Le travail présenté dans ce mémoire s’est déroulé dans le cadre d’une collaboration entre le groupe Convertisseur Statique du laboratoire LAPLACE et le département " Installations Fixes de Traction Electrique " de la Direction de l’Ingénierie de la SNCF. Aujourd'hui, la majorité du trafic sur le réseau ferré monophasé 25 kV / 50 Hz est assurée par des locomotives équipées de redresseurs contrôlés à thyristors. Du fait de l'augmentation du trafic, l'utilisation de ces locomotives nécessite la mise en place de moyen de compensation de puissance réactive afin de maintenir la tension caténaire à un niveau acceptable et de réduire la facture en énergie réactive. La correction du facteur de déplacement est réalisée en partie par des batteries de compensation fixes dont lapuissance est limitée par la tension maximale admissible à vide sur la caténaire. Afin d’adapter le niveau de compensation à la consommation, la partie fixe est complétée par un dispositif réglable basé sur une réactance contrôlée par des thyristors. Bien qu’il soit simple dans son principe, ce dispositif nécessite un filtrage des harmoniques en basse fréquence avec des circuits LC volumineux. L’objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle topologie de compensateur de puissance réactive à haut rendement et utilisant un contrôle à modulation de largeur d’impulsion dans le but de minimiser le volume des éléments de filtrage. La première partie de ce mémoire est consacrée à une étude comparative de différentes topologies du point de vue des pertes dans les semi-conducteurs et du dimensionnement des éléments de filtrage associés. Les résultats de cette étude montrent que les topologies à base de gradateurs MLI, constituent les solutions les plus intéressantes pour réaliser le compensateur. La deuxième partie du travail concerne l’étude de l’insertion d’un compensateur à base de gradateurs MLI sur le réseau ferré avec la prise en compte des interactions harmoniques. Le cas d’étude concerne une sous-station où doit être implantée une compensation variable de 3 MVAR. Un relevé des courants délivrés par la sous-station a été effectué dans le but d’analyser leur contenu harmonique. Une modélisation de la sous-station et du compensateur est ensuite proposée et des simulations temporelles de l’ensemble sont réalisées en prenant en compte les formes d’ondes réelles des courants absorbés par les trains. Finalement, cette étude par simulation permet d’affiner le dimensionnement du compensateur à gradateurs MLI et des éléments de filtrage associés. Elle met en évidence l’avantage d’une solution, avec des gradateurs MLI en montage élévateur de tension, qui fonctionne sans transformateur et réutilise les batteries de compensation fixes déjà installées en sous-station à la fois comme diviseur de tension et éléments de filtrage. Afin de valider le principe de cette nouvelle topologie de compensateur statique de puissance réactive, un démonstrateur de 1,2 MVAR est mis en oeuvre et testé sur une plateforme d'essai de la SNCF. / The work presented in this thesis is the result of collaboration between the Static Converters research group of LAPLACE Laboratory and the department "Installations Fixes de Traction Electrique" of the Engineering Division of the French Railways company, SNCF. Nowadays, most of the traffic in 25 kV – 50 Hz lines is achieved by old locomotives equipped with thyristor rectifiers. As traffic and load increase, reactive power compensation devices are required to keep the overhead line voltage at acceptable level and to reduce the spending for reactive power. The basic power factor correction is completed by fixed compensation banks. But the difficulty of such configuration is the no-load operation of overhead lines. The voltage can increase out of the 29 kV standard limit and to avoid this problem, variable reactive power compensator is often added to the fixed compensation banks. Nowadays, SNCF is equipped with thyristor based static VAR compensators (SVC). The main drawback of this topology is the requirement of a large LC shunt filter tuned for the third harmonic. The goal of this thesis is to find a new high-efficiency topology of STATic COMpensator (STATCOM) using PWM control to minimize the filtering components. The first part of this thesis focuses on a comparative study of different topologies in terms of semiconductor losses and filter elements size. The results of this study show that the topologies based on PWM AC Chopper are the most interesting solutions to achieve the compensator. The second part of the work concerns the influence of the connection of a STATCOM to a substation and focuses on the harmonic interactions with locomotives. The study case concerns a high traffic substation where a 3 MVAR STATCOM should be installed. Substation output current measurement was carried out in order to analyze its harmonic content. Models of the substation and the STATCOM are then proposed and simulations using real current waveforms are performed. Finally, this simulation study helps to refine the features of the AC Chopper topology and its filter elements. It highlights the advantage of a solution, with boost AC Choppers which operate without transformer and reuse the fixed compensation banks already installed in the substation as voltage divider and filter. To validate the principle of this new topology of STATCOM, a 1.2 MVAR prototype is built in LAPLACE laboratory and tested on a SNCF test platform.

Les problèmes neurologiques dus aux AVC et aux lésions de la moelle épinière ainsi que la faiblesse des muscles squelettiques peuvent considérablement affecter les capacités motrices des personnes infirmes ou âgées. Les solutions traditionnellement utilisées pour l’assistance et le traitement de ces personnes dépendantes, sont relativement coûteuses; en termes de prise charge, elles impliquent, pour les aidants et les services de santé, des efforts humains et des moyens financiers importants. Dans ce cadre, la robotique apparaît comme une solution bien adaptée et prometteuse pour développer des systèmes d’assistance permettant d’améliorer l’autonomie des personnes dépendantes. Les exosquelettes des membres inférieurs sont des robots portables, destinés à être utilisés en tant que dispositifs d’aide à la mobilité pour augmenter les capacités motrices des sujets porteurs, ou comme auxiliaires de rééducation neuromusculaire. Ce domaine de recherche a fait l’objet, ces dernières années, d’un intérêt grandissant au sein de la communauté robotique. Du fait qu’un exosquelette est caractérisé par une interaction physique et cognitive directe avec son porteur, sa fonction principale est de fournir une assistance adaptée aux capacités sensorimotrices du sujet porteur. Il est, par conséquent, nécessaire de développer des stratégies de commande basées sur l’intention de mouvement du porteur. Du point de vue de l’exosquelette, les contacts physiques avec le sujet porteur ou l’environnement sont considérés comme des perturbations affectant la bonne réalisation des mouvements désirés du porteur. Ces perturbations doivent être également être prises en compte lors de la conception des stratégies de commande.Dans cette thèse, nous proposons trois stratégies de commandes assistives pour les exosquelettes des membres inférieurs. Deux modes d’assistance sont étudiés ici: le mode passif où le sujet dispose de capacités motrices très limitées et ne développe quasiment aucun effort, et le mode actif-aidé où le sujet possède certaines capacités motrices mais qui sont insuffisantes pour réaliser de manière autonome un mouvement désiré. Dans la première stratégie de commande, le sujet est supposé être en mode passif. Une commande robuste par modes glissants, basée sur un observateur non-linéaire de perturbations (Nonlinear Disturbance Observer (NDO)), est développée pour garantir un suivi précis des mouvements désirés de l’articulation du genou. Dans la deuxième stratégie de commande, nous proposons une structure de commande en impédance active non-linéaire où le sujet est supposé être en mode actif-aidé. Cette stratégie de commande assistive est utilisée pour assister le porteur dans la réalisation d’activités physiques mono-tâche. L’évaluation des performances de la structure proposée sont étudiées dans le cadre de deux activités: la flexion/extension du genou et le transfert assis-debout. Enfin, la troisième stratégie de commande proposée est une commande contextualisée pour assister le porteur dans ses activités de marche. Nous proposons une approche permettant de détecter le mode de marche dès le début d’un nouveau pas, en utilisant les caractéristiques cinématiques du porteur, à savoir la position et la vitesse des pieds lors de la marche. L’approche de détection du mode de marche rend possible la sélection des modèles cinématique et cinétique appropriés pour chaque mode. Différentes stratégies d’assistance sont développées: compensation partielle de la gravité, assistance basée impédance de type ressort/amortisseur virtuel et assistance de type impédance nulle. Ces stratégies sont combinées différemment selon le mode de marche estimé. Pour évaluer les performances des stratégies de commande proposées, deux prototypes d’exosquelettes des membres inférieurs ont été développés: l’exosquelette de l’articulation du genou EICOSI, et l’exosquelette des membres inférieurs E-ROWA / Neurological problems caused by stroke and spinal cord injury as well as the weakness of skeletal muscles may considerably affect the motor ability of the elderly and infirm. Traditional solutions of assistance and treatment for these dependent people are relatively costly; they generally need significant human efforts and financial resources from caregivers and national healthcare centers. In this context, robotics appears as a convenient and promising solution to develop assistive systems for improving the autonomy of dependent people. Lower limb exoskeletons are wearable robots that can be used as assistive devices for augmenting the wearer’s motor ability and/or improving the effectiveness of neuromuscular rehabilitation. Recently, they have attracted increasing interest in the robotics community. As lower limb exoskeletons exhibit close cognitive and physical interactions with the wearer, a fundamental function is to provide appropriate power assistance by taking into account the wearer’s sensor-motor ability. Consequently, it is of great importance to develop human intention based control strategies. Meanwhile, from the exoskeleton’s viewpoint, the physical contacts with the wearer and the environment are both considered disturbances affecting the accomplishment of the wearer’s desired movements. These disturbances should also be taken into account during the design of control strategies.In this thesis, we develop three assistive control strategies for lower limb exoskeletons. In the meantime, two modes of assistance are studied: the passive mode in which the wearer has very limited motor ability as well as the active-assisted mode in which the wearer has certain motor ability but that is insufficient to perform autonomously a desired physical movement. In the first control strategy, the wearer is assumed to be in passive mode. A robust sliding mode control approach is developed based on the use of a nonlinear disturbance observer, in order to guarantee accurate tracking performance of desired knee joint movements. In the second control strategy, we propose a human intention based nonlinear active impedance control structure, in which the wearer is in an active-assisted mode. This assistive strategy is used to assist the wearer in single-task physical activities, for instance, the knee joint flexion/ extension movement. We investigate the performance of the proposed control structure based on two case studies: knee-joint flexion/extension movements and sit-to-stand movements. Finally, the third control strategy is developed to assist the wearer during walking activities. We propose a new approach that is able to detect the gait mode at the early beginning of a new step using the kinematic features namely velocity and position of the wearer’s feet during walking. The proposed gait mode detection approach makes it possible to select appropriate kinematic and kinetic models for each gait mode. Different assistive strategies are developed: partial gravity compensation, virtual-spring/damper based impedance assistance and zero impedance assistance. These strategies are combined differently according to the estimated wearer’s gait mode. To evaluate the proposed control strategies, two lower limb exoskeleton prototypes are developed: a knee joint lower limb exoskeleton, called EICOSI, and a full lower limb exoskeleton, called E-ROWA