Ce manuscrit est consacré à la dépollution des réseaux électriques par les filtres actifs. Dans un premier temps, le filtre actif parallèle triphasé trois fils à structure tension y est étudié théoriquement, par simulation, puis expérimentalement. Une nouvelle stratégie de commande, basée sur la méthode des puissances instantanées et mettant en œuvre des « filtres multi-variables » est étudiée. Trois types de contrôleurs de courant sont envisagés : hystérésis classique, hystérésis modulée et MLI. L’hystérésis modulée est retenue car elle garantit simultanément la robustesse du système et une fréquence de commutation fixe. Un banc expérimental a permis de conforter les résultats obtenus par simulation. Ensuite, le filtre hybride parallèle (FHP) triphasé et l’optimisation de sa commande ont été examinés. L’objectif majeur est d’améliorer les performances de filtrage tout en s’attachant à minimiser la complexité de la commande. Le filtre hybride étudié est constitué d’un filtre actif triphasé à structure tension connecté en série avec un filtre triphasé passif de type LC, accordé sur l’harmonique 7. Nous avons proposé une première modification (commande dite « simplifiée ») de la commande classique dans le référentiel lié au synchronisme en introduisant des « filtres multi-variables » au lieu des filtres d’extraction classiques des deux boucles de contrôle, dites « feedback » et « feedforward ». Cette modification nous a permis de réduire considérablement la complexité de l’algorithme de commande (suppression de la PLL de la boucle « feedforward ») tout en améliorant les performances du filtrage. Ensuite, la PLL de la boucle « feedback » a également été supprimée. Ces optimisations ont conduit à des résultats de simulation très satisfaisants en terme de THD. Une nouvelle commande du filtre hybride à trois bras a également été proposée. La boucle feedforward est alors divisée en deux boucles. La première est destinée à supprimer l’harmonique 5 et l’autre l’harmonique 7 alors que le filtre passif est alors accordé sur l’harmonique 11. Les résultats de simulation obtenus sont très satisfaisants. Pour conclure cette étude théorique, nous avons étudié une nouvelle topologie de filtre hybride basée sur un onduleur triphasé à deux bras avec un condensateur à point milieu. Un flot de conception et d’implantation sur cible FPGA de commandes numériques de systèmes de puissance a été appliqué au cas de la commande dite « simplifiée » du FHP. Chaque étape a été détaillée et validée soit par simulation en mode continu ou en mode discret, soit expérimentalement lors de la programmation finale d’un composant FPGA de type Stratix II de la famille Altera, intégrant l’ensemble de la commande numérique du FHP. / In this thesis, and with the aim to improve the power quality, we have theoretically and experimentally studied two types of filtering, the shunt active power filter and hybrid, passive and active power filter. The modelling and simulation of a parallel active filter with three types of current controllers (MLI, classical hysteresis and modulated hysteresis) are first studied. The behavior of the active filter under transient conditions is also presented. Then, we have experimentally validated the simulation results obtained for the modulated hysteresis. The test bench consists of a parallel active filter, a non-linear load, a digital control system DSPACE (DS1104) and an analog card. Next, we studied by modelling and simulation the hybrid filter. For both cases, the use of multi-variable filter improves the filtering performances. An experimental prototype called "FPGA in the Loop" has been implemented to validate digital control of hybrid filter. In addition, a comparison between the two filters has been realised in order to find the best way to reduce network harmonic currents.

En raison des progrès réalisés dans l’architecture et le contrôle des convertisseurs statique, beaucoup d’applications électrotechniques se comportent comme des dispositifs fonctionnant à puissance constante. Cette propriété conduit à modéliser ces systèmes autour d’un point de fonctionnement par des résistances négatives. Se pose alors un problème de stabilité quand ils sont connectés à des sources d’énergie munies ou non d’une commande. Dans une première partie de la thèse, les différents outils basés sur des spécifications d’impédance sont introduits et appliqués à l’étude des systèmes à puissance distribuée. Deux exemples électrotechniques sont traités ; le premier étudie l’association filtre d’entrée hacheur DC/DC. La seconde traite l’association filtre d’entrée actionneur électromécanique. Dans une second partie de la thèse, pour assurer la stabilité de deux dispositifs électrotechnique mis en cascade, l’auteur propose d’utiliser une commande globale non linéaire permettant d’assurer à la fois la stabilité du système tout en minimisant la taille de ses éléments passifs. Pour assurer un contrôle découplé des différentes sorties ainsi que la stabilité du système, l’auteur utilise une linéarisation de type entrée/sortie. Un régulateur à structure variable de type glissant assure les propriétés de robustesse vis-à-vis des variations paramétriques du système. L’architecture de commande proposée permet alors une diminution significative des éléments de stockage d’énergie dans le système / Because of the high efficiency of the power electronic converters, ideal regulation of their outputs makes the converter appears as a constant power load seen by its front end power stage. So they can be modeled as a negative resistance around an operating point. As a result, when such a converter is connected to a controlled or uncontrolled power source subsystem, the risk of instability has to be unpacked. To study the stability issue taken by such a system, we have detailed in a first step how to prove the local stability of Distributed Power System. The impedance criterions which are used to analysis the stability of cascaded systems are described. These criterions are applied in the case of two power electronics applications. The first one corresponds to a DC/DC switching converter with its input filter. The second one deals with the stability issues of a system constituted by an input filter and an inverter-motor drive system. In the second part of the thesis, a non linear global control of a cascaded power electronic system is investigated in order to ensure the stability of the whole system with a minimization of its passive components. To uncouple the control of all the outputs variables and ensure the system stability, an I/O linearization technique is proposed. Thanks to the use of a sliding controller, the resulting control architecture is robust as regard to parameters variations and allows a significant diminution of the passive component size

Les systèmes électroniques actuels intègrent de plus en plus de fonctionnalités nécessitant l'intégration de capteurs très variés. Ces systèmes hétérogènes sont complexes à intégrer notamment lorsque différentes technologies de fabrication sont nécessaires pour les capteurs.Les technologies de fabrication de MEMS avec un procédé CMOS-FSBM offrent un coût de production réduit et permettent d'intégrer sur un même substrat différents types de capteurs (magnétomètres et accéléromètres notamment). Ce procédé de fabrication implique cependant une détection résistive des capteurs avec tous les problèmes qui lui sont associés (faible sensibilité, offset important, bruit de l'électronique). A travers la réalisation de la première centrale inertielle sur une puce, cette thèse renforce l'intérêt d'une approche « CMOS-MEMS » pour la conception de systèmes multi-capteurs. Le système est basé sur une mesure incomplète du champ magnétique terrestre (axes X et Y) et sur la mesure complète du champ gravitationnel. Une électronique de conditionnement des capteurs performante a été développée adressant les principaux problèmes relatifs à une détection résistive permettant ainsi une optimisation de la résolution de chaque capteur. Enfin, deux algorithmes ont été développés pour la détermination de l'attitude à partir de la mesure des cinq capteurs montrant la faisabilité et l'intérêt d'un tel système. / Current electronic systems integrate more and more applications that require the integration of various kinds of sensors. The integration of such heterogeneous systems is complex especially when sensor fabrication processes differ from one to another. MEMS manufacturing processes based on CMOS-FSBM process promote a low-cost production and allow the integration of various types of sensors on the same die (e.g., magnetometers and accelerometers). However, this manufacturing process requires that sensors make use of resistive transduction with its associated drawbacks (low sensitivity, offset, electronic noise). Through the design and the implementation of the first inertial measurement unit (IMU) on a chip, this thesis demonstrates the interest of a “CMOS-MEMS” approach for the design of multi-sensor systems. The IMU is based on the incomplete measurement of the Earth magnetic field (X and Y axis) and the complete measurement of the gravity. An efficient front-end electronic has been developed addressing the most important issues of resistive transduction and thus allowing an optimization of sensor resolution. Finally, two attitude determination algorithms have been developed from the five sensor measurements showing the feasibility and the interest of such a system.

Un enjeu majeur de l’industrie aéronautique de demain est de concevoir et développer un avion « plus » électrique. En effet, sur un avion de ligne, les principaux systèmes utilisent des types d'énergies différents tels que l'énergie hydraulique ou pneumatique. La tendance actuelle est à la conversion de ces systèmes à l'énergie électrique car elle présente de nombreux avantages et permettrait des économies de masse, d’énergie, et de coûts de maintenance. Avec l’augmentation croissante des systèmes électriques dans l’avion se posent par conséquent des problèmes d’interférences et de compatibilité électromagnétique entre ces différents dispositifs. Par ailleurs ces systèmes électriques sont soumis à des conditions de travail très sévères, notamment des températures extrêmes. Dans le cadre du projet FEMINA (Filtrage Electromagnétiques et Matériaux pour l’INtégration en Aéronautique), l’objectif de notre équipe était d’étudier un filtre électrique soumis à des conditions de températures extrêmes. Ce filtre composé d’éléments passifs (condensateurs et inductances) est destiné à éliminer les interférences provoquées par le convertisseur électrique placé à proximité de la source d’énergie et de chaleur (le propulseur). Dans le cadre de mes travaux de thèse, je me suis intéressé plus particulièrement à l’effet de la température sur le comportement des inductances au travers des matériaux magnétiques qui les composent. J’ai ainsi déterminé les matériaux magnétiques que j’estimais capable de remplir leur rôle de filtrage en hautes températures, puis j’ai élaboré un modèle de comportement magnétique dynamique, tenant compte de l’effet de peau et de l’effet de la température et enfin j’ai testé ce nouveau modèle en l’incluant dans un simulateur circuit, afin de modéliser un filtre de mode commun répondant au cahier des charges de nos partenaires industriels. / A major challenge in the aviation industry is to design and develop “more” electric aircraft. Indeed, the main systems use different types of energy such as hydraulic or pneumatic energy. The current trend is to convert these systems to electric power because it has many advantages and would allow economies of mass, energy and maintenance costs. With the increasing electrical systems in the aircraft, arise problems of interference and electromagnetic compatibility between these systems. Moreover, these power systems are subjected to severe working conditions, including extreme temperatures. As part of the FEMINA project (Filtrage Electromagnétiques et Matériaux pour l‟INtégration en Aéronautique), the goal of our team was to study an EMC filter subjected to extreme temperature conditions. This filter is composed of passive elements (capacitors and inductors) and designed to remove interference caused by electrical converter located close to the source of energy and heat (the propeller). As part of my thesis work, I focused on the effect of temperature on the behavior of inductors through the magnetic materials that compose them. I have thus determined the magnetic materials that I felt able to fulfill their role at high temperatures, then I developed a dynamic model of magnetic behavior, taking into account the skin effect and the effect of temperature and finally I tested this new model by including it in a circuit simulator to model a common mode filter that meets the specifications of our industrial partners.

Cette Thèse aborde le diagnostic des défauts mécaniques des machines électromécaniques par traitement des signaux électriques (courants et tensions) issus des telles machines et reçus sur un ensemble des capteurs, et essayer d'extraire et de séparer les différentes composantes, électriques ou mécaniques, qui existent. Nous procédons par une modélisation de la machine asynchrone et du défaut de roulement pour expliquer le phénomène physique mis en jeu lors de l'apparition de ce type des défauts. Les outils de traitement du signal dédiés à l'analyse cyclostationnaire peuvent apporter de nouvelles solutions. Nous associons ces outils à l'approche classique de soustraction de bruit qui consiste à retrouver dans un signal donné tout ce qui est dû à un autre signal (mécanique → électrique et électrique → mécanique). Pour valider les études faites sur les signaux électriques, nous traitons aussi les signaux vibratoires. Il est nécessaire de suivre l'influence du défaut tout au long de la chaîne cinématique et d'étudier les transferts des variables mécaniques vers les variables électriques au sein de la machine électrique. La modélisation montre que ce transfert passe à travers la vitesse instantanée, il est donc important de vérifier la présence d'information relative au défaut sur celle-ci. Les défauts de roulement sont ciblés et nous proposons quelques moyens permettant l'utilisation de la vitesse instantanée comme indicateur de défaillances.

Cette thèse porte sur la commande d'un photobioréacteur continu pour la culture des microalgues. La modélisation du système et l'identification des paramètres du modèle ont été particulièrement abordées. Les paramètres cinétiques et de transfert de l'énergie lumineuse ont été obtenus à partir des données acquises le long de la phase exponentielle de la culture de Porphyridium purpureum en mode batch sous différentes conditions expérimentales dans un photobioréacteur de 2,5 litres. La concentration en biomasse est la quantité physique la plus importante à réguler. Puisque elle n'est pas toujours facile à mesurer en ligne, un capteur logiciel permettant d'estimer la quantité de biomasse produite à partir des mesures en ligne est proposé. Il s'agit d'un filtre de Kalman étendu (EKF) qui combine le modèle du système avec la mesure de la concentration du carbone inorganique total et d'autres variables physiques (pH, intensité lumineuse,...) afin d'estimer en ligne la concentration de la biomasse. Ce capteur logiciel a été validé expérimentalement en utilisant un nouveau photobioréacteur de 9,6 litres de type colonne à bulles, équipé de plusieurs dispositifs destinés à mettre en place un système de commande et de régulation, et de techniques de mesure permettant d'accéder à l'évolution des principales variables. Plusieurs démarches pour la commande de la culture de microalgues ont été également proposées : commande non-linéaire et linéaire, régulation par PID, commande par modèle générique GMC, commande linéarisante par retour d'état et commande prédictive non-linéaire. Ces différentes commandes ont été mises oeuvre en simulation ce qui nous a permis de choisir les stratégies les plus performantes et de les valider sur le photobioréacteur instrumenté.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne l'élaboration d'une stratégie complète d'identification et de commande neuronale d'un filtre actif parallèle (FAP). L'objectif visé est l'amélioration des performances par rapport aux systèmes classiques de dépollution des installations électriques basse tension. Basée sur l'utilisation des techniques neuromimétiques, notre approche de compensation des harmoniques se fait en trois étapes. Les deux premières étapes identifient respectivement les composantes de la tension et les courants harmoniques à l'aide de réseaux de neurones du type Adaline. La troisième étape injecte les courants harmoniques dans le réseau électrique par un module de commande à base de réseaux de neurones multicouches. Plusieurs architectures neuronales ont été développées et comparées pour chacune des étapes. La structure proposée s'adapte automatiquement aux variations de la charge du réseau et donc aux fluctuations du contenu harmonique des perturbations. Elle permet également la compensation sélective des harmoniques et la correction du facteur de charge. Finalement, ces stratégies ont été validées sur un banc expérimental et leur aptitude à l'intégration matérielle a été testée en simulation.

Ce travail montre que l'introduction de contraintes dans un modèle de connaissances à objets permet d'en accroître à la fois l'expressivité (les contraintes sont des énoncés déclaratifs de relations entre attributs) et les capacités d'inférence (la maintenance et la résolution des contraintes sont chargées de la cohérence et de la complétion des bases de connaissances). Les répercussions de la présence de contraintes au sein d'un tel système sont également étudiées. Les attributs contraints sont désignés à l'aide de la notion d'accès, qui étend la notion classique de chemin au traitement des attributs multivalués (dont la valeur est un ensemble ou une liste de valeurs). Les niveaux de représentation considérés (concept, classe, instance) définissent la portée d'une contrainte comme l'ensemble des objets sur lesquels elle doit être posée, et induisent alors entre eux un héritage de ce trait descriptif. De même, le maintien d'un certain degré de consistance locale sur les domaines des attributs exige une gestion interne de leurs types. Vis-a-vis des mécanismes d'inférence du modèle (instanciation, classification, procédures, etc.), un comportement adapté des contraintes est établi, qui ne remet pas en cause la sémantique de ces mécanismes. Ces principes d'intégration ont été validés dans le modèle de connaissances à objets Tropes. Nous avons réalisé un module de programmation par contraintes, appelé Micro, qui est semi-faiblement couplé à Tropes. Micro répond à de nombreuses exigences de la représentation de connaissances par objets, en gérant la maintenance et la résolution de Problèmes de Satisfaction de Contraintes (CSP) dynamiques, définis sur des variables numériques, booléennes, ou multivaluées, dont les domaines sont finis ou infinis. L'intégration qui a été réalisée autorise, en outre, l'utilisation de la puissance expressive et calculatoire des contraintes par le système de représentation de connaissances lui-même. Ainsi, la présence des contraintes permet d'étendre et de contrôler la sémantique de notions diverses et évoluées comme celles d'objet composite, de tâche, de relation, ou encore de filtre.

Ce mémoire présente la conception et l'utilisation d'un réacteur microstructuré en silicium pour la catalyse hétérogène et en particulier pour la réaction de déshydrogénation du méthylcyclohexane. Cette réaction permet d'une part de restituer de l'hydrogène stocké et d'autre part de réaliser des développements technologiques importants car elle est endothermique et difficile à mettre en œuvre. Ainsi un nouveau microréacteur obtenu par DRIE a été conçu et scellé avec un capot en pyrex. Il intègre des résistances chauffantes déposées par sérigraphie et une connectique métallique « haute température ». Il comprend soit un catalyseur issu de la microtechnologie, film de platine déposé par pulvérisation cathodique soit un catalyseur plus classique, platine supporté sur alumine. Pour ce dernier catalyseur, le microréacteur préalablement préoxydé est prétraité par plasma oxygène ou par voie liquide afin que le dépôt adhère aux parois. L'enduction peut être réalisée en microréacteur ouvert par trempage dans la suspension d'alumine ou en microréacteur fermé sous vide, ou par circulation de liquide. A la suite de tests catalytiques effectués en macroréacteurs, le catalyseur Pt/Al2O3 a été choisi pour être inséré dans le microréacteur. Les tests catalytiques réalisés avec un microréacteur couplé à un spectromètre de masse ont permis de montrer la présence d'hydrogène. En parallèle, le microréacteur a été utilisé en tant que filtre pour améliorer la sélectivité des capteurs de gaz.

Les logiciels d'optimisation constituent une aide au dimensionnement des dispositifs, susceptible d'améliorer la productivité des concepteurs dans l'industrie. Ces logiciels présentent néanmoins certaines limitations, découlant des méthodes d'optimisation utilisées ou liées à la modélisation du dispositif à dimensionner, desquelles il est possible de s'affranchir. Ainsi, l'adjonction à un tel logiciel de méthodes d'optimisation existantes, par ailleurs adaptées au contexte applicatif des composants magnétiques, permet au concepteur de considérer plusieurs objectifs simultanément ou d'intégrer les bases de données de fournisseurs. Une démarche de modélisation basée sur l'emploi de paramètres calculés à partir d'extrema de fonctions autorise quant à elle la prise en compte de manière unifiée des tolérances lors de l'optimisation ainsi que des gabarits, qui caractérisent les filtres électroniques par exemple. Un mode de calcul analytique des inductances de fuite des transformateurs est également proposé, afin d'améliorer la modélisation a priori de ce type de composant aux formats divers.