Dans cette étude, une méthodologie analytique est présentée pour dimensionner les machines fonctionnant sur cycle pour les applications de véhicules électriques. Les objectifs sont de minimiser simultanément les énergies perdues sur cycle et le volume de machines synchrones à aimants permanents (PMSM) non saillants à grande vitesse en considérant tous les points de fonctionnement du cycle de conduite. La méthode permet d'optimiser à la fois la géométrie de la machine et la stratégie de commande (via l'angle d’autopilotage et la force magnétomotrice). Les valeurs de l'angle d’autopilotage sont optimisées pour réduire les pertes totales (pertes cuivre et pertes fer) pendant le cycle de conduite. On montre comment le mode de défluxage réduit à la fois les pertes moyennes sur cycle dans la machine et les contraintes sur le convertisseur de puissance. La performance de la machine optimisée est validée pour tous les points du cycle de conduite à l’aide d'un réseau de réluctances. Ce modèle permet de prendre en compte le mouvement du rotor, les flux de fuites et la réaction de l'induit. De plus, il permet également de modéliser le couplage entre le moteur et son système d'alimentation, composé du convertisseur de puissance et de la commande. Cela permet d'étudier l'influence des différentes stratégies de commandes telles que la commande en pleine onde ou par modulation de largeur d'impulsion (MLI) sur les performances du moteur. Un dimensionnement optimal est réalisé pour un véhicule urbain sur le cycle Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS). / In this study, an analytical method is presented to size the machines working over a driving cycle for electrical vehicle applications. The objectives are to simultaneously minimize the energy losses over the cycle and the volume of high-speed non-salient Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM) considering all working points of a driving cycle. The method allows optimizing both the geometry of the machine and the control strategy (via the torque angle and the magnetic force). The values of the torque angle are optimized to reduce the energy losses during the driving cycle. It is shown how flux-weakening reduces both the constraints on the energy losses in the machine and the power converter. The performance of the optimal designed machine is validated at all working points of the driving cycle by means of a reluctance network model. This model allows taking into account the movement of the rotor, the flux leakage, the armature reaction. In addition, it permits to model the coupling between the motor and its power supply system composed of a power converter and its command. The model allows studying the influence of different control strategies such as the full wave operation or the Pulse Width Modulation (PWM) on the performance of the motor. A study is carried out for the Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS) and an urban vehicle.

La topologie onduleur à six bras associé à une machine triphasée à phases indépendantes a la propriété de d'offrir, dans le cadre applicatif de l'automobile, une double fonctionnalité, traction et chargeur forte puissance. Cet avantage nécessite, par contre, le contrôle des composantes homopolaires classiquement nulles lors de la présence d'un couplage en étoile. Cette thèse propose alors, d'une part une étude et une modélisation des onduleurs multi-bras et, d'autre part, développe des stratégies de contrôle-commande adaptées à la présence des grandeurs homopolaires. Les algorithmes de commande classiques de l'onduleur sont comparés et une stratégie vectorielle originale, dite Z-SVM permettant d'annuler le courant homopolaire haute fréquence, est développée. Enfin, il est montré comment la gestion des composantes homopolaires aux valeurs moyennes permet d'accroître les performances de l'ensemble à faible comme à haute vitesse, en jouant sur les zones avant et après défluxage des caractéristiques couple-vitesse. Les solutions proposées sont validées sur un banc expérimental composé d'une machine prototype spécialement développée pour une application automobile et alimentée par un onduleur six-bras commandé par des composants de type FPGA. Les stratégies proposées sont comparées en termes de performances et de complexité algorithmique.

L'objectif de la thèse est la conception d'une machine électrique dédiée à des applications Mild-Hybrid. En assurant certaines fonctionnalités, cette machine permet de réduire la consommation de carburant dans le véhicule et par conséquent réduire la quantité des gaz rejetés. Les contraintes exigées par un tel domaine à la fois pour le couple et la puissance nous amène à étudier les machines synchrone polyphasée à aimants avec un bobinage concentré autour des dents. Cette technologie de bobinage permet d'obtenir des machines de rendement élevé qui sont faciles à fabriquer, réparer et recycler, mais avec un certain niveau d'effets parasites. Afin de trouver un compromis entre ces effets et la capacité à fournir de couple, la thèse concerne l'étude des topologies de bobinage à pas dentaire avec différentes combinaisons Encoches/Pôles. Un modèle analytique constituant un outil permettant de comparer les pertes d'aimants entre les différentes combinaisons est développé. De nombreuses configurations sont comparées afin de faire le choix le plus adéquat pour minimiser les effets parasites. Les topologies rotoriques qui permettent à la machine de présenter une large plage de vitesse sont examinées, mais en tenant compte également de la nécessité de protéger leurs aimants contre des harmoniques nocifs de FMM. Enfin, l'exploitation du degré de liberté offert par une structure à 5 phases est abordée montrant que, le couple peut être significativement boosté en modifiant la structure de rotor. La cohérence de toutes les études analytiques menées dans la thèse est corroborée par des modèles en éléments finis et des mesures effectuées sur un prototype.

Le travail présenté dans cette thèse a pour objectif d'apporter une contribution aux méthodes de commande et d'observation des machines asynchrones destinées à la traction électrique. Dans ce contexte, plusieurs algorithmes ont été développés et implémentés. Après une présentation rapide de la commande vectorielle classique, de nouvelles approches de commande non linéaire sont proposées : il s'agit plus précisément de la commande backstepping classique et sa variante avec action intégrale. Une deuxième partie est consacrée à l'observation et à l'estimation des paramètres et des états de la machine, basée sur des structures MRAS-modes glissants d'une part et sur des structures de filtrage synchrone d'autre part. Une analyse détaillée du problème de fonctionnement à basse vitesse nous a conduit à proposer une solution originale dans le cadre d'une commande sans capteur mécanique. Le problème de la dégradation du couple en survitesse a été traité par un algorithme de défluxage basé sur la conception d'un contrôleur de tension. Enfin, nous avons proposé un algorithme d'optimisation afin de minimiser les pertes dans l'ensemble Onduleur-Machine

La topologie onduleur à six bras associé à une machine triphasée à phases indépendantes a la propriété de d'offrir, dans le cadre applicatif de l'automobile, une double fonctionnalité, traction et chargeur forte puissance. Cet avantage nécessite, par contre, le contrôle des composantes homopolaires classiquement nulles lors de la présence d'un couplage en étoile. Cette thèse propose alors, d'une part une étude et une modélisation des onduleurs multi-bras et, d'autre part, développe des stratégies de contrôle-commande adaptées à la présence des grandeurs homopolaires. Les algorithmes de commande classiques de l'onduleur sont comparés et une stratégie vectorielle originale, dite Z-SVM permettant d'annuler le courant homopolaire haute fréquence, est développée. Enfin, il est montré comment la gestion des composantes homopolaires aux valeurs moyennes permet d'accroître les performances de l'ensemble à faible comme à haute vitesse, en jouant sur les zones avant et après défluxage des caractéristiques couple-vitesse. Les solutions proposées sont validées sur un banc expérimental composé d'une machine prototype spécialement développée pour une application automobile et alimentée par un onduleur six-bras commandé par des composants de type FPGA. Les stratégies proposées sont comparées en termes de performances et de complexité algorithmique. / For an automotive application, a six leg-VSI connected to a three-phase open-end winding machine has the ability to offer a dual-function. In this case, an additional zero-sequence component, usually absent when a star-coupling is used, needs to be controlled. Firstly, a study, modeling and control of a multi-leg inverter are proposed. Secondly, control structures capable of handling the presence of zero-sequence components are investigated. The conventional control algorithms applied to the inverter are analyzed and an original vector control strategy, called Z-SVM, capable to cancel the high frequency zero-sequence current is developed. Finally, it is shown how the management of the zero-sequence components enhances the performance of the drive at low as well as at high-speed, corresponding on the areas of the torque-speed characteristics before and after flux weakening. The proposed solutions are validated on an experimental test bench consisting of a machine prototype especially developed for automotive application and powered by a six-leg inverter controlled by an FPGA-based device. The proposed strategies are compared in terms of performance and computational complexity.

L'objectif de la thèse est la conception d'une machine électrique dédiée à des applications Mild-Hybrid. En assurant certaines fonctionnalités, cette machine permet de réduire la consommation de carburant dans le véhicule et par conséquent réduire la quantité des gaz rejetés. Les contraintes exigées par un tel domaine à la fois pour le couple et la puissance nous amène à étudier les machines synchrone polyphasée à aimants avec un bobinage concentré autour des dents. Cette technologie de bobinage permet d'obtenir des machines de rendement élevé qui sont faciles à fabriquer, réparer et recycler, mais avec un certain niveau d'effets parasites. Afin de trouver un compromis entre ces effets et la capacité à fournir de couple, la thèse concerne l'étude des topologies de bobinage à pas dentaire avec différentes combinaisons Encoches/Pôles. Un modèle analytique constituant un outil permettant de comparer les pertes d'aimants entre les différentes combinaisons est développé. De nombreuses configurations sont comparées afin de faire le choix le plus adéquat pour minimiser les effets parasites. Les topologies rotoriques qui permettent à la machine de présenter une large plage de vitesse sont examinées, mais en tenant compte également de la nécessité de protéger leurs aimants contre des harmoniques nocifs de FMM. Enfin, l'exploitation du degré de liberté offert par une structure à 5 phases est abordée montrant que, le couple peut être significativement boosté en modifiant la structure de rotor. La cohérence de toutes les études analytiques menées dans la thèse est corroborée par des modèles en éléments finis et des mesures effectuées sur un prototype. / The aim of this thesis is to design an electrical machine dedicated for Mild-Hybrid applications. By providing certain functionalities, this machine can reduce fuel consumption in the vehicle and therefore reduce the amount of released gases. The challenges imposed by such application on both torque and power lead us to study the multiphase PM machines with concentrated windings. This windings technology provides efficient machines which are easy to manufacture, repair and recycle, but accompanied with a certain level of parasitic effects. In order to find a compromise between these effects and the ability to provide torque, the thesis concerns the study of winding topologies with different Slots/Poles combinations. An analytical model constituting a tool to compare magnet losses between various combinations is developed. Many configurations are compared in order to make the most appropriate choice which minimizes parasitic effects. The rotor topologies that allow the machine to provide a wide speed range are examined, taking into account their role in magnets protection against MMF harmful harmonics. Finally, the exploitation of freedom degree offered by a 5-phases structure is discussed, showing that the torque can be significantly boosted by modifying the rotor structure. The consistency of all analytical studies presented in the thesis is corroborated by finite element models and a prototype measurement.

Les travaux de recherche présentés dans ce document portent sur le dimensionnement de machines synchrones pour des applications de véhicules hybrides. L'utilisation de la machine électrique au sein du véhicule hybride est caractérisée par des appels de puissance de courtes durées. Cette thèse propose donc une stratégie de dimensionnement permettant de minimiser considérablement le volume de l'actionneur par la prise en compte des limites thermiques réelles lors du cycle de conduite. La stratégie de dimensionnement est composée de deux étapes. La première étape est l'optimisation du dimensionnement de l'actionneur à partir des points de fonctionnement du cycle. Nous autorisons des niveaux d'induction dans le fer élevés et des niveaux de densité de courant dans les conducteurs dépassant les niveaux habituellement autorisés pour un fonctionnement en régime permanent thermique. Ces deux points ont un impact réel sur le volume de la machine. Cela-dit, à ce stade, la thermique de la machine n'est prise en compte qu'indirectement en fixant une densité de courant dans les conducteurs. La seconde étape permet alors de vérifier la thermique par une simulation sur cycle pour ensuite réajuster si besoin la densité de courant et reprendre la première étape d'optimisation de la machine. Des modèles adaptés au processus d'optimisation ont alors été mis en place et offrent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision requise. Par conséquent, un modèle magnétique prenant en compte la saturation croisée dans la machine utilisant la méthode nodale a été développé ; un modèle permettant une meilleure prise en compte des pertes fer notamment dans le zone de défluxage a également été développé ainsi qu'un modèle thermique en transitoire utilisant également la méthode nodale. Le modèle thermique étant la clé de la stratégie de dimensionnement, une grande attention y a été portée. Ce modèle permet de prendre en compte la direction des flux dans les trois dimensions et fournit de bonnes estimations des températures dans la machine notamment aux endroits les plus chauds comme les encoches et les têtes de bobines. Ces résultats ont été corroborés par des essais expérimentaux réalisés dans les bancs IFPEN sur une machine spécialement instrumentée en thermocouples. Cela a permis de valider le comportement thermique en régime permanent thermique et en régime transitoire thermique. Ces modèles ont ensuite été implantés dans une modélisation multi-physique pour l'outil d'optimisation et pour l'outil de simulation. Une étude de cas a été présentée pour un véhicule hybride Kangoo où la machine doit pouvoir assurer son fonctionnement pour un cycle Artémis urbain. Les résultats de la stratégie de dimensionnement permettent alors de conclure que sur cycle, le volume extérieur des parties actives de la machine électrique peut-être réduit de 40 % par rapport à un dimensionnement établi par les règles de l'art en régime permanent. De plus, la réduction du volume de fer dans la machine induit également une réduction des pertes fer ce qui nous permet de conclure que, toujours sur cycle, son rendement moyen reste élevé.

Ces travaux de thèse concernent l’étude de l’ensemble de la chaîne de puissance d’un système hydrolien utilisant des systèmes de stockage d’énergie pour améliorer la qualité de la puissance produite et la capacité de gestion des échanges d’énergie. Dans un premier temps, les différentes technologies de stockage d’énergie et leurs applications pour lisser les fluctuations de la puissance produite par le système hydrolien sont étudiées et comparées. Ensuite, une stratégie de lissage des fluctuations de la puissance, dues à l’effet de houle (fluctuations de courte durée), est proposée : elle associe une stratégie MPPT avec filtrage (au niveau de la génératrice) à l’utilisation de supercondensateurs pour lisser la puissance injectée au réseau. Puis il est proposé d’utiliser des batteries à circulation d’électrolyte pour la gestion quotidienne de la puissance d’une hydrolienne dans le contexte d’un réseau électrique isolé. Un système hybride hydrolien/batteries/diesel est étudié pour deux configurations simples : le cas d’une alimentation avec une hydrolienne comme sources principales et le cas où les générateurs diesels sont considérés comme sources dominantes. Enfin, des stratégies de limitation de puissance basées sur le défluxage de la génératrice pour contrôler la puissance de l’hydrolienne dans le cas de vitesses de courants marins élevées sont proposées. Dans ce contexte, le contrôle à puissance constante et à puissance maximale en cours de défluxage sont comparés. L’influence des paramètres de la génératrice sur les caractéristiques de fonctionnement commun de la turbine et la génératrice est également étudiée. / This PhD thesis models the whole power chain of a marine current turbine (MCT) system and investigates the use of energy storage devices to improve power quality and energy management capability. First, various energy storage technologies concerning their applications to address the power fluctuation phenomena in tidal current generation system are reviewed and compared. Then, a two-stage power smoothing control strategy for compensating swell-induced short-time fluctuations is proposed. The proposed control strategy uses a modified MPPT with filter strategy on the generator-side and supercapacitors on the grid-side for injecting a smoothed power to the grid. Afterwards, a flow battery system for daily energy management of a hybrid MCT/battery/diesel system is proposed. The MCT dominant power supply case and an island power supply (with diesel generators as the main source) are investigated. Finally, power limitation controls with a robust flux-weakening strategy for a PMSG-based non-pitchable MCT system are proposed for over-rated marine current speed periods. In this context, the constant power control and maximum power control modes at the flux-weakening stage are compared; and the influence of the generator parameters on the joint operating characteristics of the turbine and generator are also discussed.

Le travail présenté dans cette thèse a pour objectif d'apporter une contribution aux méthodes de commande et d'observation des machines asynchrones destinées à la traction électrique. Dans ce contexte, plusieurs algorithmes ont été développés et implémentés. Après une présentation rapide de la commande vectorielle classique, de nouvelles approches de commande non linéaire sont proposées : il s'agit plus précisément de la commande backstepping classique et sa variante avec action intégrale. Une deuxième partie est consacrée à l'observation et à l'estimation des paramètres et des états de la machine, basée sur des structures MRAS-modes glissants d'une part et sur des structures de filtrage synchrone d'autre part. Une analyse détaillée du problème de fonctionnement à basse vitesse nous a conduit à proposer une solution originale dans le cadre d'une commande sans capteur mécanique. Le problème de la dégradation du couple en survitesse a été traité par un algorithme de défluxage basé sur la conception d'un contrôleur de tension. Enfin, nous avons proposé un algorithme d'optimisation afin de minimiser les pertes dans l'ensemble Onduleur-Machine / The work presented in this thesis aims to contribute to the control and observation of the induction machines for electric traction. Several algorithms have been developed and implemented. After a fast presentation of the classical vector control, new approaches of non-linear control are proposed : the classical backstepping and integral backstepping. A second part deals with the observation and the estimation of parameters and states of the machine, based on MRAS-Sliding Mode structures on one hand and on synchronous filtering structures on the other hand. A detailed analysis of the operation at low speed led us to propose an original solution for a Sensorless control. The torque degradation in field weakening zone was treated by a voltage regulation controller. Finally, we proposed losses minimization algorithm for the Inverter-Machine set

Dans ce travail nous cherchons à développer des algorithmes de commande adaptés au fonctionnement à haute vitesse d’une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) et de son onduleur en optimisant l’efficacité énergétique de l’ensemble. Bien que la vocation soit très large, le domaine de la traction électrique est priorisé. Les MSAP tournant à haute vitesse sont de plus en plus utilisées dans les véhicules électriques en raison de leur forte densité de puissance. La haute vitesse implique une force électromotrice élevée et requiert la réduction du flux (défluxage) dans l’entrefer. Lors d’un fonctionnement de la machine en régime défluxé, si la contribution de l’aimant peut-être totalement compensée alors nous pouvons utiliser une stratégie Maximum Torque Per Volt (MTPV) pour générer les consignes de courant qui respectent les limites électriques théoriques quelle que soit la vitesse de rotation de la machine. En l’absence de boucle de vitesse, le couple de référence doit être limité aux points de fonctionnement atteignables, calculés en fonction des limites de courant (limites onduleur et machine), tension (batterie) et puissance (batterie et partie mécanique). Nous proposons ainsi dans cette thèse de calculer les références de courant avec une stratégie MTPA (Maximum Torque Per Ampere) à basse vitesse et d’utiliser un algorithme de défluxage basé sur une régulation de la norme de la tension associée à une stratégie MTPV à haute vitesse sans commutation d’algorithme mais par une action continue sur la valeur de la saturation de courant. Concernant la boucle de courant nous réalisons une commande numérique dans le repère d-q qui tient compte de la discrétisation, du retard (dû au temps de calcul), et du fort couplage inter-axes à haute vitesse sous des critères de précision, stabilité et rapidité. Nous étudions les stratégies de découplage minimal et de découplage discret avec prédiction de la variation du courant. Les approches par régulateurs avec structure RST et par commande prédictive-optimale sont développées. Une prédiction de la position réelle du rotor est incluse afin de conserver la stabilité à haute vitesse. Finalement nous réalisons une maquette avec une MSAP à échelle réduite sur laquelle nous testons ces stratégies de commande. Nous validons par expérience que l’algorithme proposé dans la thèse est capable de piloter la machine à haute vitesse en respectant les limites électriques et nous vérifions qu’il améliore les performances (couple, vitesse maximale, pertes) obtenues à haute vitesse. / In this work we search to develop control algorithms adapted to the high speed operation of a permanent magnet synchronous motor (PMSM) and its inverter by optimizing the energy efficiency of the set. Although the vocation is very broad, the field of electric traction is prioritized. High speed PMSMs are increasingly used in electrical vehicles because of their high power density. The high speed implies a high electromotive force and requires the reduction of the flux (fluxweakening) in the air gap. When the motor is running in flux-weakening mode, if the contribution of the magnet can be fully compensated then we can use a Maximum Torque Per Volt (MPTV) strategy to generate the current references that meet the theoretical limits regardless of the machine rotation speed. In the absence of a speed loop the reference torque must be limited to the achievable operating points, calculated according to the current limits (inverter and machine limits), voltage (battery) and power (battery and mechanical part). We propose in this thesis to calculate the current reference with Maximum Torque Per Ampere (MTPA) strategy at low speed and to use a flux-weakening algorithm based on a regulation of the voltage norm associated with a MTPV strategy at high speed without switching algorithms but by a continuous action on the value of the current saturation. Concerning the current loop, we carry out a numerical control in the d-q frame which takes into account the discretization, the delay (due to the computation time), and the high inter-axis coupling at high speed under criteria of precision, stability and speed. We study the strategies of minimal decoupling and discrete decoupling with prediction of the variation of the current. The approaches by regulators with RST structure and predictive-optimal control are developed. A prediction of the actual rotor position is included to maintain the stability at high speed. Finally a real model with a reduced scale PMSM is realized on which these control strategies are tested. We validate by experiment that the algorithm proposed in the thesis is able to control the machine at high speed respecting the electrical limits and verify that it improves the performances (torque, maximum speed, losses) obtained at high speed.