Cette thèse s'intéresse au transformateur de puissance qui constitue l'élément central de toute alimentation à découpage. La recherche s'articule selon deux axes: l'analyse des champs et le calcul des pertes cuivre d'une part, et la modélisation par schéma équivalent (en vue de réaliser des simulations électriques du convertisseur) d'autre part. Selon le premier axe de recherche, l'idée est d'utiliser un logiciel de simulation de champs électromagnétiques par éléments finis pour analyser les champs en deux et en trois dimensions dans le transformateur. Outre une compréhension globale de la répartition des champs, on cherche à analyser finement les pertes cuivre générées dans les enroulements. Aux fréquences utilisées dans les alimentations actuelles (typiquement quelques centaines de kilohertz), la densité de courant se répartit en effet de manière non uniforme dans les conducteurs suite aux effets quasi statiques (effet pelliculaire et effet de proximité). Les pertes cuivre doivent donc être calculées avec des outils spécifiques qui en tiennent compte. Or les modèles analytiques classiquement utilisés dans ce but (formules de Dowell et apparentées) reposent sur une analyse unidimensionnelle du transformateur, suivant une hypothèse dont la portée est mal connue et mise en cause par plusieurs auteurs. Grâce aux simulations par éléments finis, la thèse dresse un inventaire inédit des effets quasi¬statiques 2D et 3D dans les enroulements. Les différents effets sont expliqués physiquement. La fiabilité des méthodes 1D est analysée et l'erreur commise par celles ci est quantifiée suivant le type d'enroulement et la fréquence. Trois méthodes alternatives de calcul des pertes en deux dimensions sont également analysées et critiquées. Pour un type précis d'enroulement (une couche de ruban entre une valeur nulle et une valeur maximale de la force magnétomotrice), une "formule semi empirique" est encore développée. Celle-¬ci rassemble en une seule expression un grand nombre de simulations couvrant toutes les situations géométriques envisageables pour le type d'enroulement considéré. On crée ainsi un outil sans équivalent actuellement, qui allie la rapidité des méthodes 1D à la précision des simulations 2D. La formule semi empirique offre de nombreux avantages pour les concepteurs, dont une forme analytique particulière et la possibilité de réaliser des études paramétriques. D'autre part, la thèse montre également que le "facteur de remplissage", notion présente dans la plupart des formules unidimensionnelles de calcul des pertes cuivre, résulte d'une erreur dans l'article de base de Dowell et se révèle donc sans fondement théorique. Ce facteur garde néanmoins une utilité pratique par le fait qu'il reproduit fortuitement certains effets 2D. Selon le second axe de recherche, la modélisation, divers schémas équivalents sont analysés. Compte tenu du fait que les transformateurs utilisés dans les alimentations à découpage comprennent généralement plusieurs sorties et voient des formes d'onde fortement chargées en harmoniques, deux types de schémas particuliers sont retenus: le schéma "Coupled Choke Secondaries" (schéma CCS) et les schémas du Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble (schémas LEG). Le schéma CCS est validé sur un transformateur réel et implémenté dans une application conviviale.

As the world moves towards a cleaner and greener future, electrical machines for various industrial purposes and transport applications have gained a lot of attention. Permanent magnet synchronous machines (PMSMs) are usually the solution for electric vehicle (EV) applications thanks to their high efficiency, compactness and high-power density. On the downside, although the price of rare-earth materials has recovered close to historical levels, concerns still remain and the questions on the environmental sustainability of these materials have also been raised, which has encouraged the researchers to consider rare-earth-free machines.The switched reluctance machine (SRM) is one of the competitive alternatives, thanks to the simple and robust construction, high reliability and inherent fault tolerance capability. However, it has a bad reputation when it comes to torque ripple and acoustic noise. And the highly nonlinear characteristic brings much difficulty to routine design purposes and machine optimisation.Therefore, some of the above mentioned problems are addressed - a torque-ripple-reduction, reliable and low-cost system of SRMs is presented in this thesis. Firstly from the modelling point of view, a combined magnetic equivalent circuit (MEC) and finite element (FE) model of SRMs is developed for fast characterization the nonlinear behavior. Secondly from the control point of view, various torque-ripple reduction techniques are implemented and compared. Moreover, a minimal current sensing strategy with enhanced fault-detection capability is proposed and validated experimentally. It requires two current sensors, to replace the phase current sensors, with no additional devices for fault detection, to achieve a more compact and low-cost drive. Finally from the reliability point of view, an interturn short-circuit fault detection method and a rotor position estimation approach are investigated and validated experimentally, which leads to a more reliable system. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

In this thesis the integration of photovolatic (PV) generation and energy storage into the electrical grid is discussed. Although the studied system is for grid tied applications, here the integration of the PV generation and the energy storage system (ESS) on the DC-side of the system is addressed. The work contained in this thesis focuses on the integration of the DC-working parts before interfacing them with the grid through the use of an inverter and seeks an increasing in the energy that the system can deliver.First, a study of classical systems that present well-differentiated parts is presented: PV generation, a lithium-ion battery based ESS, the utility grid and a residential electricity consumer. PV installations of 3 and 10kWp are considered together with storage capacities ranging from 1 to 9kWh. This yields interesting insights on how the system works based on the timing of the generation and consumption of energy. The results are used to highlight the weaknesses of the selected converter arrangement for the interfacing of the PV source and the ESS. Results show that the system is rather stiff and lacks from conversion efficiency when it needs to work in a wide range of powers, mainly due to low consumer power demand during battery discharge. In this first part of the thesis, three solutions to workaround the efficiency problem are proposed: reducing the difference between the ESS and the DC-bus voltages, using isolated converters to interface the ESS, or adopting a new arrangement of the parts of the system. One of the first two proposed solutions should be adopted if the same system topology is to be kept. These two solutions address the efficiency problem when the ESS is involved in the energy conversion. The third solution is proposed as alternative to the classical systems that use a DC-bus to exchange power with the different parts of the system. The new proposed arrangement features a distributed maximum power point (DMPPT) type system that includes storage at module level. DMPPT systems are able to track the maximum power point (MPPT) of each panel separately by connecting a small power electronic converter (PEC) to each PV panel. They are specially useful when the PV installation receives uneven irradiance, i.e. shadows are present in some of the panels, increasing the annual yield of PV energy from 7 to 30% as reported in the literature. Unfortunately, this kind of systems cannot always handle high irradiance mismatches, and fail to track the maximum power point (MPP) throughout the whole installation in some cases. Including batteries at module level instead of connecting them to the DC-bus, allows for increasing the MPPT range of the system, virtually to any severity of irradiance mismatch (depending on the state of charge (SoC) of the battery pack), as well as adding storage capability to the system. The novel proposed system is able to workaround the problems of using non-isolated converters, achieving PV energy conversion efficiencies from 86% (for at least 10% of the peak power) to 90% and storage charge/discharge efficiencies ranging from 86% to 95%. Besides, it brings the opportunity to exploit the synergies of having storage at module level in systems that combine renewable energies and storage. Moreover, DMPPT systems achieve superior PV generation under partially shaded conditions when compared to classical PV arrays increasing the PV generation when compared to classical or centralized PV installations up to 45% in power as reported in the literature.In the second part of the thesis, the proposed novel DMPPT topology is presented. The whole system is fully designed from scratch, including PECs, sizing of the different parts of the modules, embedded control loops of the modules and supervisory control of the whole system. Finally, the results obtained from running the proposed system are shown and discussed, and suggestions given on how to operate and protect the system. Experimental results are obtained using a 1.5kWp PV power and 1.5kWh capacity test bench built for that purpose.The proposed system is able to generate PV energy, store the energy coming from PV generation and inject the generated and stored energy into the grid. The proposed system extends the MPPT capability of storage-less series-connected DMPPT systems. This is achieved by using the batteries not only to store energy when required, but also to compensate the power mismatch across DMPPT modules of the same string when the output voltage of the modules becomes a limit. It also presents a modular and upgradable approach to PV systems including storage. This modularity also brings fault tolerance, and an ability to continue working after failure of one or more of the DMPPT modules by partially or completely isolating the faulty module (depending on the nature of the fault). Moreover, the addition of the DC-DC converters allows for the use of different PV panels in the system, i.e. from different manufacturers or technologies.In conclusion, the presented system is very flexible, can be designed for a wide range of power levels and energy storage sizes, and presents improved reliability when compared to other series-connected DMPPT systems. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Designing a new power electronic conversion system is a multi-step process that requires the R\&D team(s) to go through an extended prototyping phase whose goal is to validate the design in its nominal state, as well as to test its behavior when it is subjected to abnormal conditions. To properly and safely validate all devices that are external to the power stage itself, such as the controllers and the protection systems, one of the best-suited device is a real-time emulator of the converter circuit, a platform that obeys the same mathematical laws and produces the same signals as the original device withoutactually realizing the power conversion. Unfortunately, these models are often based on analog solvers which are difficult to build, must be redesigned for each modification and are subject to drift and aging. While multiple digital real-time emulators have appeared on the market in the last decades, they typically require powerful and expensive computing platforms to perform their calculations or are not generic enough to emulate the more complex power circuits. In this work, we present a new framework that allows the rapid prototyping of a wide range of power converters by translating a power converter schematic drawn on a computer to a real-time equivalent set of equations which is processed by an FPGA with an emulation time-step of less than one microsecond. Contrary to the previously published works, our tools enable the use of entry-level FPGAs even for the emulation circuits composed of twenty switches or more. This framework takes the form of a tool-chain that starts by extracting the necessary information and a standard description from the initial circuit. However, due to the intricate ways in which the switches and diodes can change their state, this raw information is too complex to be processed and emulated directly.Our first major contribution to the state of the art is a way to automatically analyze these changes in order to reduce the complexity of the problem as much as possible while keeping all the necessary information intact. In this thesis, we develop two tools that are able to find all possible changes in the state of the switches that may appear in the immediate future, thereby reducing the quantity of information required to emulate the circuit. Thanks to the global optimization provided by our tools, simulating a typical AC-to-DC converter composed of 12 switches could require 80\% less resources when compared to existing emulators.To enable the emulation or large power converters, we have created a partitioning method which divides the circuit in multiple sub-circuits which are analyzed and optimized separately. The performances of this partitioning are demonstrated by the emulation of a three-phase three-level converter with a relative error of a less that 5% on the signals.To handle our new framework, a dedicated digital platform has been developed. In order to provide the best results even on small FPGAs, particular attention is given to the low resources usage and the low latency of our design. Through multiple examples, we show that this inexpensive real-time emulation platform is able to accurately emulate many circuits in open- or closed-loop operation with a sampling rate higher than 1 MHz / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse s'intéresse au transformateur de puissance qui constitue l'élément central de toute alimentation à découpage. La recherche s'articule selon deux axes: l'analyse des champs et le calcul des pertes cuivre d'une part, et la modélisation par schéma équivalent (en vue de réaliser des simulations électriques du convertisseur) d'autre part.<p><p>Selon le premier axe de recherche, l'idée est d'utiliser un logiciel de simulation de champs électromagnétiques par éléments finis pour analyser les champs en deux et en trois dimensions dans le transformateur. Outre une compréhension globale de la répartition des champs, on cherche à analyser finement les pertes cuivre générées dans les enroulements.<p><p>Aux fréquences utilisées dans les alimentations actuelles (typiquement quelques centaines de kilohertz), la densité de courant se répartit en effet de manière non uniforme dans les conducteurs suite aux effets quasi statiques (effet pelliculaire et effet de proximité). Les pertes cuivre doivent donc être calculées avec des outils spécifiques qui en tiennent compte. Or les modèles analytiques classiquement utilisés dans ce but (formules de Dowell et apparentées) reposent sur une analyse unidimensionnelle du transformateur, suivant une hypothèse dont la portée est mal connue et mise en cause par plusieurs auteurs.<p><p>Grâce aux simulations par éléments finis, la thèse dresse un inventaire inédit des effets quasi¬statiques 2D et 3D dans les enroulements. Les différents effets sont expliqués physiquement. La fiabilité des méthodes 1D est analysée et l'erreur commise par celles ci est quantifiée suivant le type d'enroulement et la fréquence. Trois méthodes alternatives de calcul des pertes en deux dimensions sont également analysées et critiquées.<p><p>Pour un type précis d'enroulement (une couche de ruban entre une valeur nulle et une valeur maximale de la force magnétomotrice), une "formule semi empirique" est encore développée. Celle-¬ci rassemble en une seule expression un grand nombre de simulations couvrant toutes les situations géométriques envisageables pour le type d'enroulement considéré. On crée ainsi un outil sans équivalent actuellement, qui allie la rapidité des méthodes 1D à la précision des simulations 2D. La formule semi empirique offre de nombreux avantages pour les concepteurs, dont une forme analytique particulière et la possibilité de réaliser des études paramétriques.<p><p>D'autre part, la thèse montre également que le "facteur de remplissage", notion présente dans la plupart des formules unidimensionnelles de calcul des pertes cuivre, résulte d'une erreur dans l'article de base de Dowell et se révèle donc sans fondement théorique. Ce facteur garde néanmoins une utilité pratique par le fait qu'il reproduit fortuitement certains effets 2D.<p><p>Selon le second axe de recherche, la modélisation, divers schémas équivalents sont analysés. Compte tenu du fait que les transformateurs utilisés dans les alimentations à découpage comprennent généralement plusieurs sorties et voient des formes d'onde fortement chargées en harmoniques, deux types de schémas particuliers sont retenus: le schéma "Coupled Choke Secondaries" (schéma CCS) et les schémas du Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble (schémas LEG). Le schéma CCS est validé sur un transformateur réel et implémenté dans une application conviviale.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished