Les travaux de cette thèse ont été menés dans le cadre d’une collaboration entre les laboratoires SATIE et LTN IFSTTAR. Ils portent principalement, sur l’étude de la robustesse des composants JFET SiC de puissance pour des applications de découpage à haute fréquence, forte puissance surfacique et à haute température lorsqu’ils sont soumis à des régimes extrêmes de fonctionnement. Les travaux présentés traitent également de façon plus générale l’étude de la durée de vie de packaging dédiés à ce type de composants et adaptés à la haute température pour des applications aéronautiques. La robustesse de différents lots des VJFETs SiC d’un fabricant particulier (SemiSouth) a été étudiée en régimes d’avalanche et de court circuit afin de déterminer les énergies que peuvent supporter ces composants dans ces modes de fonctionnement particuliers en cherchant notamment à quantifier la température du cristal et à mettre en évidence les mécanismes physiques à l’origine des défaillances. Nous avons ainsi également développé un modèle éléments finis thermique afin d’estimer la température de jonction du JFET SiC lors des régimes extrêmes pour chercher à relier l’apparition de la défaillance à la température. Finalement, nous décrivons des mécanismes physiques à l’origine des dégradations lors de la répétition de tels régimes extrêmes de fonctionnement expliquant à terme la destruction par vieillissement des transistors. Un substrat céramique à base de Si3N4 a été le support des études menées dans le cadre de cette thèse sur le packaging. Nous avons caractérisé les dégradations de ces substrats par des analyses acoustiques après vieillissement par cyclage thermique de forte amplitude. Un modèle thermomécanique a été développé afin d’estimer les contraintes mécaniques dans l’assemblage et valider les résultats expérimentaux obtenus. Enfin, nous avons également initiés des travaux de diagnostic thermique sur des puces JFET SiC, par des mesures d’impédance thermique pouvant être utilisées pour la détection de défauts de délaminage dans un assemblage de puissance. / The work presented in this thesis was conducted between SATIE and LTN IFSTTAR laboratories. It focuses on the study of the robustness of SiC power components subjected to hard working conditions for high switching frequency, high power density and high temperature applications. The work also presents a study on the robustness of a dedicated package adapted to high temperature applications. The robustness of several SiC VJFETs from a particular manufacturer (SemiSouth) was studied in avalanche and short circuit modes in order to estimate the energies that can withstand these components in these operating modes. The experimental protocol also includes thermal models to quantify the crystal temperature and to highlight the ageing physical mechanisms causing failure. Therefore, we had developed a finite element model to estimate the thermal junction temperature of the SiC JFET in extreme working conditions to try to relate the failure to the maximum temperature reached after each cycle. Finally, we described the physical mechanisms behind the degradations that explain ultimately the destruction of ageing transistors under repetitive avalanche mode. A ceramic substrate made of Si3N4 has been the support of studies conducted in this thesis on the packaging reliability. We characterized the degradation of these substrates by acoustic analysis after ageing by thermal cycling of high amplitude. A thermo-mechanical model was developed to estimate the mechanical stresses in the assembly and validate the experimental results. Finally, we have initiated thermal diagnostic studies on SiC JFET chips. We have shown that thermal impedance measurements can be used for the detection of delamination defects in a power assembly.

Le système endocannabinoïde (SEC) est un système clé de la régulation de la balance énergétique. Les rares études réalisées chez l’Homme concluent à une augmentation des concentrations plasmatiques des endocannabinoïdes, anandamide (AEA) et 2-arachidonoylglycerol (2-AG), chez les sujets obèses ou diabétiques de type 2. Cependant plusieurs questions restent posées et cette thèse s’est spécifiquement intéressée : i) à l’existence d’une cinétique prandiale et au rôle des endocannabinoïdes circulants par rapport à la prise alimentaire, ii) aux effets d’une perte de poids obtenue par court-circuit gastrique sur ces concentrations et iii) aux liens physiopathologiques entre insulinorésistance et SEC. Enfin, nous avons tenté de développer un outil non invasif pour faciliter l’étude du SEC chez l’Homme. Dans la 1ère étude, nous avons mis en évidence pour la première fois une augmentation préprandiale de l’AEA indépendante du poids. Ceci suggère que l’AEA plasmatique pourrait jouer un rôle dans l’initiation de la prise alimentaire chez l’Homme. De façon intéressante, la réduction post prandiale de l’AEA est émoussée chez les sujets obèses insulinorésistants, ce qui peut créer un cercle vicieux vis à vis de l’obésité. Dans la 2ème étude, des résultats préliminaires montrent qu’une même perte de poids obtenue par court-circuit gastrique ou par règles hygiéno-diététiques modifie différemment les concentrations plasmatiques d’AEA qui tendent à augmenter après court-circuit gastrique alors qu’elles ne sont pas modifiées après règles hygiéno-diététiques. Ainsi, le court-circuit gastrique pourrait directement affecter le fonctionnement du SEC localisé au niveau du tractus gastro-intestinal. Dans la 3ème étude, 72 heures de régime hypoglucidique permettent de diminuer significativement la glycémie à jeun et la résistance à l’insuline de 8 sujets diabétiques de type 2, mais pas les concentrations plasmatiques d’endocannabinoïdes, qui ne sont par ailleurs pas modifiées chez ces sujets en fonction du statut nutritionnel. Enfin, nous avons pu déterminer les concentrations des endocannabinoïdes dans la salive humaine, qui sont plus élevées chez les sujets obèses par rapport aux normopondéraux, avec une diminution de l’AEA salivaire associée à la perte de poids, mais sans variation en fonction de la prise alimentaire. La salive pourrait donc constituer un outil non invasif pour l’étude du SEC chez l’Homme.Ainsi, notre travail confirme les liens entre SEC et pathologies métaboliques chez l’Homme. Nos résultats suggèrent en particulier un rôle physiologique de l’AEA dans la prise alimentaire ainsi que l’importance potentielle du SEC du tractus gastro-intestinal. Nous confirmons la dérégulation statique et dynamique du SEC dans la situation de diabète de type 2. Enfin nous développons un nouvel outil pour l’exploration du SEC chez l’Homme. Nos résultats sont importants car la meilleure connaissance des systèmes impliqués dans la régulation de la balance énergétique est nécessaire pour le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques efficaces contre l’obésité et ses pathologies associées. / The endocannabinoid system (ECS) is a key system for the regulation of energy balance. Only few studies have been so far carried out in humans but they all lead to conclude that obese subjects have higher plasma fasting levels of the 2 major endocannabinoids, anandamide (AEA) and 2-arachidonoylglycerol (2-AG). However, many questions concerning the role of the ECS in the physiopathology of obesity in humans remain still unanswered. This thesis has therefore attempted to address some of these questions by investigating i) the changes of plasma endocannabinoids in response to food intake, ii) the effect of weight loss induced by gastric bypass or lifestyle intervention on these plasma levels and iii) the potential link between insulin resistance and circulating endocannabinoids. Lastly, we have also tested the possibility to develop a non-invasive tool to ease the investigation of the ECS in humans. In the 1st study, we have described for the first time the existence of a pre-prandial peak in plasma AEA, which is independent of body weight. This evidence suggests that circulating AEA levels might work as a meal initiator factor in humans. Importantly, the AEA postprandial decrease is blunted in obese insulin resistant subjects and might therefore favor the persistence of the obese phenotype. In our 2nd study, preliminary results suggest that the same body weight loss obtained through gastric-bypass or lifestyle intervention differently affects plasma AEA levels. In particular, while AEA tend to increase in subjects who have undergone gastric bypass, no changes are observed after a comparable weight loss induced by lifestyle intervention. Thus, a possibility is that the bypass might directly affect the function of the ECS localized within the gastrointestinal tract. In our 3rd study, which was carried out on 8 type 2 diabetic patients, we have shown that 72 hours of a low carbohydrate diet significantly decreases glycaemia and insulin resistance, without affecting the levels and the kinetic of circulating endocannabinoids. Lastly, we demonstrated that endocannabinoids are reliably measured in saliva. Salivary endocannabinoids are higher in obese as compared to normal weight subjects. Body weight loss significantly decreases salivary AEA, while the consumption of a meal does not influence salivary endocannabinoids levels. Altogether our studies confirm the association between ECS deregulation and metabolic disease in humans. In particular, we have demonstrated that plasma AEA might have a physiological role in the regulation of human feeding behavior, and have hinted the potential relevance of the gastro-intestinal ECS in our studies on gastric-bypass patients. We have also shown that in type 2 diabetes, there is a flattening of the kinetics of circulating endocannabinoids. Finally, we have shown that measurement of salivary endocannabinoids is reliable and might be of clinical value. These findings extend our knowledge on one of the systems majorly implicated in energy balance regulation. Such knowledge is a necessary step towards the development of novel therapeutic strategies needed to halt obesity and metabolic disease.

Ce travail a pour objectif de développer des techniques de surveillance non-invasives sur des machines électriques tournantes de sorte que leurs mises en place soient aisées en environnement industriel. A cet effet, deux méthodes indépendantes sont décrites dans ce mémoire : un diagnostic de défaillances électriques dans des alternateurs connectés au réseau et une étude exploratoire afin d'évaluer la température interne de machines électriques industrielles.La première méthode repose sur l'analyse de deux grandeurs physiques : le champ magnétique rayonné à l'extérieur de la carcasse et les vibrations de la machine tournante. Des modèles mathématiques ont été développés afin de corréler des phénomènes magnétiques et mécaniques qui interviennent dans trois états de la machine : sain et en deux défauts de courts-circuits au stator et au rotor. Ces résultats ont ensuite été validés expérimentalement en laboratoire ainsi que sur des machines de grande puissance en environnement industriel. Un prototype de diagnostic capable de réaliser un examen de défaillance de courts-circuits sur des machines à fort courant a été proposé.Dans un deuxième temps, la méthode d'estimation de la température s'appuie sur des constats relatifs à la variation des caractéristiques des matériaux qui composent un enroulement lorsque la température augmente. Ainsi, la localisation des fréquences de résonances de l'impédance sont impactées. Ce dernier constat a été vérifié expérimentalement.Ce travail de thèse a permis de vérifier la faisabilité des méthodes de diagnostic et de surveillance en ligne dans des machines tournantes avec un minimum d'intrusivité, ceci dans un environnement industriel. / This work aims to develop non-invasive monitoring techniques on AC rotating machines so that their implementation is easy in an industrial environment. For this purpose, two independent methods are described: a fault diagnosis in alternators connected to the local power gird and an exploratory study to evaluate the internal temperature of AC rotating machines.The first method relies on the analysis of two physical magnitudes: the stray magnetic field radiated outside from the external frame and the vibrations content of machine structure. Mathematical models have been developed in order to correlate magnetic and mechanical phenomena which occur in three different machine states: healthy and in two winding short-circuit faults both in the stator and in the rotor. These results were then validated experimentally in laboratory as well as on large machines in industrial environment. A first diagnostic prototype is presented capable to be implemented in industrial environment in order to detect short-circuit faults in larges alternators.In a second time, a temperature estimation method is proposed based on observations concerning variations in material characteristics of windings as temperature increases. Thus, the localizations of impedance resonant frequencies are impacted, which was verified experimentally as well.This thesis work allowed to verify diagnostic feasibility and on-line monitoring methods in rotating machines in a non-invasive way in industrial environments.

Les travaux de cette thèse ont été menés dans le cadre d'une collaboration entre les laboratoires SATIE et LTN IFSTTAR. Ils portent principalement, sur l'étude de la robustesse des composants JFET SiC de puissance pour des applications de découpage à haute fréquence, forte puissance surfacique et à haute température lorsqu'ils sont soumis à des régimes extrêmes de fonctionnement. Les travaux présentés traitent également de façon plus générale l'étude de la durée de vie de packaging dédiés à ce type de composants et adaptés à la haute température pour des applications aéronautiques. La robustesse de différents lots des VJFETs SiC d'un fabricant particulier (SemiSouth) a été étudiée en régimes d'avalanche et de court circuit afin de déterminer les énergies que peuvent supporter ces composants dans ces modes de fonctionnement particuliers en cherchant notamment à quantifier la température du cristal et à mettre en évidence les mécanismes physiques à l'origine des défaillances. Nous avons ainsi également développé un modèle éléments finis thermique afin d'estimer la température de jonction du JFET SiC lors des régimes extrêmes pour chercher à relier l'apparition de la défaillance à la température. Finalement, nous décrivons des mécanismes physiques à l'origine des dégradations lors de la répétition de tels régimes extrêmes de fonctionnement expliquant à terme la destruction par vieillissement des transistors. Un substrat céramique à base de Si3N4 a été le support des études menées dans le cadre de cette thèse sur le packaging. Nous avons caractérisé les dégradations de ces substrats par des analyses acoustiques après vieillissement par cyclage thermique de forte amplitude. Un modèle thermomécanique a été développé afin d'estimer les contraintes mécaniques dans l'assemblage et valider les résultats expérimentaux obtenus. Enfin, nous avons également initiés des travaux de diagnostic thermique sur des puces JFET SiC, par des mesures d'impédance thermique pouvant être utilisées pour la détection de défauts de délaminage dans un assemblage de puissance.

Les progrès technologiques réalisés en matière d'interrupteurs semiconducteurs de puissance, ont conduit au début des années 80, à l'apparition du transistor bipolaire à grille isolée, plus couramment désigné sous l'abréviation IGBT. Etant donnés les niveaux de puissance que ces composants sont aujourd'hui aptes à commuter, une protection contre les défauts devient nécessaire. Un fusible rapide associé au composant permet d'éviter l'explosion du boîtier en cas de court-circuit, et ainsi de garantir la sécurité des personnes et des divers composants à proximité. Une étude du comportement de l'IGBT en régime de court-circuit a été entreprise afin d'évaluer une valeur caractéristique de l'explosion, et de dimensionner précisément le calibre du fusible. L'intégration d'un fusible dans un convertisseur à IGBT passe en premier lieu par l'étude des perturbations générées par le convertisseur sur le fusible. Ces perturbations, associées aux effets de proximité, se traduisent par une répartition déséquilibrée des courants entre des fusibles en parallèle ou même entre les éléments fusibles. Ainsi, nous nous sommes attachés à élaborer un modèle électrothermique du fusible permettant de calculer la répartition des courants et la température des éléments fusibles. Ce modèle permet de définir des abaques, en liaison avec un critère thermique de bon fonctionnement des fusibles. En second lieu, nous avons analysé les perturbations engendrées par le fusible sur le convertisseur. Celles-ci se traduisent principalement par l'introduction d'une inductance supplémentaire dans le circuit, laquelle pouvant être néfaste au fonctionnement du convertisseur. Nous avons proposé quelques règles de conception permettant de réduire l'inductance rajoutée.

D’une manière générale l’étude des machines électriques peut être entreprise suivant différents niveaux de complexité. L’approche la plus simple considère une machine idéalisée pour laquelle on s’intéresse aux phénomènes principaux, notamment ceux qui génèrent le couple électromagnétique moyen. Si on s’intéresse aux phénomènes secondaires, parfois difficiles à appréhender, comme les bruits et vibrations, les pertes fer, ou le flux de dispersion des machines électriques, il est nécessaire d’avoir une approche plus complexe. C’est dans ce contexte que s’inscrit notre travail dans lequel on s’intéressera plus particulièrement à la machine asynchrone fonctionnant dans des régimes nonconventionnels. L’originalité de notre étude réside dans l’analyse, par une approche semi analytique, des phénomènes précités dans des cas d’une machine présentant un défaut de court-circuit entre spires statoriques. Les objectifs de ce travail sont multiples, on s’intéressera tout d’abord à l’étude de l’effet du défaut sur les phénomènes générés par la denture de manière à pouvoir apprécier son importance sur les dégradations des performances de la machine. Le deuxième point consiste à étudier les moyens de minimisation des pertes fer et des vibrations par conception, en ajustant certains paramètres géométriques de la machine, évitant ainsi le recours à des actions extérieures comme l’injectiond’harmoniques de courant. Le dernier point consiste à corréler les pertes fer et les vibrations avec le champ magnétique de dispersion. Cette corrélation permet par exemple d’estimer le niveau de dégradation des performances lors d’un fonctionnement non conventionnel de la machine. / In a general way the electrical machines study can be undertaken according to various levels of complexity. The simplest approach considers an idealized machine for which we are interested in the main phenomena, in particular those that generate the average electromagnetic torque. If we are interested in the secondary phenomena, sometimes difficult to analyze, as the vibrations and noise, the iron losses, or the external magnetic field of the electrical machines, it is necessary to have a more complex approach. It is in this context that joins our work in which we shall be interested more particularly in the induction machine working in unconventional conditions. The originality of our study lies in the analysis, by a semi analytical approach, of aforesaid phenomena in cases of a machine presenting an inter turn short circuit. The objectives of this work are multiple, we shall be interested first in the study of the effect of the default on the phenomena generated by the slotting effect so as to be able to appreciate its importance on the machine performances degradation. The second point is to explore the ways to minimize iron losses and vibration by conception, by adjusting some machine geometrical parameters, so avoiding the recourse to outside actions as the current harmonic injection. The last point consists in correlating the iron losses and the vibrations to the external magnetic field. This correlation allows for example to estimate the performance degradation level during a machine unconventional running.

Mes travaux de thèse dans les laboratoires SATIE de ENS de Cachan et Ampère de l’INSA de Lyon se sont déroulés dans le cadre du projet Gestion OptiMisée de l'Energie (GENOME) pour étudier le potentiel de certains composants de puissance (JFET, MOSFET et BJT) en carbure de silicium (SiC) dans des convertisseurs électroniques de puissance dédiés à des applications aéronautiques suite au développement de l'avion plus électrique. La première partie de mes travaux étudie la robustesse de MOSFET et BJT en SiC soumis à des régimes de court circuit. Pour les MSOFET SiC, en soumettant ces transistors à la répétition de plusieurs courts-circuits, nous observons une évolution du courant de fuite de grille qui semble être un bon indicateur de vieillissement. Nous définissons une énergie critique répétitive pour évaluer la robustesse à la répétition de plusieurs courts-circuits. Aucun effet significatif de la température ambiante n’a pu être mis en évidence sur la robustesse des MOSFET et BJT SiC sous contraintes de court-circuit. Pour les MOSFET, nous avons également constaté une élévation significative du courant de fuite de grille en augmentant de 600V à 750V la tension, ce qui se traduit également par une défaillance plus rapide. Après ouverture des boîtiers des MOSFET Rohm ayant présenté un court-circuit entre grille et source après défaillance, on remarque une fusion de la métallisation de source qui vient effectivement court-circuiter grille et source. Dans ce mode de défaillance particulier, le court-circuit entre grille et source auto-protège la puce en lui permettant de s’ouvrir.La deuxième partie de ce mémoire est consacrée à l’étude de JFET, MSOFET et BJT SiC en régime d’avalanche. Les JFET de SemiSouth et les BJT de Fairchild présentent une bonne robustesse à l’avalanche. Mais le test d'avalanche révèle la fragilité du MOSFET Rohm puisqu’il entre en défaillance avant d’entrer en régime d’avalanche. La défaillance du MOSFET Rohm et sa faible robustesse en régime d’avalanche sont liées à l’activation du transistor bipolaire parasite. Le courant d'avalanche n’est qu’une très faible partie du courant dans l’inductance et circule du drain/collecteur à la grille/base pour maintenir le transistor en régime linéaire. Une résistance de grille de forte valeur diminue efficacement le courant d'avalanche à travers la jonction drain-grille pour le JFET.La troisième partie concerne l’étude de la commutation de BJT SiC à très haute fréquence de découpage. Nous avons dans un premier temps cherché à valider des mesures de pertes par commutation. Après avoir vérifié l'exactitude de la méthode électrique par rapport à une méthode calorimétrique simplifiée, nous montrons que la méthode électrique est adaptée à l’estimation des pertes de commutation mais nécessite beaucoup d’attention. En raison de mobilité élevée des porteurs de charge dans le SiC, nous montrons que le BJT SiC ne nécessite pas l’utilisation de diode d’anti-saturation. Enfin, aucune variation significative des pertes de commutation n’a pu être constatée sur une plage de température ambiante variant de 25°C à 200°C.La quatrième partie concentre l’étude du comportement de MOSFET SiC sous contraintes HTRB (High Temperature Reverse Bias) et dans une application diode-less dans laquelle les transistors conduisent un courant inverse à travers le canal, exception faite de la phase de temps mort pendant laquelle c’est la diode de structure qui assurera la continuité du courant dans la charge. Les résultats montrent que la diode interne ne présente aucune dégradation significative lors de la conduction inverse des MOSFET. Le MOSFET Cree testé montre une dérive de la tension de seuil et une dégradation de l’oxyde de grille qui sont plus significatives lors des essais dans l’application diode-less que sous des tests HTRB. La dérive de la tension de seuil est probablement due au champ électrique intense régnant dans l’oxyde et aux pièges de charge dans l'oxyde de grille. / My PhD work in laboratories SATIE of ENS de Cachan and Ampère of INSA de Lyon is a part of project GEstioN OptiMisée de l’Energie (GENOME) to investigate the potential of some Silicon carbide (SiC) power devices (JFET, MOSFET and BJT) in power electronic converters dedicated to aeronautical applications for the development of more electric aircraft.The first part of my work investigates the robustness of MOSFET and SiC BJT subjected to short circuit. For SiC MOSFETs, under repetition of short-term short circuit, a gate leakage current seems to be an indicator of aging. We define repetitive critical energy to evaluate the robustness for repetition of short circuit. The effect of room temperature on the robustness of SiC MOSFET and BJT under short circuit stress is not evident. The capability of short circuit is not improved by reducing gate leakage current for MOSFET, while BJT shows a better robustness by limiting base current. For MSOFET, a significant increase in gate leakage current accelerates failure for DC voltage from 600V to 750V. After opening Rohm MOSFETs with a short circuit between gate and source after failure, the fusion of metallization is considered as the raison of failure. In this particular mode of failure, the short circuit between gate and source self-protects the chip and opens drain short current.The second part of the thesis is devoted to the study of SiC JFET, MSOFET and BJT in avalanche mode. The SemiSouth JFET and Fairchild BJT exhibit excellent robustness in the avalanche. On the contrary, the avalanche test reveals the fragility of Rohm MOSFET since it failed before entering avalanche mode. The failure of Rohm MOSFET and its low robustness in avalanche mode are related to the activation of parasitic bipolar transistor. The avalanche current is a very small part of the current in the inductor. It flows from the drain/collector to the gate/base to drive the transistor in linear mode. A high-value gate resistance effectively reduces the avalanche current through the drain-gate junction to the JFET.The third part of this thesis concerns the study of switching performance of SiC BJT at high switching frequency. We initially attempted to validate the switching loss measurements. After checking the accuracy of the electrical measurement compared to calorimetric measurement, electrical measurement is adopted for switching power losses but requires a lot of attention. Thanks to high carrier charge mobility of SiC material, SiC BJT does not require the use of anti-saturation diode. Finally, no significant variation in switching losses is observed over an ambient temperature range from 25°C to 200°C.The fourth part focuses on the study of SiC MOSFET behavior under HTB (High Temperature Reverse Bias) and in diode-less application in which the transistors conduct a reverse current through the channel, except for the dead time during which the body diode ensure the continuity of the current in the load. The results show that the body diode has no significant degradation when the reverse conduction of the MOSFET. Cree MOSFET under test shows a drift of the threshold voltage and a degradation of the gate oxide which are more significant during the tests in the diode-less application than under HTRB test. The drift of the threshold voltage is probably due to intense electric field in the oxide and the charge traps in the gate oxide.

Face aux sources d’énergie épuisables et polluantes, la production d’électricité par énergie solaire à concentration photovoltaïque (CPV) connaît depuis 2010 une croissance significative. Les systèmes ayant les plus hauts rendements (< 29%) sont constitués de trackers à deux axes combinés à des modules à modules (CPV) allant de 300x à 2500x, intégrant des cellules PV à triple jonction, dont l’efficacité mesurée en laboratoire est supérieure à 35%. Les pertes des systèmes sont dues aux conditions de fonctionnement extérieures fluctuantes, parmi lesquelles : la température, le contenu spectral du flux lumineux, la taille variable du disque solaire et la précision du suivi soumis à des limites physiques et des charges de vents variables. L’industrie tente de pallier à ces difficultés par des dispositifs à concentrations optique à angle d’acceptance (AA) large. Mais la caractérisation en laboratoire de tout dispositif doit être complétée par des tests en conditions externes. Ce projet consiste en la conception et la réalisation d’un banc d’essai extérieur de caractérisation de modules CPV, sous conditions réelles et variables, au moyen de tests I-V. Les données sont archivées sur une base de données, et prétraitées pour analyses des résultats. Les objectifs de caractérisation ont été atteints, soit le positionnement ponctuel précis en azimut et en élévation lors d’un test I-V, la répétition de cette étape selon des protocoles ajustables. Six dispositifs CPV à large AA ont été caractérisés en même temps (plus de 146 000 lectures). Des suggestions sont faites pour corriger les problèmes rencontrés. Des questions de recherches ultérieures sont posées, l’ensemble confirmant la pertinence de ce type de banc d’essai.

Le travail présenté dans cette thèse propose des nouvelles méthodes de diagnostic des défauts dans les machines à courant alternatif. Les procédures de diagnostic décrites sont fiables, originales, peu coûteuses et simples à mettre en œuvre. Elles présentent l’avantage d’être non invasives et viennent éliminer le principal inconvénient présenté par les autres méthodes de diagnostic déjà connues qui ont recours à la comparaison avec un état supposé sain et connu. L’analyse porte principalement sur le champ magnétique de dispersion, plus particulièrement ses composantes axiales et radiales qui présentent des sensibilités différentes aux défauts. À cet effet, les phénomènes dus aux défauts de court-circuit entre spires dans le bobinage statorique, l’excentricité et la rupture de barres rotoriques, sont étudiés. Il est abordé en particulier les effets de ces défauts dans le cas de la machine asynchrone et celui de la machine synchrone sur le champ axial et sur le champ radial. Pour chaque défaut, des signatures spécifiques sont mises en évidence et expliquées par la modélisation analytique et la modélisation numérique qui comprend les méthodes par circuits électriques couplés et méthodes par éléments finis. Des défauts ont été créés au rotor et au stator sur différentes machines, afin de valider expérimentalement les méthodes de diagnostic proposées. / The work described in this thesis proposes new procedures to diagnose faults in AC machines. The diagnostic procedures described are reliable, original, inexpensive and simple to implement. They have the advantage of being noninvasive and just get rid from the main drawback presented by other diagnostic methods based on a comparison with a healthy state assumed to be known. The analysis focuses on the magnetic field dispersion in the vicinity of the machine, especially its radial an axial distribution which presents different sensitivity according to various faults. To this end, the phenomena due to inter-turn short-circuit faults in the stator winding, rotor eccentricity and broken rotor bars, are studied in the case of an induction machine and a synchronous machine. For each fault, specific signatures are identified and justified by analytical modeling and numerical method of analysis including coupled electric circuit and finite element methods. Defects have been created in the rotor and stator on different machines in order to validate experimentally the suggested diagnostic procedures.

Les limiteurs de courants de court-circuit supraconducteurs sont des appareillages à fort potentiel pour les réseaux électriques. En effet, ils offrent une limitation efficace dès les premiers instants du court-circuit. On peut qualifier la limitation de "naturelle", c’est-à-dire qu’elle est intrinsèquement liée aux caractéristiques du matériau et ne nécessite pas de commande particulière. Afin de faciliter la conception et l’intégration des limiteurs de courant de court-circuit supraconducteurs résistifs (rSFCL) destinés aux réseaux électriques, il est nécessaire de disposer de modèles de simulation précis. Ces derniers doivent prendre en compte et simuler correctement (et le plus précisément possible) les phénomènes électriques et thermiques du rSFCL en présence de surintensités de courant, qu’il s’agisse d’un court-circuit franc ou d’un phénomène temporaire de plus faible amplitude. Il est difficile d’envisager la planification de l’intégration d’un rSFCL sans passer par des outils numériques qui permettent la simulation d’un tel dispositif dans un réseau électrique en régime transitoire. Il est alors plus facile d’appréhender et de prédire le comportement transitoire du limiteur dans des conditions de stress réalistes, qui peuvent comprendre une grande variété de surintensités, tant en durée qu’en amplitude. Néanmoins, les rSFCL sont des dispositifs fortement non-linéaires caractérisés par un couplage électrique et thermique très fort. L’implémentation d’un tel modèle dans un logiciel de simulation de type “circuits électriques” en régime transitoire présente un certain défi. Bien que des modèles de rSFCL existent déjà, des améliorations doivent être apportées pour prendre en compte i) l’ensemble des phénomènes physiques liés à la limitation (thermiques et électriques), ii) les propriétés géométriques des rubans supraconducteurs utilisés et iii) la possibilité de réaliser des études globales (impact du limiteur sur le réseau) et iv) l’influence de l’architecture du ruban en présence de phénomènes locaux (points chauds). Cette thèse se concentre donc sur le développement d’un modèle de rSFCL basé sur des rubans supraconducteurs de deuxième génération. Ce modèle est développé dans le logiciel EMTP-RV, qui est un outil utilisé par un grand nombre de compagnies d’électricité dans le monde. Le modèle proposé dans cette thèse repose sur une analogie qui fait le lien entre les phénomènes électriques et thermiques, et qui permet une modélisation entièrement basée sur des éléments de circuits électriques. Le modèle permet de prendre également en compte les propriétés non linéaires des matériaux, tant au niveau électrique qu’au niveau thermique, avec l’utilisation de dipôles non-linéaires. Le modèle a été développé pour offrir un niveau de généricité intéressant pour la modélisation des rubans supraconducteurs. Il permet un fonctionnement avec une excitation AC ou DC en tension ou en courant et tient compte de la non-uniformité de courant critique, qui est typiquement observée dans la longueur des rubans disponibles commercialement. Il est également possible de représenter des variantes d’architectures (géométries et matériaux), avec une souplesse de modélisation qui est basée sur un assemblage de blocs “élémentaires” dont les dimensions peuvent être différentes. Cela permet alors d’évaluer, dans une même simulation, l’architecture du limiteur à une échelle submillimétrique (points chauds) et à une échelle “systémique”, tel que le comportement de plusieurs centaines de mètres de ruban. Des comparaisons ont permis de vérifier que le modèle circuit avait un comportement similaire à son équivalent en éléments finis, seulement si la taille des éléments électrothermiques de base (dans EMTP-RV) est adéquate. Le modèle équivalent circuit permet de réaliser des simulations de différentes architectures de rubans supraconducteurs, avec ou sans résistance d’interface, entre les couches tampons et la couche de (RE)BCO par exemple [...] / Superconducting fault current limiters (SFCL) are a promising technology for power systems, i.e. they provide efficient current limitation from the very beginning of the fault without requiring any control system. In fact, the current limiting characteristics are directly connected to the physical properties of superconducting materials. There is a need for accurate models to help designing resistive-type SFCLs (rSFCL) and planning their integration into electrical networks. Such models have to take into account the physics involved for simulating (as accurately as possible) the electrical and thermal behaviours for a wide range of fault conditions, i.e. high and low short-circuit currents that can be of various durations. It is difficult to see how the planning and integration of SFCLs can be realized without using numerical tools, especially tools that allow realizing power system transient simulations, such as EMTP-RV. In fact, such software packages support engineers in predicting the behaviour of SFCLs in realistic network conditions, which may comprise a wide variety of overcurrent or fault situations. However, rSFCLs exhibit highly non-linear behaviours with a strong coupling between thermal and electrical phenomena. The implementation of such a model in power systems simulation tools is therefore challenging. Although some models have been already developed over the years, improvements are needed to take into account i) all the phenomena linked to the current limitation (electrical and thermal), ii) geometric properties of superconducting tapes that are used in rSFCLs, and iii) the possibility to perform simulations at the system level, and iv) the influence of the tape architecture in relationship to local phenomena (hot spots). This thesis hence focuses on the development of a models for resistive-type SFCLs based on second generation high temperature superconducting coated conductors (2G HTS CCs), i.e. (RE)BCO tapes. The models are implemented in EMTP-RV, a tool that is used by many utilities around the world. However, the modeling technique can be adapted to other simulation tools as well. The model proposed in this thesis is based on an electro-thermal analogy, which allows modeling thermal effects with non-linear electrical circuit elements such as resistors and capacitors. The model has been developed with the aim of providing flexibility. Hence, it can be used with an AC or DC excitation, and can also take into account non-uniformity in critical critical current density typically observed along length of the conductors (i.e. tapes). It also allows modeling virtually any tape architecture using modular and flexible electrical and thermal basic building blocks that can be different in size. This in turn also allows modeling SFCLs with different level of discretization, i.e. from hot spot modeling with local heat transfer to several meters of (RE)BCO tape. It therefore becomes possible to analyze in the same simulation phenomena happening at the sub-millimetric scale, such as hot-spot phenomena, and at the system-scale, such as the impact on the network of several hundred meters of superconducting tape. In order to validate the EMTP-RV circuit model, comparisons with results obtained with finite elements have been carried out. A similar behavior could be observed, as long as the discretization size of the electro-thermal elements were appropriate. The EMTP-RV circuit model allows performing optimizations of the tape architecture for various thicknesses of stabilizer, in presence or not of an interfacial resistance layer, e.g. between the superconductor and the substrate. While the circuit model was developed to allow representing heat transfer and current distribution in 3D, simulations are still limited to 2D cases because the size of the nodal matrix is otherwise exceeded in EMTP-RV. Simulation results also show that neglecting heat transfer along the thickness of the tape can be risky, [...]