OBJETIVO: Se realizó un estudio analítico, longitudinal prospectivo, para realizar una evaluación anatómica, funcional e inmunohistoquímica a pacientes con membranas epirretinales (MER) maculares idiopáticas sometidos a tratamiento quirúrgico a través de vitrectomía pars plana. MÉTODO: La muestra de de 68 pacientes con MER idiopáticas diagnosticados de MER idiopática, atendidos en las consultas del servicio de oftalmología del hospital universitario San Juan de Alicante, desde enero del 2016 hasta enero de 2018, que cumplieron con los criterios de inclusión y exclusión. A los pacientes se les realizó un examen oftalmológico completo, tomografía de coherencia óptica de dominio espectral (SD-OCT) al diagnóstico, al mes y a los tres meses de la cirugía. Se empleó la vitrectomía pars (VPP) plana 23 G, con levantamiento de la MER y liberación de la membrana limitante interna como tratamiento quirúrgico. Para el análisis inmunohistóquímico se recogieron muestras de MER durante la VPP. Las principales variables estudiadas fueron MAVC, utilización de Triamcinolona intravítrea, grosor foveal central (GFC), alteración de capa de Henle y de líneas hiperreflectivas de capas externas a nivel foveal por SD-OCT, presencia de células de Müller, astrocitos, microglía residente, microglía activada y macrófagos. Se relacionó el resultado anatómico, funcional e inmunohistoquímico. RESULTADOS: Se evidenció una recuperación significativa (p<0,001) de la MAVC después de la VPP El grosor foveal central (GFC) y los quistes intraretinales no presentaron una asociación estadísticamente significativamente con la mejor agudeza visual corregida (MAVC). Se observó una recuperación significativa de las alteraciones de las cuatro líneas hiperreflectivas de capas externas y de la capa de Henle por SD-OCT después de la cirugía. El grupo celular más frecuente en las muestras de MER estudiadas fue la macroglia, observándose en todos los estadios evolutivos por SD-OCT. Se demostró la aparición, con mayor frecuencia, de la microglía residente, microglía activada y macrófagos en los pacientes que no presentaron alteraciones de líneas hipereflectivas de capas externas. Los pacientes que mostraron microglía activada y macrófagos en sus muestras de MER, tuvieron una mayor recuperación del GFC y de la MAVC. CONCLUSIONES: La mejoría de la agudeza visual de los pacientes con MER idiopáticas no depende del GFC ni de quistes intrarretinales; siendo la integridad de capas externas, en asociación con la agudeza visual, los mejores factores predictivos de recuperación visual en estos pacientes. Las alteraciones de la capa de Henle, y de las líneas hiperreflectivas de capas externas 1 y 4, fueron las variables anatómicas que presentaron una mayor asociación con la MAVC, antes y después de la cirugía. La presencia de microglía residente, microglía activada y macrófagos en la MER idiopática, podría ser un factor protector de alteraciones de líneas hiperreflectivas externas por SD-OCT.

Le travail effectué au cours de cette thèse consiste à étudier et développer des techniques innovantes de modulation de largeurs d'impulsions (MLI) qui visent à optimiser les chaînes de traction électriques embarquées dans des véhicules hybrides ou électriques. La MLI joue un rôle stratégique au coeur des variateurs de vitesse, elle influe sur le comportement général de la chaîne de traction et sur sa performance. La MLI présente des degrés de liberté qui peuvent contribuer avantageusement à redimensionner les composants du variateur tels que le circuit de refroidissement, le filtre EMI et le condensateur du bus continu. Les véhicules hybrides constituent une étape naturelle dans la transition énergétique entre les véhicules thermiques et les véhicules électriques. Notre étude contribue à l'optimisation des variateurs de vitesse en général et ceux au coeur des véhicules hybrides ou électriques en particulier. Notre apport consiste à proposer une MLI performante afin de rendre le variateur plus léger et plus compacte tout en garantissant les fonctionnalités traditionnelles. La compétitivité de ces variateurs et par conséquent des véhicules hybrides ou électriques devient alors accessible. Les véhicules hybrides ou électriques utilisent généralement une machine de traction à courant alternatif en raison de nombreux avantages que celle ci présente par rapport à une machine à courant continu. La source d’alimentation au bord d'un véhicule est une batterie, il est donc nécessaire d'utiliser un onduleur pour transformer la tension continue en tension alternative à amplitude et fréquence variables. Le contrôle de cet onduleur est réalisé par des techniques de modulation de largeurs d'impulsions (MLI) ce qui permet ainsi de réguler le couple de la machine. Les techniques MLI produisent une composante basse fréquence, le fondamental qui est le signal désiré et des composantes hautes fréquences appelées harmoniques de commutation qui sont indésirables. Dans les véhicules modernes, il y a de plus en plus de charges mécaniques pilotées par des machines électriques et des systèmes électroniques. Il est impératif d'éliminer le risque d'interférences électromagnétiques entre ces différents systèmes pour éviter le dysfonctionnement ou la défaillance. Il faut donc filtrer ces harmoniques indésirables pour qu'elles ne perturbent pas les calculateurs et autres circuits électroniques de faibles niveaux de tensions. Il existe des techniques de modulation aléatoire (RPWM) qui permettent d'étaler les harmoniques à la fréquence de commutation et ses multiples. Dans cette étude, notre choix s’est porté sur la technique de modulation vectorielle aléatoire (RSVM) qui présente plusieurs avantages par rapport à la MLI intersective. Les machines pilotées par une MLI produisent des tensions de mode commun dites « shaft voltage », qui peuvent provoquer des courants à travers les roulements de la machine, ces derniers pouvant être destructifs. Nous avons pu développer une technique MLI vectorielle basée sur un choix judicieux des vecteurs nuls pour réduire cette tension de mode commun. La chaleur produite par les pertes dans les convertisseurs à commutation dure lors de l'ouverture et de la fermeture des interrupteurs doit être évacuée rapidement, ce qui réduit le stress thermique, évite la défaillance et augmente la durée de vie des interrupteurs. Une technique utilisée pour réduire ces pertes par commutation est la modulation discontinue (DPWM) ; une amélioration est apportée à cette technique dans ce travail. Cette amélioration est présentée sous forme d'une technique discontinue évolutive (EDSVM) qui s'adapte au régime du moteur pour minimiser les pertes. Grâce à cette technique une meilleure distribution du stress thermique sur les différents bras de l'onduleur est rendue possible et permet ainsi d'augmenter la durée de vie de l'onduleur. (...) / The dissertation documents research work carried out on Pulse Width Modulation (PWM) strategies for hard switched Voltage Source Inverters (VSI) for variable speed electric drives. This research is aimed at Hybrid Electric Vehicles (HEV). PWM is at the heart of all variable speed electric drives; they have a huge influence on the overall performance of the system and may also help eventually give us an extra degree of freedom in the possibility to rethink the inverter design including the re-dimensioning of the inverter components.HEVs tend to cost more than conventional internal combustion engine (ICE) vehicles as they have to incorporate two traction systems, which is the major discouraging factor for consumers and in turn for manufacturers. The two traction system increases the maintenance cost of the car as well. In addition the electric drives not only cost extra money but space too, which is already scarce with an ICE under the hood. An all-electric car is not yet a viable idea as the batteries have very low energy density compared with petrol or diesel and take considerable time to charge. One solution could be to use bigger battery packs but these add substantially to the price and weight of the vehicle and are not economically viable. To avoid raising the cost of such vehicles to unreasonably high amounts, autonomy has to be compromised. However hybrid vehicles are an important step forward in the transition toward all-electric cars while research on better batteries evolves. The objective of this research is to make electric drives suitable for HEVs i.e. lighter, more compact and more efficient -- requiring less maintenance and eventually at lower cost so that the advantages, such as low emissions and better fuel efficiency, would out-weigh a little extra cost for these cars. The electrical energy source in a vehicle is a battery, a DC Voltage source, and the traction motor is generally an AC motor owing to the various advantages it offers over a DC motor. Hence the need for a VSI, which is used to transform the DC voltage into AC voltage of desired amplitude and frequency. Pulse width modulation techniques are used to control VSI to ensure that the required/calculated voltage is fed to the machine, to produce the desired torque/speed. PWM techniques are essentially open loop systems where no feedback is used and the instantaneous values differ from the required voltage, however the same average values are obtained. Pulse width modulated techniques produce a low frequency signal (desired average value of the switched voltage) also called the fundamental component, along with unwanted high frequency harmonics linked to the carrier signal frequency or the PWM period. In modern cars we see more and more mechanical loads driven by electricity through digital processors. It is very important to eliminate the risk of electromagnetic interference between these systems to avoid failure or malfunction. Hence these unwanted harmonics have to be filtered so that they do not affect the electronic control unit or other susceptible components placed in the vicinity. Randomised modulation techniques (RPWM) are used to dither these harmonics at the switching frequency and its multiple. In this thesis a random modulator based on space vector modulation is presented which has additional advantages of SVM. Another EMI problem linked to PWM techniques is that they produce common mode voltages in the load. For electric machines, common mode voltage produces shaft voltage which in turn provokes dielectric stress on the motor bearings, its lubricant and hence the possibility of generating bearing currents in the machine that can be fatal for the machine. To reduce the common mode voltage a space vector modulation strategy is developed based on intelligent placement of zero vectors. (...)

Cette thèse porte sur la réduction du bruit audible d'origine magnétique émis par les machines asynchrones alimentées par modulation de largeur d'impulsion (MLI), et plus particulièrement par les moteurs de traction ferroviaire. <br /><br />Dans une première partie, une vue générale des travaux de modélisation vibro-acoustique des machines asynchrones et de leurs hypothèses est donnée. L'ensemble des règles de conception silencieuse existantes est présenté, et les effets des variables de conception du moteur et de l'onduleur sur le bruit sont rapportés, ainsi que les travaux portant sur la conception optimale des machines asynchrones.<br /><br />Ensuite, un modèle analytique complet du comportement vibro-acoustique et électrique du moteur est établi (DIVA). Des résultats de simulation sont présentés et validés par éléments finis, éléments frontières ou par test. La saturation, la MLI et la charge sont pris en compte dans le modèle. <br /><br />Enfin, une description analytique exhaustive des ondes principales de force magnétique est faite. Leurs caractéristiques (fréquence, sens de propagation, nombre de nœuds, amplitude) sont validées à l'aide de spectrogrammes et de déformées opérationnelles. A partir de cette analyse, de nouvelles règles de conception silencieuse sont établies.<br />Le modèle est ensuite couplé à un algorithme d'optimisation afin de concevoir un nouveau moteur à faible bruit magnétique respectant les caractéristiques de traction spécifiées, et deux prototypes de rotor sont conçus.<br /><br />Des essais sont réalisés sur un premier prototype, et un gain de 15 dB est observé en charge et en régime MLI. Le nouveau moteur atteint le couple spécifié sans accroître les pertes ni le courant de phase.

Le concept de l'avion plus électrique a conduit les industriels à focaliser une partie de leurs efforts sur les risques liés à l'utilisation de la haute tension dans un environnement sévère (Basse pression, large plage de température et d'humidité …). Les risques associés sont l'existence et le développement de décharges partielles conduisant à terme à la défaillance du système dans lequel, elles se produisent. Considérant cette problématique, le groupe Liebherr Elektronik GmbH, en collaboration avec le laboratoire Laplace, a lancé l'étude d'une méthode permettant de détecter les décharges partielles dans des convertisseurs destinés à des applications aéronautiques. Ce sont les résultats de ce travail qui font l'objet de cette thèse. La première partie fait état des connaissances actuelles sur les décharges partielles, de leur nature physique aux méthodes de détection utilisées. Dans la seconde partie, trois phases de mesures validant l'efficacité de la méthode étudiée sont présentées et leurs résultats sont discutés. Enfin, dans une troisième partie, les conclusions de nos travaux et leurs perspectives sont présentées. / The more electrical airplane concept led industrial companies to focus a part of their efforts on risks linked to the use of high voltage in a severe environment (Low pressure, wide range of temperature and humidity …). Associated risks are the existence and the growing of partial discharges ultimately leading to the breakdown of the system in which they occur. Considering this problematic, the Liebherr Elektronik GmbH group, in collaboration with the Laplace laboratory, launched the study of a method allowing partial discharges detection in converters intended to be used in aeronautical applications. The results of this work are the subject of this thesis. The first part brings the status of the current knowledge about partial discharges from their physical nature to the detection methods which are used. In the second part, three measurement phases assessing the efficiency of the studied method are introduced and their results discussed. Finally, in the third part, the conclusionsof our works and their perspectives are presented.

Les travaux menés durant cette thèse s'intéressent principalement aux avantages que peut offrir la machine asynchrone à double alimentation (MADA) dans un système de propulsion navale. Ceci est obtenu à travers les degrés de libertés additionnels qu'elle apporte, d'une part, par l'exploitation de la redondance structurelle naturelle, et d'autre part , par les stratégies de contrôle qui lui sont appliquées. La première partie de ce mémoire, présente la modélisation du propulseur innovant. Ce dernier est conçu principalement autour de la MADA comme moteur de propulsion. Il est alimenté par deux onduleurs de tension à Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI), et entrainant une hélice à trois pales fixes et symétriques. Plusieurs stratégies de commande ont été introduites pour piloter le système. En effet, des lois de contrôle de type linéaires et non linéaires, associées à des divers modulateurs MLI ont été validées et appliquées à cette structure de propulsion. L'innovation apportée dans le cadre de ces travaux consiste à associer à l'optimisation par conception (machine et convertisseurs d'alimentation), une optimisation par la commande et ce en évaluant l'influence de ces techniques pour deux critères de dimensionnement majeurs, à savoir, les pertes dans les convertisseurs de puissances, et les bruits acoustiques et vibratoires. La propulsion navale, comme tout système embarqué, possède des exigences en matière de qualité de service non seulement en termes de performances mais aussi de fiabilité et de disponibilité. En effet, les systèmes conçus pour ce type d'application doivent assurer et garantir une continuité de service en cas d'apparition de défauts au sein des constituants du système. L'utilisation de la MADA dans les systèmes de propulsion offre une redondance structurelle naturelle et analytique, introduite par la commande, qui permet d'assurer une continuité de service du système en présence d'une défaillance dans la structure. Deux défauts sont ainsi considérés dans cette étude, un défaut de semi-conducteur de puissance dans le convertisseur de puissance et un défaut de capteur vitesse/position. Les stratégies de contrôle proposées, les modèles de propulseur établis ainsi que les reconfigurations adoptées suite aux défauts ont été validées expérimentalement sur les bancs développés au LAPLACE dans le cadre de ces travaux. / This study focuses on the benefits that can be induced by the use of the Double Fed Induction Machine (DFIM) operating in motor mode for marine propulsion systems. It can be achieved by the additional degree of freedom it provides, firstly, by exploiting the natural structural redundancy, and secondly, by the alytical redundancy introduced by applied control strategies. The first part of this thesis presents the modeling of a propeller architected mainly around the DFIM and its load such as a propeller with three fixed and symmetrical blades. Several control strategies have been introduced to control the system, in fact, linear and nonlinear control laws type associated with various modulators have been validated and applied to the propulsion structure. The objective was to evaluate the influence of these techniques for two major design criteria, namely, losses in power converters, and noise and vibration noise. Naval propulsion as any embedded system has requirements for the quality of service not only in performance but also reliability and availability. Indeed, the systems designed for these types of applications must ensure and guarantee continuity of service in response to the failures in system components. The use of MADA in propulsion systems provides a natural structural and analytical redundancies which ensure system service continuity in the presence of a fault in this structure. Two faults are considered in this study, a power semiconductor fault in the power converter and a speed sensor / position failure. Control strategies proposed, the propeller modeling established and reconfigurations adopted following settings have been validated by simulation and experimentally on the real laboratory or industrial benches developed in the context of this study.

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.

Ce travail est le résultat d'une collaboration entre le laboratoire LAPLACE, la "Seconda Università degli Studi di Napoli" (SUN) et la Société National des Chemins de fer Français SNCF. Le sujet de recherche concerne l'utilisation de dispositifs électroniques de puissance dans les sous stations ferroviaires 25kV/50Hz afin d'améliorer la qualité de l'énergie électrique. Dans le transport ferroviaire, le système d'électrification monophasé 25kV/50Hz est largement diffusé en particulier pour les lignes ferroviaires à grande vitesse. Bien qu'aujourd'hui les systèmes d'alimentation en courant continu soient encore largement utilisés, l'adoption du courant alternatif monophasé offre des avantages économiques pour les infrastructures d'environ 30% en termes d'investissement, d'exploitation et d'entretien. Initialement, compte tenu de la simplicité du circuit, il n'y avait aucune nécessité d'intégrer de l'électronique de puissance dans les sous stations. Toutefois, au cours de la décennie passée, l'intérêt pour ces équipements est apparu car ils peuvent apporter une solution d'optimisation du réseau lorsque le trafic augmente ou lorsqu‟une nouvelle sous station est envisagée. Deux principaux types de dispositifs sont installés aujourd'hui sur le réseau ferré français : les compensateurs de puissance réactive et les compensateurs de déséquilibre de tension. Cette thèse présente de nouvelles topologies de compensateurs basées sur le concept d'impédances contrôlées par gradateur MLI. Comparées aux solutions existantes, ces topologies ont des caractéristiques particulièrement intéressantes en termes de pertes dans les semi-conducteurs et de volume des composants réactifs. Le manuscrit contient trois parties principales: La première partie présente le principe de l'électrification en 25kV/50Hz et souligne l'intérêt d'installer des moyens de compensation statique dans les sous stations. Après une description des solutions actuellement utilisées, le concept d'impédance contrôlée par gradateur MLI (CCI : Chopper Controlled Impedance ) est ensuite présenté. La deuxième partie du travail concerne l'utilisation du concept de CCI pour la compensation de puissance réactive. La sous-station SNCF de Revest est considérée comme cas d'étude. Celle-ci est équipée d'un transformateur monophasé de 60MVA dont le primaire est connecté à une ligne de transport 225kV. Deux topologies de compensateur de puissance réactive, basées sur des montages abaisseur ou élévateur de tension sont présentées. Le dimensionnement des gradateurs est effectué sur la base d'une campagne de mesures réalisée à la sous station. Des simulations numériques utilisant des formes d'ondes réelles de courant et de tension sont présentées. Des résultats expérimentaux effectués à la plateforme de test de la SNCF sur un prototype de 1,2MVAR permettent de valider le concept de CCI. La dernière partie du travail concerne le problème du déséquilibre de tension en amont de la sous station. Un circuit de Steinmetz " actif ", toujours basée sur des gradateurs MLI, est présenté et étudié. La sous station SNCF d'Evron est alors considérée comme cas étude. Celle-ci comporte un transformateur de 32MVA et est connectée à une ligne de transmission 90kV. Les mesures effectuées sur le site permettent le dimensionnement du compensateur ainsi que 'utilisation des formes d'onde réelles de courant et de tension dans les simulations numériques. Une comparaison avec des solutions classiques basées sur des onduleurs 2 niveaux et 3 niveaux souligne les avantages de la solution proposée. Ainsi, les résultats des calculs et des simulations montrent que l'énergie stockée dans les éléments réactifs est réduite 'un facteur six et que les pertes dans les semi-conducteurs sont réduites de 40%. Des résultats expérimentaux obtenus sur une maquette de 1.5 kVA permettent de valider le principe du circuit de Steinmetz actif.

Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés dans le cadre d’une collaboration entre le LAboratoire PLAsma et Conversion d’Énergie (LAPLACE), Université de Toulouse, et la Seconde Université de Naples (SUN). Ce travail a reçu le soutien de la société Rongxin Power Electronics (Chine) et traite de l’utilisation des convertisseurs multi-niveaux pour le transport d’énergie électrique en courant continu Haute Tension (HVDC). Depuis plus d’un siècle, la génération, la transmission, la distribution et l’utilisation de l’énergie électrique sont principalement basées sur des systèmes alternatifs. Les systèmes HVDC ont été envisagés pour des raisons techniques et économiques dès les années 60. Aujourd’hui il est unanimement reconnu que ces systèmes de transport d’électricité sont plus appropriés pour les lignes aériennes au-delà de 800 km de long. Cette distance limite de rentabilité diminue à 50 km pour les liaisons enterrées ou sous-marines. Les liaisons HVDC constituent un élément clé du développement de l’énergie électrique verte pour le XXIème siècle. En raison des limitations en courant des semi-conducteurs et des câbles électriques, les applications à forte puissance nécessitent l’utilisation de convertisseurs haute tension (jusqu’à 500 kV). Grâce au développement de composants semi-conducteurs haute tension et aux architectures multicellulaires, il est désormais possible de réaliser des convertisseurs AC/DC d’une puissance allant jusqu’au GW. Les convertisseurs multi-niveaux permettent de travailler en haute tension tout en délivrant une tension quasi-sinusoïdale. Les topologies multi-niveaux classiques de type NPC ou « Flying Capacitor » ont été introduites dans les années 1990 et sont aujourd’hui couramment utilisées dans les applications de moyenne puissance comme les systèmes de traction. Dans le domaine des convertisseurs AC/DC haute tension, la topologie MMC (Modular Multilevel Converter), proposée par le professeur R. Marquardt (Université de Munich, Allemagne) il y a dix ans, semble particulièrement intéressante pour les liaisons HVDC. Sur le principe d’une architecture de type MMC, le travail de cette thèse propose différentes topologies de blocs élémentaires permettant de rendre le convertisseur AC/DC haute tension plus flexible du point de vue des réversibilités en courant et en tension. Ce document est organisé de la manière suivante. Les systèmes HVDC actuellement utilisés sont tout d’abord présentés. Les configurations conventionnelles des convertisseurs de type onduleur de tension (VSCs) ou de type onduleur de courant (CSCs) sont introduites et les topologies pour les systèmes VSC sont ensuite plus particulièrement analysées. Le principe de fonctionnement de la topologie MMC est ensuite présenté et le dimensionnement des éléments réactifs est développé en considérant une commande en boucle ouverte puis une commande en boucle fermée. Plusieurs topologies de cellules élémentaires sont proposées afin d’offrir différentes possibilités de réversibilité du courant ou de la tension du côté continu. Afin de comparer ces structures, une approche analytique de l’estimation des pertes est développée. [...] / This work was performed in the frame of collaboration between the Laboratory on Plasma and Energy Conversion (LAPLACE), University of Toulouse, and the Second University of Naples (SUN). This work was supported by Rongxin Power Electronic Company (China) and concerns the use of multilevel converters in High Voltage Direct Current (HVDC) transmission. For more than one hundred years, the generation, the transmission, distribution and uses of electrical energy were principally based on AC systems. HVDC systems were considered some 50 years ago for technical and economic reasons. Nowadays, it is well known that HVDC is more convenient than AC for overhead transmission lines from 800 - 1000 km long. This break-even distance decreases up to 50 km for underground or submarine cables. Over the twenty-first century, HVDC transmissions will be a key point in green electric energy development. Due to the limitation in current capability of semiconductors and electrical cables, high power applications require high voltage converters. Thanks to the development of high voltage semiconductor devices, it is now possible to achieve high power converters for AC/DC conversion in the GW power range. For several years, multilevel voltage source converters allow working at high voltage level and draw a quasi-sinusoidal voltage waveform. Classical multilevel topologies such as NPC and Flying Capacitor VSIs were introduced twenty years ago and are nowadays widely used in Medium Power applications such as traction drives. In the scope of High Voltage AC/DC converters, the Modular Multilevel Converter (MMC), proposed ten years ago by Professor R. Marquardt from the University of Munich (Germany), appeared particularly interesting for HVDC transmissions. On the base of the MMC principle, this thesis considers different topologies of elementary cells which make the High Voltage AC/DC converter more flexible and easy suitable respect to different voltage and current levels. The document is organized as follow. Firstly, HVDC power systems are introduced. Conventional configurations of Current Source Converters (CSCs) and Voltage Source Converters (VSCs) are shown. The most attractive topologies for VSC-HVDC systems are analyzed. The operating principle of the MMC is presented and the sizing of reactive devices is developed by considering an open loop and a closed loop control. Different topologies of elementary cells offer various properties in current or voltage reversibility on the DC side. To compare the different topologies, an analytical approach on the power losses evaluation is achieved which made the calculation very fast and direct. A HVDC link to connect an off-shore wind farm platform is considered as a case study. The nominal power level is 100 MW with a DC voltage of 160 kV. The MMC is rated considering press-packed IGBT and IGCT devices. Simulations validate the calculations and also allow analyzing fault conditions. The study is carried out by considering a classical PWM control with an interleaving of the cells. In order to validate calculation and the simulation results, a 10kW three-phase prototype was built. It includes 18 commutation cells and its control system is based on a DSP-FGPA platform.

L'évolution de l'électronique de puissance ces dernières années a entraîné une augmentation de la densité de puissance et une diminution du coût des onduleurs de tension à modulation de largeur d'impulsion (MLI). Ces évolutions ont répandu l'utilisation de convertisseurs de puissance pour les applications de variateurs de vitesse ce qui a permis le développement du concept d' " avion plus électrique ". Ce concept consiste à remplacer un des vecteurs énergétiques (pneumatique ou hydraulique) par l'énergie électrique. Cependant, le développement du réseau électrique a entraîné une augmentation de la tension embarquée, ce qui a conduit à un vieillissement prématuré des équipements électriques embarqués. La forme de tension appliquée, appelée "modulation de largeur d'impulsion" (MLI), est constituée de trains d'impulsions. Avec l'application de ces impulsions, la tension n'est plus distribuée de manière homogène le long du bobinage. Dans ce cas, on pourra observer d'importantes différences de potentiel entre les spires d'une même phase voire entre deux phases du bobinage. En outre, un autre paramètre important provient du type d'enroulement des moteurs utilisés par l'industrie. L'enroulement aléatoire est la technique de bobinage la plus courante pour les moteurs basses tensions car cette méthode présente un faible coût. Le risque induit par ce type d'enroulement est que la première et une des dernières spires de la première bobine peuvent être proches l'une de l'autre. Dans ce cas, jusqu'à 80% de la tension sera supportée par quelques dizaines de microns d'émail, et les systèmes d'isolation existants ne sont pas dimensionnés pour résister à de telles contraintes. L'utilisation de longs câbles reliant l'onduleur au moteur peut aussi provoquer des surtensions importantes aux bornes du moteur. Ce phénomène s'explique par le fait que le câble se comporte comme une ligne de transmission qui n'est pas adaptée en termes d'impédance au bobinage du moteur. De plus, ces importantes différences de potentiel associées à de faibles pressions, présentes dans les zones dépressurisées de l'aéronef, peuvent entraîner l'apparition de décharges partielles. Les décharges partielles sont des décharges électriques qui court-circuitent partiellement l'intervalle entre deux conducteurs. Il existe de nombreuses méthodes de détection bien connues pour les tensions AC et DC, cependant, la détection sous tension de type MLI dans des moteurs basse tension est beaucoup plus complexe. Les signaux de décharge partielle sont en effet intégrés dans le bruit électromagnétique généré par la commutation. Le but de cette thèse est donc de développer un procédé de détection et un procédé de filtrage permettant une détection non intrusive et en fonctionnement (on-line) des décharges partielles dans le domaine aéronautique afin de qualifier les systèmes d'isolation électrique utilisés dans les aéronefs. / The development of power electronics in recent years has led to increase power density and to decrease pulse width modulation (PWM) voltage inverter cost. These developments have expanded the use of power converters for variable speed drive applications which enabled the development of the concept of "more electric aircraft". This concept consists in replacing one of energy carriers (pneumatic or hydraulic) with electrical energy. However, the deployment of electrical energy has increased the onboard voltage, which leads to premature aging of onboard electrical equipment. The shape of the PWM voltage consists of pulse trains. With the application of these pulses, the voltage is no longer homogeneously distributed along the coil. In this case, large differences in potential between the strands are present. In addition, another important parameter derived from the winding type motor used in industry. The random winding is the most common technique for low voltage motors due to its lower cost. The risk generated by this type of winding is that the first and the last turns of the first coil can be facing one another. In this case, up to 80% of the voltage will be supported by a few tens of microns of enamel, and existing insulation systems are not designed to withstand such severe constraints. The use of long cable connecting the inverter to the motor can also cause significant overvoltage at the motor terminals. This phenomenon is explained by the fact that the cable behaves as a transmission line to which the motor coils is not adapted in terms of impedance. In addition, these large potential differences associated with low pressures in the depressurized areas of the aircraft, may cause the occurrence of partial discharge. Partial discharges are electrical discharges that short-circuited partially the gap between two conductors. There are many detection methods well known under AC and DC voltage, however, in the case of the detection under PWM like voltage in low-voltage motors, the detection is much more complex. Partial discharge signals are embedded in the electromagnetic noise generated by the switching. The aim of this thesis is to develop a detection method and filtering method enabling a non-intrusive and an "on-line" partial discharges detection in the aeronautical field in order to qualify the electrical insulation systems used in aircraft.

Les convertisseurs multicellulaires parallèles permettent de traiter des puissances importantes et de profiter d'une certaine standardisation des équipements. Ces dernières années, ces structures ont connu un regain d'intérêt lié notamment à la possibilité de couplage magnétique des inductances. Ce couplage aboutit à un composant magnétique aux propriétés très différentes appelé Transformateur Inter-Cellules (ICT) ; il ne modifie pas le courant de sortie, par contre il réduit l'ondulation de courant dans les bobines et l'ondulation de flux dans certaines parties du noyau. On peut montrer que ce couplage entraîne une réduction des pertes Joules dans les conducteurs et des pertes magnétiques dans le noyau. La réduction de l'ondulation de courant diminue également le courant efficace dans les semiconducteurs ce qui réduit les pertes par conduction, et la différence entre le courant à l'amorçage et au blocage des interrupteurs, ce qui permet la diminution des pertes dans les semiconducteurs lorsque les pertes au blocage sont supérieures aux pertes à l'amorçage. Le dimensionnement d'un ICT n'est pas fondamentalement différent de celui fait pour d'autres composants magnétiques en ce sens qu'il est basé sur le respect de certaines valeurs limites (induction, température) ce qui suppose une évaluation des différentes pertes et l'élaboration d'un modèle thermique. Par contre, la manière d'évaluer ces différentes grandeurs est tout à fait spécifique et n'a que quelques points communs avec les méthodes de calcul des inductances et des transformateurs Dans ce travail de thèse, on montre comment dimensionner ces ICTs en considérant plusieurs topologies et méthodes différentes, correspondant à différents niveaux de sophistication et de complexité. L'explication de ce dimensionnement est divisée en quatre parties : Pertes Cuivre, Pertes Fer, Densité de Flux de Saturation et Aspects Thermiques. L'évaluation des pertes cuivre liées aux composantes alternatives des ICTs constituent un point particulièrement délicat dans la mesure où elles résultent de la combinaison de deux facteurs eux-mêmes difficiles à évaluer ; l'inductance de fuite qui détermine l'amplitude des courants alternatifs mais dépend des flux principalement non canalisés et circulant dans l'air (volume d'étude important, effets 3D...), et la résistance équivalente des bobinages qui en haute fréquence est sujette à des phénomènes complexes comme les effets de peau et de proximité. En se basant sur l'utilisation d'un logiciel simple mais néanmoins robuste et fiable pour calculer précisément les résistances en haute fréquence et les inductances de fuite des ICTs, plusieurs astuces permettant de réduire les pertes cuivre non seulement des ICTs mais aussi des transformateurs et des inductances sont suggérées. Des tableaux simples sont développés pour aider le concepteur de transformateurs à identifier la meilleur configuration de conducteurs dans une fenêtre de bobinage en prenant en compte la forme d'onde du courant, le nombre de tours des enroulements, la fréquence des courants et les paramètres géométriques. Des formules analytiques et des outils de calcul adéquats ont ensuite été utilisés pour développer des routines d'optimisation ayant pour but la réduction de la masse, du volume, des pertes ou du coût des ICTs. Des interpolations multidimensionnelles des valeurs présimulées des résistances et inductances de fuite en haute fréquence sont utilisées afin de réduire le temps d'exécution de la routine d'optimisation. Plusieurs dimensionnements des ICTs ont été comparées vis-à-vis des matériaux du noyau et des conducteurs, du nombre de cellules de commutation et de la fréquence de découpage. Des comparaisons avec des selfs ont également été faites afin de montrer les avantages de ces ICTs. Des aspects de la commande des convertisseurs multi-niveaux triphasés ont également été étudiés vis-à- vis du flux circulant dans les ICTs. Des homopolaires, spécifiques pour chaque stratégie MLI et chaque topologie convertisseur/charge, sont créées afin de minimiser le flux dans les ICTs et par conséquent de réduire davantage la masse et la taille de ces composants. Des comparaisons entre différentes méthodes de MLI sont effectuées et vérifiées expérimentalement.