Alliant flexibilité de contrôle et bon rendement, les Machines Synchrone à Double Excitation (MSDE) sont de plus en plus investiguées pour diverses applications de petites et moyennes puissances et rarement pour des applications de fortes puissances. Cette thèse a pour objectif l'étude d'un Générateur Synchrone à Double Excitation (GSDE) de forte puissance. Un modèle de comportement a été établi. Des méthodes analytiques et semi-analytiques ont été utilisées pour la modélisation multi-physique de la machine. Ce modèle a été validé, dans un premier temps, par comparaison aux résultats d'un modèle éléments finis.Comparé à un Générateur Synchrone à Pôles Saillants (GSPS), le GSDE offre des solutions plus intéressantes énergétiquement et économiquement, que ce soit en fonctionnement à vitesse constante ou à vitesse variable. Dans le cadre d'un fonctionnement en générateur éolien, l'augmentation du nombre d'encoche par pôle et par phase et l'augmentation de la fréquence d'alimentation contribuent à l'amélioration des performances de la GSDE. Cependant il faudrait tenir compte des impacts sur l'électronique de puissance et le multiplicateur mécanique. En plus, la distribution de Weibull et le bon choix de la plage utile de variation de la vitesse du vent, jouent un rôle important sur le dimensionnement optimal du générateur éolien.Un prototype de GSDE d'une puissance d'1MVA a été dimensionné, optimisé et fabriqué. Tout d'abord, le prototype a servi à la validation du modèle multi-physique. En plus la réalisation des essais sur deux étapes (avant et après le collage des aimants permanents) a montré l'apport énergétique du GSDE par rapport au GSPS

Alliant flexibilité de contrôle et bon rendement, les Machines Synchrone à Double Excitation (MSDE) sont de plus en plus investiguées pour diverses applications de petites et moyennes puissances et rarement pour des applications de fortes puissances. Cette thèse a pour objectif l’étude d’un Générateur Synchrone à Double Excitation (GSDE) de forte puissance. Un modèle de comportement a été établi. Des méthodes analytiques et semi-analytiques ont été utilisées pour la modélisation multi-physique de la machine. Ce modèle a été validé, dans un premier temps, par comparaison aux résultats d’un modèle éléments finis.Comparé à un Générateur Synchrone à Pôles Saillants (GSPS), le GSDE offre des solutions plus intéressantes énergétiquement et économiquement, que ce soit en fonctionnement à vitesse constante ou à vitesse variable. Dans le cadre d’un fonctionnement en générateur éolien, l’augmentation du nombre d’encoche par pôle et par phase et l’augmentation de la fréquence d’alimentation contribuent à l’amélioration des performances de la GSDE. Cependant il faudrait tenir compte des impacts sur l’électronique de puissance et le multiplicateur mécanique. En plus, la distribution de Weibull et le bon choix de la plage utile de variation de la vitesse du vent, jouent un rôle important sur le dimensionnement optimal du générateur éolien.Un prototype de GSDE d’une puissance d’1MVA a été dimensionné, optimisé et fabriqué. Tout d’abord, le prototype a servi à la validation du modèle multi-physique. En plus la réalisation des essais sur deux étapes (avant et après le collage des aimants permanents) a montré l’apport énergétique du GSDE par rapport au GSPS / The use of Hybrid Excitation Synchronous Machine (HESM) can widely be extended to any size of power applications in regards to its high efficiency and simplicity of flux control. The aim of this thesis consists to analyze different design constraints and develop optimization processes of a Hybrid Excitation Synchronous Generator (HESG).Analytical and lumped models were used with reasonable level of accuracy and minimum computation time. The model has been validated by comparing the result to those achieved by FEM.The study shows the technical and economical advantages of the use of HESG compare to the conventional Salient Pole Synchronous Generator (SPSG). The comparison between the two generator topologies was considered for constant and variable speed applications such as wind energy. The influence of several parameters such as frequency and the number of slot per pole and per phase was investigated. For the case of wind energy application the study shows the importance of Weibull distribution and the speed range when looking for the optimized generator.In order to validate the multi-physics model, a 1MVA HESG was considered and a prototype produced. To highlight the advantages and performances of HESG generator a test program was carried out into steps. A first set of tests have been made before bounding the permanent magnets and the second set of tests have been made after bounding the permanent magnets

La th\'matique dans laquelle<br />ce travail s'inscrit est l'estimation des syst\`mes non lin\'{e}aires, le<br />processus d'estimation (ou d'observation) concernant aussi bien les<br />variables d'\'tat que les param\`tres. En g\'{e}n\'ral, le probl\`me<br />d'observation non lin\'{e}aire oblige---faute d'une solution<br />syst\'matique---\`{a} une transformation du syst\`{e}me \`{a} observer sous une<br />forme pour laquelle la synth\`{e}se d'un observateur soit possible. Nos<br />contributions concernent principalement les transformations par<br />immersion, qui g\'{e}n\'{e}ralisent les transformations par diff\'{e}omorphisme<br />au sens o\`{u} la dimension de l'espace d'\'{e}tat n'est pas forcement<br />pr\'{e}serv\'{e}e\nobreakdash---elle peut augmenter. Dans une premi\`{e}re<br />partie on en appelle \`{a} l'injection de sortie dans le but d'\'{e}largir<br />la classe des syst\`{e}mes qui peuvent s'immerger dans une forme affine<br />en l'\'{e}tat et on propose des façons heuristiques de construire<br />l'immersion. Puis, dans une deuxi\`{e}me partie on montre qu'une<br />possibilit\'{e} d'obtenir une caract\'{e}risation pr\'{e}cise des conditions<br />d'immersion, m\^{e}me en pr\'{e}sence de l'injection de sortie, est de<br />tol\'{e}rer d'une certaine façon les non lin\'{e}arit\'{e}s. La proc\'{e}dure<br />d'immersion qui s'obtient est syst\'{e}matique si l'on n'utilise pas<br />l'injection de sortie. Pour justifier l'int\'{e}r\^{e}t vis-\`{a}-vis de la<br />forme qui en r\'{e}sulte on pr\'{e}sente un observateur \`{a} grand gain dont la<br />synth\`{e}se ne s'appuie pas sur l'hypoth\`{e}se d'observabilit\'{e} uniforme.<br />L'applicabilit\'{e} des r\'{e}sultats est v\'{e}rifi\'{e}e sur des exemples dans le<br />domaine des syst\`{e}mes \'{e}lectriques de puissance, dont le plus<br />important concerne l'estimation simultan\'{e}e d'\'{e}tat et de param\`{e}tres<br />dans les moteurs asynchrones.

Lors de la phase de dimensionnement d’un générateur électrique, des choix préliminaires imposent généralement la topologie. Cette thèse a pour objectif d’apporter une aide décisionnelle au choix des structures de générateurs de fortes puissances. L’intérêt des machines à haute efficacité énergétique est porté par des objectifs environnementaux forts. En conséquence, maîtriser et comprendre l’origine des pertes dans les machines de production d’électricité est un enjeu capital. Ainsi, une méthodologie de calculs de pertes fer est développée pour des générateurs de fortes puissances.Dans les secteurs de la production et conversion d’énergie, les Machines Synchrones à Double Excitation présentent un fort potentiel pour répondre aux défis de la transition énergétique. Dès lors, il est important de quantifier l’impact de ces nouvelles structures par rapport aux solutions existantes. Cette thèse propose une modélisation par méthodes analytiques et semi-analytiques dans l’objectif de concevoir un ensemble de structures de générateurs. La modélisation est également comparée à deux prototypes de fortes puissances, dont un pour une application éolienne à attaque directe.Ensuite, cette modélisation est employée dans un processus de conception par optimisation. Les structures Pareto optimales sont comparées suivant différents cahiers des charges. Ces optimisations permettent de mettre en avant des gains significatifs par rapport aux solutions existantes notamment sur des données statistiques de fonctionnement éolien. / During the design phase of an electrical generator, the topology is generally imposed by preliminary criteria. This thesis aims at providing a decision support for the choice of high power generator structures. The interest for high efficiency machines is driven by strong environmental objectives. Consequently, understanding the origin of losses in power generation machines is a major issue. Thus, a methodology for iron loss calculation is developed for high power generators.In the energy production and conversion sectors, Hybrid Excitation Synchronous Machines have a great potential to respond to the challenges of energy transition. It is important to quantify the impact of these new structures compared with existing solutions. This thesis proposes analytical and lumped models to design a set of generator structures. The modeling approach is also compared with two high power generators, including one for a direct drive wind turbine. Then, this modeling is used in an optimization design process. The optimal Pareto structures are compared according to different specifications. These optimized designs show significant gains compared to the existing solutions, especially on wind profile from a Weibull probability density function.

Les Éoliennes à Entraînement Direct (ÉED) sont équipées de Générateurs Syn- chrones à Aimants Permanents (GSAP). Leurs trois plus courantes défaillances sont la dé- magnétisation, l’excentricité (statique, dynamique et mixte) et le court-circuit inter-tour. L’analyse de la signature du courant de la machine est souvent utilisée pour rechercher des problèmes du générateur, car ces altérations introduisent des harmoniques supplémen- taires dans les courants générés. La Transformée de Fourier Rapide (TFR) est utilisée pour calculer le spectre des courants. Cependant, la TFR permet de calculer l’ensemble du spec- tre, tandis que le nombre de défauts possible et le nombre d’harmoniques introduites sont faibles. L’algorithme de Goertzel, mis en oeuvre sous forme de filtre (le filtre de Goertzel), est présenté comme une alternative plus efficace au TFR. Le spectre des courants change avec la vitesse du vent, ce qui rend la détection plus difficile. Le Filtre de Kalman Étendu (FKÉ) est proposé comme solution. Le spectre de résidus, calcule entre les courants estimés et les courants générés, est constant, quelle que soit la vitesse du vent. Cependant, l’effet des défauts est visible dans leur spectre. Lors de l’utilisation de l’FKÉ, un défi consiste à estime la matrice de covariance pour le bruit du processus. Une nouvelle méthode était développée pour ça, qui n’utilise aucune de maîtrise du filtre. Les ÉED sont placés soit dans des zones éloignées, soit dans des villes. Pour la surveillance des ÉED, des dizaines ou des centaines de kilomètres de câbles sont nécessaires. Les Réseaux de Capteurs sans Fil (RCF) sont bien adaptés pour être utilisés dans l’infrastructure de communication des ÉED. RCF ont des coûts initiaux et d’entretien plus faibles et leurs installations sont rapides. De plus, ils peuvent compléter les réseaux câblés. Différentes technologies sans fil sont comparées : les technologies à grande surface, ainsi que les technologies à courte portée qui supportent des débits de données élevés. / Direct Drive Wind Turbines (DDWTs) are equipped with Permanent Magnet Syn- chronous Generators (PMSGs). Their three most common failures are demagnetization, ec- centricity (static, dynamic and mixed) and inter-turn short circuit. Machine Current Signa- ture Analysis is often used to look for generator problems, as these impairments introduce additional harmonics into the generated currents. The Fast Fourier Transform (FFT) is utilized to compute the spectrum of the currents. However, the FFT calculates the whole spectrum, while the number of possible faults and the number of introduced harmonics is low. The Goertzel algorithm, implemented as a filter (the Goertzel filter), is presented as a more efficient alternative to the FFT. The spectrum of the currents changes with the wind speed, and thus the detection is made more difficult. The Extended Kalman Filter (EKF) is proposed as a solution. The spectrum of the residuals, computed between the estimated and the generated current, is constant, regardless of the wind speed. However, the effect of the faults is visible in the spectrum. When using the EKF, one challenge is to find out the covariance matrix of the process noise. A new method was developed in this regard, which does not use any of the matrices of the filter. DDWTs are either placed in remote areas or in cities. For the monitoring of a DDWT, tens or hundreds of kilometers of cables are necessary. Wireless Sensor Networks (WSNs) are suited to be used in the communication infrastructure of DDWTs. WSNs have lower initial and maintenance costs, and they are quickly installed. Moreover, they can complement wired networks. Different wireless technologies are com- pared - both wide area ones, as well as short range technologies which support high data rates.