an unwanted control signal. Comparisons, taking into account losses, distribution losses, rating and stresses (overvoltage and over-temperature) during the post-operation are presented. Results highlight the proposed 5-level Double-Boost Flying Capacitor topology. This one was patented at the beginning of thesis, as a solution with the best compromise. On the theoretical side, we show that the reliability calculation based only on a "first fault occurrence" criterion is inadequate to really describe this type of topology. The inclusion of fault tolerance capability is needed to evaluate the overall reliability law (i.e. including a second failure). The adaptation of theoretical models with constant failure rate including overvoltage and over-temperature dependencies exhibit an increasing of the reliability over a short time. This property is an advantage for embedded systems with monitoring condition. Local detection and rapid diagnosis of an internal failure were also examined in this work. Two methods are proposed firstly, by a direct flying caps monitoring and secondly, by a realtime and digital synchronous demodulation of the input sampled voltage at the switching frequency (magnitude and phase). Both techniques have been integrated on FPGA and DSP frame and evaluated on a AC230V-7kW DC800V – 31kHz lab. set-up. We put forward the interest of the second method which only uses one input voltage sensor. Finally, we propose in this dissertation a new generic X-level PFC Vienna using, in 5-level version, half transistors and drivers for identical input frequency and levels. At the cost of a slight increase of losses and density losses, this topology appears very attractive for the future. A preliminary lab. set-up and test were also realized and presented at the end of the thesis.

Le présent manuscrit de thèse présente l'étude de différents phénomènes dans un convertisseur d?acier, grâce au développement de deux modèles distincts. Le premier modèle décrit la cavité produite à la surface libre du bain de métal par l'impact du jet d'oxygène supersonique. Il est basé sur le découpage du domaine de calcul en deux régions. Les effets de compressibilité du gaz sont pris en compte uniquement dans la région du jet où la vitesse est élevée, alors que partout ailleurs, le gaz est considéré comme incompressible. La méthode Volume Of Fluid (VOF) est utilisée pour suivre la déformation de la surface libre du bain. Les résultats de simulations sont présentés pour des systèmes bi- et triphasés et comparés à des données expérimentales obtenues dans diverses maquettes froides. L'influence sur la taille et la forme de la cavité de différents paramètres (parmi lesquels les conditions aux limites en sortie de la lance d'injection, le schéma d'advection de la méthode VOF et le modèle de turbulence) est étudiée. Le modèle est ensuite utilisé pour simuler l'interaction entre un jet supersonique d'oxygène et la surface libre d'un bain d'acier liquide dans un convertisseur de taille pilote. Le second modèle se focalise sur l'écoulement du gaz, le transfert de chaleur et la réaction de postcombustion dans la phase gazeuse au-dessus du bain de métal. Il utilise l'algorithme Simple Chemical Reaction Scheme pour décrire le transport des espèces chimiques, et prend en compte l'absorption d'oxygène dans le bain et les transferts thermiques par rayonnement. Les prédictions numériques sont en assez bon accord avec les mesures recueillies dans une expérience de laboratoire et dans un four à l'échelle pilote / The present thesis treats different phenomena taking place in a steelmaking converter through the development of two separate models. The first model describes the cavity produced at the free surface of the metal bath by the high speed impinging oxygen jet. It is based on a zonal approach, where gas compressibility effects are taken into account only in the high velocity jet region while elsewhere the gas is treated as incompressible. The Volume Of Fluid (VOF) method is employed to follow the deformation of the bath free surface. Calculations are presented for two- and three-phase systems and compared against experimental data obtained in various cold model experiments. The influence on the size and shape of the cavity of various parameters (including the jet inlet boundary conditions, the VOF advection scheme and the turbulence modelling) is studied. Next, the model is used to simulate the interaction of a supersonic oxygen jet with the surface of a liquid steel bath in a pilot-scale converter. The second model concentrates on fluid flow, heat transfer and the post-combustion reaction in the gas phase above the metal bath. It uses the Simple Chemical Reaction Scheme approach to describe the transport of the chemical species and takes into account the consumption of oxygen by the bath and thermal radiative transfer. The numerical predictions are in reasonable agreement with measurements collected in a laboratory experiment and in a pilot-scale furnace

Au Vietnam, plus d’un demi-million d’habitations n’ont pas d’accès à l’électricité. Elles se situent principalement dans des régions montagneuses ou sur des îles. Cependant, c’est un pays qui possède un grand potentiel en énergies renouvelables. Dans ce contexte, l’alimentation en électricité pour les sites isolés est une solution prometteuse en termes économique et environnemental. L’énergie solaire est la plus adaptée à l’alimentation en électricité des villages en raison d’un ensoleillement important et d’une maintenance relativement facile. Dans les systèmes de conversion d’énergie utilisant des sources d’énergies renouvelables, on utilise généralement des convertisseurs statiques simples. En effet, si l’on prend un système photovoltaïque, la poursuite du point de puissance maximale (MPPT) se fait à l’aide d’un convertisseur « boost » ou « buck-boost ». Ainsi, en cas de défaillance, le système est mis hors service. L’objectif de cette thèse est d’apporter des améliorations au niveau d’un système photovoltaïque autonome pouvant être utilisé dans un site isolé. Ainsi nous avons développé un algorithme de recherche du point de puissance maximale (MPPT) utilisant des convertisseurs DC-DC à trois niveaux (CBTN) permettant d’extraire le maximum de puissance d’un générateur photovoltaïque quelles que soient les variations climatiques (température, ensoleillement) ou de la charge. L’architecture à base de panneaux solaires associé à un système de stockage a nécessité la mise en place d’un superviseur flou afin de maîtriser la gestion des flux. Enfin, nous avons proposé une méthode de détection de défauts afin de gérer efficacement les cas de défaillance d’un élément du convertisseur multiniveaux. En effet, en cas de défauts, on doit pouvoir passer en mode dégradé pour pouvoir assurer un service proche du comportement nominal ou au moins minimal en attendant une maintenance corrective. / In Vietnam, more than half a million people do not have access to electricity. They are mainly in mountainous regions or on islands. However, this country has great potential for renewable energy. In this context, these sources of energy can be regarded as promising solutions both economically and environmentally for supplying electrical power. Solar energy is the most suitable to supply villages with electricity because of the plentiful solar radiation and relatively easy maintenance of the structures. In energy conversion systems using renewable energy sources, simple static converters are generally used. Indeed, if we explore a photovoltaic system, the maximum power point tracking (MPPT) is done using a boost or buck-boost converter. Thus, in case of failure, the system is simply switched off. The aim of this thesis is to make improvements to an autonomous photovoltaic system that can be used in an isolated site. Therefore, an MPPT algorithm using three-level DC-DC converters is developed to extract the maximum power of a photovoltaic generator, whatever the climatic variations (temperature, sunlight) or charge. The system’s architecture is based on solar panels associated with a storage system, which required the development of a fuzzy supervisor to control the flow management. Finally, we propose a fault detection method to efficiently manage the failure of a multi-level converter element. Indeed, if there is a fault, we must go into a degraded mode to provide a service close to normal or at least minimal functioning, pending maintenance.

Cette thèse s’intéresse à la modélisation dynamique d’une pile à combustible (PàC) PEM en vue de son utilisation en électronique de puissance. Un modèle statique basé sur une expression de la tension en fonction du courant débité est tout d’abord présenté. Le modèle dynamique est élaboré ensuite. Il est montré que l’impédance électrochimique de diffusion-convection (Zd) s’apparente à une ligne de transmission de type RC. Une discrétisation en un nombre fini d’éléments a été effectuée. Afin d’obtenir un modèle simple, deux branches RC différentes sont considérées pour l’impédance Zd auxquelles sont ajoutées la capacité de double couche, les résistances de transfert et de la membrane. Ce modèle est validé sur deux PàC de 500 W et 5 kW sur une gamme de fréquence 5 mHz à 2 kHz, lors d’échelons de courant et lors du débit sur un hacheur élévateur. Il est montré que l’utilisation du découpage haute fréquence du convertisseur permet un diagnostic de l’état d’humidification de la membrane / This thesis deals with dynamic modelling of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) with a view to integrate it into power electronics environment. Firstly a static model based on an expression that links current and voltage is presented. The dynamic model is then obtained. It is shown that the electrochemical diffusion-convection impedance (Zd) is similar to a RC transmission line. A discretization on a short number of elements is carried out. In order to obtain a simple model, two different RC branches for Zd impedance, a double layer capacitor, a transfer resistance, and a membrane resistance are considered. This modelling is validated on two 500 W and 5 kW PEMFC, for frequencies varying from 5 mHz to 2 kHz. The model is validated for both fuel cells during current step responses and operation with a boost converter. In this case it is shown how the high frequency switching of the converter can be used to obtain a diagnostic on the humidification state of the membrane

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

Cette thèse s’intéresse au problème de la qualité de l’énergie électrique sous l’angle particulier des harmoniques, leurs sources, leurs effets et les solutions permettant de les réduire. Deux solutions sont principalement considérées, les convertisseurs à indice de pulsation élevé et les filtres actifs. Ce travail a été mené en faisant porter l’accent sur le réseau électrique thaïlandais. C’est ainsi qu’une présentation de l’évolution de la façon dont l’électricité est produite, transportée et distribuée en Thaïlande est effectuée avant de décrire les contraintes imposées sur les harmoniques. Les différents systèmes de liaison à courant continu haute tension (CCHT) actuellement installés dans le monde sont rappelés avant de décrire en détails les différents composants et le contrôle de la liaison 300-600 MW existant entre la Thaïlande et la Malaisie. Après avoir ensuite présenté les différentes solutions envisageables de réduction des harmoniques, un exemple de réalisation, l’une des premières en Thaïlande utilisant un contrôle numérique, est détaillé afin d’illustrer les avantages de ce type de solution. La thèse se termine sur la présentation d’une méthode originale de modélisation des convertisseurs à indice de pulsation élevé. Cette modélisation repose sur une solution analytique exacte du problème d’état qui est considéré sur le plus petit intervalle permettant, en utilisant des propriétés de symétrie, de reconstruire la période de fonctionnement du dispositif. Le modèle ainsi développé donne des informations sur le fonctionnement du système tant dans les domaines fréquentiel que temporel / The problem of quality of electrical energy is the main object of this thesis. This problem is considered especially from the point of view of harmonics, sources, effects and solutions to reduce them. Two main solutions are considered, multi-pulse converters and active filters. This work is developed with a particular emphasis on the Thai electrical network. Then, the production, transmission and distribution system of electricity in Thailand and the harmonics regulations are presented. The different types of HVDC interconnection systems which are installed in the world today are detailed before presenting the 300/600 MW Thailand-Malaysia HVDC interconnection. After presenting the different possible solutions to avoid harmonics, a realized example, one of the first one developed in Thailand with a numerical control, is detailed to show the advantages of such a solution. The thesis ends on the presentation of an original modelling method of multi-pulse converters. The model is based on an exact analytical solution of the state problem which is considered on the smallest interval, which can, by using property of symmetry, rebuild the whole period. The result model gives the full information on the operation of the whole device both in time and frequency domains

Cette thèse traite la commande et l'optimisation d'une installation photovoltaïquepour un site isolé. Ainsi, nous avons proposé un algorithme par logique flouepermettant la poursuite du point de puissance maximal afin de remédier auxinconvénients des méthodes classiques. Ensuite, nous nous sommes intéressés àl'optimisation de la structure de l'installation. En effet, dans les installationsclassiques, dans le cas de défaillance d'un panneaux, tout le bloc série devientinutilisable, ce qui réduit considérablement les capacités de production del'installation. Pour résoudre ce problème, nous avons proposé un superviseur permettant la reconfiguration automatique de l'installation de telle sorte que seul lepanneaux défaillant est mis hors connexion. Par ailleurs, pour gérer le flux depuissance et pour répondre à la demande de l'utilisateur, nous avons développé un superviseur par logique floue. Ainsi, le surplus de production est stocké systématiquement dans la batterie pour l'utiliser ensuite en cas où la demandedépasse la production. De plus, la structure proposée permet de ne solliciter la batterie en cas de besoin de ce qui permet de prolonger considérablement sa duréede vie. / This thesis addresses the control and optimization of a stand-alone photovoltaicsystem. Thus, we proposed a fuzzy logic algorithm for tracking the maximum powerpoint to overcome the disadvantages of classical methods. Then we focused onoptimizing the structure of the installation. Indeed, in conventional systems, in thecase of failure of a panel, the whole serie block becomes unusable, greatly reducingthe production capacity. To resolve this problem, we proposed a supervisor for theautomatic reconfiguration of the installation so that only the failed panels is takenoffline. Furthermore, to manage the power flow and to meet user demand, wedeveloped a fuzzy supervisor. Thus, the surplus production is systematically storedin the battery for later use in cases where demand exceeds production. In addition,the proposed structure can not draining the battery in case of need thereby greatlyextend its lifetime.

De nos jours, les capteurs capacitifs sont largement utilisés dans la mesure de grandeurs physiques telles que le déplacement, l’humidité, la pression, etc. Cette large diffusion est principalement due au développement des technologies MEMS qui ont permis de réduire leur coût, leur taille et leur consommation. Pour mesurer ces variations de capacité, des interfaces de conditionnement électronique ont été développées afin d’obtenir un signal électrique exploitable tel qu’une tension, un courant, un temps, une fréquence ou directement une sortie numérique. C’est dans ce cadre que se positionne l’objectif de cette thèse ; étudier la faisabilité d’une mesure capacitive à sortie numérique à partir d’un pont actif, une architecture développée et brevetée par l’équipe Conception et Test de Microsystèmes du LIRMM pour le conditionnement de capteurs résistifs basse consommation. La conversion numérique utilisée est une modulation Sigma-Delta 1 bit du 1er ordre, relativement facile à implémenter, et donc bien adaptée à l’intégration, à la faible consommation et à la réalisation d’interfaces génériques. Pour le retour 1 bit, deux structures de contre réaction ont été proposées : une contre-réaction résistive et une capacitive. Les résultats théoriques sont comparés à des résultats de simulations et à des mesures obtenues à partir des prototypes fabriqués en technologie CMOS 0,35μm d’Austria MicroSystem (AMS). / Nowadays, capacitive sensors are widely used in the measurement of physical quantities such as displacement, humidity, pressure, etc. This wide dissemination is mainly due to the development of MEMS technologies that have reduced their cost, size and consumption. To measure these capacitance changes, sensor electronic interfaces have been developed to obtain an exploitable electrical signal such as voltage, current, time, frequency or directly a digital output. It is in this framework that the aim of this thesis is positioned ; to study the feasibility of a capacitive measurement with digital output from an active bridge, an architecture developed and patented by the Design and Test Microsystems team of LIRMM for conditioning low power resistive sensors. The digital conversion used is a one-bit first-order Sigma-Delta modulation that is relatively easy to implement, and is well adapted to integration, low power consumption and realization of generic sensor interfaces. Two feedback architectures have been proposed: a resistive feedback and a capacitive. The theoretical results are compared with the results of simulations and measurements obtained from prototypes fabricated using a 0.35μm CMOS technology from Austria MicroSystem (AMS).

La pile à combustible (PàC) est une source d’énergie qui produit de l’électricité à partir de l’hydrogène et de l’oxygène.Elles sont très prometteuses pour la production d'énergie électrique. Néanmoins, la PàC souffre encore d’imperfections limitant ainsi sa commercialisation à grande échelle, tout particulièrement pour les applications de transport.C’est pourquoi, l’hybridation des différentes sources d’énergies est devenue une réalité pour les applications non-stationnaires telles que les véhicules tout électriques.Cependant ces applications nécessitent des solutions de gestion de l’énergie fiables prenant en compte toutes les contraintes du système électrique hybride.Par conséquent, le développement de plateforme de validation est nécessaire.Dans ce contexte, le Hardware In the Loop (HIL) est une technique très prometteuse, où une partie d’un système réel peut être remplacée par un système virtuel tout en respectant la communication entre ces sous-systèmes physiques et virtuels.Ce mémoire détaille des modèles dynamiques d'une pile à combustible échangeuse de proton (PEMFC) hybridée à des supercondensateurs.Par ailleurs, on détaille la gestion d’énergie entre ces deux sources, ainsi que le pronostic de la pile basé d’une part d’un filtre de Kalman étendu (EKF) pour l’estimation de l’état de santé (SoH) réel de la pile, et d’autre part, de la méthode Inverse First Order Reliability Method (IFORM) en vue d’estimer la durée de vie utile restante de la pile, tout cela dans une approche Hardware-In-The-Loop (HIL). / The fuel cell is a source of energy that generates electricity from hydrogen and oxygen.They are very promising candidates for the production of electric power.Nevertheless, the fuel cell still suffers from imperfections limiting its commercialization on a full scale, in particular for transport applications.This is the reason why, hybridization of different energy sources has become a reality for non-stationary applications such as all-electric vehicles.However, these applications require reliable energy management solutions that take into account all the constraints of the hybrid electrical system.Therefore, the development of validation platform is necessary.In this context, the Hardware In the Loop (HIL) is a very promising technique, where part of a real system can be replaced by a virtual system while respecting the communication between these physical and virtual subsystems.This document details the dynamic models of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) associated with supercapacitors.Furthermore, the energy management between these two sources and the prognostic of the fuel cell composed of a extenced Kalman Filter filter (EKF) for the estimation of the real state of health (SoH) of the stack and, on the other hand, of the Inverse First Order Reliability Method (IFORM) in order to estimate the remaining useful life of the stack, all implemented in an FPGA control board in a Hardware-In-The-Loop (HIL) context.