Le travail présenté dans cette thèse propose des nouvelles méthodes de diagnostic des défauts dans les machines à courant alternatif. Les procédures de diagnostic décrites sont fiables, originales, peu coûteuses et simples à mettre en œuvre. Elles présentent l’avantage d’être non invasives et viennent éliminer le principal inconvénient présenté par les autres méthodes de diagnostic déjà connues qui ont recours à la comparaison avec un état supposé sain et connu. L’analyse porte principalement sur le champ magnétique de dispersion, plus particulièrement ses composantes axiales et radiales qui présentent des sensibilités différentes aux défauts. À cet effet, les phénomènes dus aux défauts de court-circuit entre spires dans le bobinage statorique, l’excentricité et la rupture de barres rotoriques, sont étudiés. Il est abordé en particulier les effets de ces défauts dans le cas de la machine asynchrone et celui de la machine synchrone sur le champ axial et sur le champ radial. Pour chaque défaut, des signatures spécifiques sont mises en évidence et expliquées par la modélisation analytique et la modélisation numérique qui comprend les méthodes par circuits électriques couplés et méthodes par éléments finis. Des défauts ont été créés au rotor et au stator sur différentes machines, afin de valider expérimentalement les méthodes de diagnostic proposées. / The work described in this thesis proposes new procedures to diagnose faults in AC machines. The diagnostic procedures described are reliable, original, inexpensive and simple to implement. They have the advantage of being noninvasive and just get rid from the main drawback presented by other diagnostic methods based on a comparison with a healthy state assumed to be known. The analysis focuses on the magnetic field dispersion in the vicinity of the machine, especially its radial an axial distribution which presents different sensitivity according to various faults. To this end, the phenomena due to inter-turn short-circuit faults in the stator winding, rotor eccentricity and broken rotor bars, are studied in the case of an induction machine and a synchronous machine. For each fault, specific signatures are identified and justified by analytical modeling and numerical method of analysis including coupled electric circuit and finite element methods. Defects have been created in the rotor and stator on different machines in order to validate experimentally the suggested diagnostic procedures.

L'objectif de ce travail en cotutelle entre l'Université Technique de Sofia et l'Université de Corse, consiste à étudier différentes structures de systèmes hybrides à sources d'énergie renouvelables et ce, dans deux cadres : des processus à variation lente (aspect énergétique) et à variation rapide (aspect électrique). Après une étude bibliographique basée sur une littérature internationale, une étude du potentiel éolien et solaire et de leur complémentarité est réalisée pour différentes stations Bulgares et Corses Les différents modèles de comportement des générateurs du système hybride ont été présentés et validés : photovoltaïque et éolien, puis une analyse des performances d'un système éolien/PV/Stockage et en son dimensionnement optimisé a été réalisé. Le choix du mode de stockage s'est porté sur les Stations de Pompage à Transfert d'Energie (STEP) et l'apport d'un tel stockage sur l'augmentation du taux de pénétration des sources d'énergie renouvelables a été estimé dans le cas du réseau électrique corse. Dans le cadre de l'étude des processus à variation rapide, l'attention a été portée vers les éléments du système hybride dans lesquels intervient une machine asynchrone. Des modèles de machine asynchrone, de convertisseur de tension réversible et de systèmes de contrôle sous différentes configurations ont été développés et validés expérimentalement. Le modèle de simulation a été adapté et mis en oeuvre dans un système microprocesseur dSPACE, qui permet le contrôle des convertisseurs électroniques dans le circuit du rotor de la machine asynchrone à double alimentation en temps réel.

Avec le développement de l'éolien, les prescriptions techniques de raccordement de cette technologie obligeront le maintient de sa connexion lors d'incidents sur la tension du réseau électrique. L'enjeu pour le gestionnaire du réseau est de pouvoir utiliser tous les générateurs pour garantir la stabilité du système électrique.A partir d'un modèle dynamique d'une éolienne à base de Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA), une commande vectorielle améliorée a été proposée en prenant en compte la dynamique du flux statorique engendrée par la chute de tension. Les performances supérieures en terme de maintient de la production ont été établies par comparaison avec la méthode de commande classique. Son domaine d'utilisation a été également déterminé.Pendant les creux de tension importants, une protection matérielle (crowbar) est implémentée avec un contrôle de la démagnétisation de la MADA. En outre, de la puissance réactive peut être produite à la fois par la MADA et par le convertisseur connecté au réseau électrique au cours de la défaillance du réseau.Un contrôle vectoriel à hystérésis des courants pour les deux convertisseurs électroniques multiniveaux est proposé et évalué pour améliorer la réponse dynamique de ces convertisseurs et pour réduire les effets des variations des paramètres sur les performances de la commande. Selon la durée du défaut, des objectifs différents de contrôle doivent être réalisés en priorité pour empêcher des surintensités rotoriques et pour fournir de la puissance réactive. Une reconfiguration complète du dispositif de commande de cette éolienne est détaillée pour renforcer le maintient de la production éolienne lors de défaillances

En matière d'entraînement électromécanique, les achats industriels s'orientent principalement vers les machines électriques asynchrones. Ces types de machines sont réputés pour leur robustesse et leur entretien quasi nul. Leur simplicité de conception en font des outils performants et économiques. Le problème de bruit de ces machines est loin d'être récent mais les spécifications d'utilisation ont cependant évolué ainsi que les modes d'utilisation. Les contraintes économiques poussent à la réalisation de machines de plus en plus compactes et légères, ce qui ne favorise pas la réduction du bruit. Il est également de plus en plus courant, non pas d'alimenter ces machines directement par un réseau polyphasé mais à l'aide d'une électronique de puissance. Ce type d'alimentation permet un contrôle plus fin de la machine ce qui donne la possibilité de faire varier le couple et la vitesse de rotation. <br /> Cette association machines - convertisseurs statiques de puissance se généralise d'autant plus que l'électronique de puissance progresse rapidement et que ses coûts diminuent. Bien sûr, ces évolutions ne vont pas sans l'apparition de problèmes inédits en ce qui concerne le bruit et les vibrations. <br /> Un isolement -- capitonnage -- de la machine est parfois mis en place pour limiter les nuisances sonores mais il peut conduire à des problèmes d'échauffement ou d'encombrement. Il est beaucoup plus pertinent d'éviter l'émission acoustique en contrôlant à la source le comportement vibro-acoustique de la machine, c'est-à-dire en contrôlant les sources de vibrations d'origine électromagnétique. <br /> Notre travail consistera à développer des outils, à la fois, simples et suffisamment précis, pour coupler la chaîne entière d'émission acoustique. Ce travail doit, non seulement, permettre au concepteur de machine d'introduire dans ces paramètres la notion de bruit, mais également, à l'électronicien de puissance d'adapter sa stratégie de commande et de conversion statique à la machine dans une perspective de réduction du bruit. <br /> Ce travail est également l'occasion pour nous, électrotechniciens, de rencontrer et de travailler avec des spécialistes de vibro-acoustique. Le travail présenté, orienté dans une optique de conception est le résultat d'une première étude menée dans notre laboratoire.

Ce travail de thèse traite de la détection et du diagnostic des défaillances par analyse du courant statorique dans les entraînements mécaniques à base de machine asynchrone. En se basant sur des travaux ultérieurs un modèle du signal en présence de défaut est présenté. Pour estimer les paramètres du modèle, nous proposons une technique statistique basée sur le Maximum de Vraisemblance et une approche basée sur les sous-espaces signal/bruit. Ces techniques ont été développées pour analyser des courants statoriques dans le cas stationnaire et non-stationnaire. Ces techniques permettent de révéler la présence d'une défaillance et de mesurer sa sévérité. Les résultats de simulation sur des signaux issus d'un modèle de la machine asynchrone, basé sur les circuits électriques magnétiquement couplés, permettent de valider les méthodes de détection proposées et démontre l'intérêt des techniques afin d'extraire de façon automatique un indicateur de défaut. L'étude est complétée par une validation expérimentale sur des signaux issus d'un banc expérimental pour la détection des défauts de roulement.

Les Interfaces Cerveau-Machine (ICM) sont des systèmes qui permettent à des patients souffrant d'un handicap moteur sévère d'utiliser leur activité cérébrale pour contrôler des effecteurs, par exemple des prothèses des membres supérieurs dans le cas d'ICM motrices. Les intentions de mouvement de l'utilisateur sont estimées en appliquant un décodeur sur des caractéristiques extraites de son activité cérébrale. Des challenges spécifiques au déploiement clinique d'ICMs motrices ont été considérés, à savoir le contrôle mono-membre ou séquentiel multi-membre asynchrone et précis. Un décodeur, le Markov Switching Linear Model (MSLM), a été développé pour limiter les activations erronées de l'ICM, empêcher des mouvements parallèles des effecteurs et décoder avec précision des mouvements complexes. Le MSLM associe des modèles linéaires à différents états possibles, e.g. le contrôle d'un membre spécifique ou une phase de mouvement particulière. Le MSLM réalise une détection d'état dynamique, et les probabilités des états sont utilisées pour pondérer les modèles linéaires.La performance du décodeur MSLM a été évaluée pour la reconstruction asynchrone de trajectoires de poignet et de doigts à partir de signaux electrocorticographiques. Il a permis de limiter les activations erronées du système et d'améliorer la précision du décodage du signal cérébral. / Brain-Computer Interfaces (BCI) are systems that allow severely motor-impaired patients to use their brain activity to control external devices, for example upper-limb prostheses in the case of motor BCIs. The user's intentions are estimated by applying a decoder on neural features extracted from the user's brain activity. Signal processing challenges specific to the clinical deployment of motor BCI systems are addressed in the present doctoral thesis, namely asynchronous mono-limb or sequential multi-limb decoding and accurate decoding during active control states. A switching decoder, namely a Markov Switching Linear Model (MSLM), has been developed to limit spurious system activations, to prevent parallel limb movements and to accurately decode complex movements.The MSLM associates linear models with different possible control states, e.g. activation of a specific limb, specific movement phases. Dynamic state detection is performed by the MSLM, and the probability of each state is used to weight the linear models. The performance of the MSLM decoder was assessed for asynchronous wrist and multi-finger trajectory reconstruction from electrocorticographic signals. It was found to outperform previously reported decoders for the limitation of spurious activations during no-control periods and permitted to improve decoding accuracy during active periods.

Les entraînements électriques à base de machine asynchrone sont largement utilisés dans les applications industrielles en raison de leur faible coût, de leurs performances et de leur robustesse. Cependant, des modes de fonctionnement dégradés peuvent apparaître durant la vie de la machine. L'une des raisons principales de ces défaillances reste les défauts de roulements à billes. Afin d'améliorer la sûreté de fonctionnement des entraînements, des schémas de surveillance peuvent être mis en place afin d'assurer une maintenance préventive. Ce travail de thèse traite de la détection et du diagnostic des défauts mécaniques et plus particulièrement des défauts de roulements dans une machine asynchrone. Généralement, une surveillance vibratoire peut être mise en place. Cette méthode de surveillance est cependant souvent chère du fait de la chaîne de mesure. Une approche, basée sur l'analyse et le traitement des courants statoriques, est alors proposée, afin de suppléer à l'analyse vibratoire. L'étude est basée sur l'existence et la caractérisation des effets des oscillations du couple de charge sur les courants d'alimentation. Un schéma de détection est alors introduit pour détecter différents types de défauts de roulements. De plus, des variables mécaniques, telles que la vitesse ou le couple, sont également reconstruites afin de fournir une indication sur la présence de défauts de roulements. Par ailleurs, un diagnostic des modulations des courants statoriques est proposé, en régime permanent et en régime transitoire, quel que soit le rapport entre les fréquences porteuse et modulante. Les méthodes étudiées sont la transformée de Hilbert, la transformée de Concordia, l'amplitude et la fréquence instantanées ainsi que la distribution de Wigner-Ville.

La démarche générale du mémoire consiste à utiliser des outils mathématiques permettant d'élaborer un formalisme vectoriel applicable aux systèmes électriques au sens large. Ce formalisme bénéficie à la fois des propriétés graphiques et géométriques de la théorie des vecteurs d'espace qu'il généralise et de la puissance du calcul matriciel. Aussi, est-il tout particulièrement adapté à l'étude des systèmes polyphasés.<br />Tout d'abord, on caractérise les modulateurs d'énergie indépendamment de leurs charges. Pour cela des espaces vectoriels leur sont associés ainsi que des familles de vecteurs qui les caractérisent. Il est possible alors de définir quel type de charge le modulateur est capable de contrôler. Les degrés de liberté de la commande trouvent également une formulation mathématique. Les exemples traités sont les onduleurs de tension monophasé et triphasé deux niveaux. L'approche conduit, dans le cas d'une commande aux valeurs moyennes, à un calcul original des durées de conduction des interrupteurs en utilisant la notion de barycentre. Les algorithmes obtenus, généralisables aux onduleurs à n bras, comportent un nombre réduit d'opérations logiques et arithmétiques.<br />Le formalisme est ensuite appliqué à la machine asynchrone triphasée avec q barres au rotor ; ceci nous permet d'expliciter la notion de rotor diphasé équivalent. La machine asynchrone pentaphasée est également modélisée et l'approche développée met en évidence les conditions que doit remplir l'onduleur à 5 bras pour l'alimenter correctement.<br />Dans la dernière partie, un onduleur de courant à Modulation de Largeur d'Impulsions est étudié à l'aide du formalisme. Les non-linéarités de la commande sont prises en compte vectoriellement, notamment, de façon originale, celle concernant la durée minimale de conduction des interrupteurs. On décrit enfin l'implantation matérielle de cette commande sur microcontrôleur 16 bits et présente les résultats expérimentaux dans le cas d'une charge constituée d'une machine asynchrone triphasée en parallèle avec des condensateurs.

Les diverses normes internationales obligent les constructeurs automobiles à optimiser les chaînes de propulsion conventionnelles mais surtout à développer d’autres alternatives de motorisation dont l’une des plus prometteuses est le véhicule électrique. Néanmoins ces nouvelles propulsions doivent garantir les mêmes performances et le même niveau de sureté de fonctionnement (fiabilité et sécurité en l’occurrence). La chaîne de propulsion électrique est conçue autour d’un nombre important de constituants (machine électrique, capteur(s), convertisseur(s) de l’électronique de puissance, etc.) qui peuvent être le siège de défauts. La détection et la localisation de ces défauts sont indispensables mais pas suffisantes pour assurer la sureté de fonctionnement du système. En effet pour assurer un fonctionnement en mode dégradé, il faut mettre en œuvre une architecture de commande tolérante aux fautes. L'objectif principal de cette thèse est de proposer des nouvelles architectures de commande tolérante aux défauts (Fault Tolerant Control en anglais) d’un véhicule électrique propulsé par une machine asynchrone, en présence de plusieurs types de défaut du capteur mécanique. Cette thèse est organisée en 4 chapitres.Le Chapitre 1 est un état de l’art exhaustif avec une analyse critique des architectures et des systèmes de contrôle commande tolérants aux fautes des chaînes de traction électrique ainsi qu'un état de l'art des différents défauts qui peuvent apparaitre dans la chaine de traction électrique. Le Chapitre 2 propose deux architectures de commande tolérante aux fautes : l’Hybride FTC et le GIMC (Generalised Internal Model Control) ; l’approche Hybride FTC est une combinaison de deux contrôleurs, le premier est un régulateur PI pour le mode sain et le second un correcteur robuste H infini pour le mode défaillant. L’architecture GIMC permet la restructuration de la loi de commande d'une manière adaptative. Elle est conçue afin d’assurer une bonne robustesse du système en présence de défaut grâce à une boucle interne faisant office de boucle de correction et de diagnostic.Le Chapitre 3 est consacré exclusivement à la commande tolérante aux fautes à base d'algorithme de vote, en faisant une étude comparative de 4 algorithmes avec trois topologies différentes : une première structure est proposée sur la sortie du système, une deuxième structure est appliquée sur la commande du système, et la troisième structure est une hybridation des deux précédentes.Le Chapitre 4 est dédié à la validation expérimentale des architectures décrites précédemment. Les résultats obtenus montrent l’efficacité des approches FTC proposées. / The various international standards require automakers to optimize conventional power train but mainly to develop other alternatives to drive, one of the most promising is the electric vehicle. However, these new drives should guarantee the same performance and the same level of dependability (reliability and security in this case).Electric power train is built around a large number of components (electrical machine, the sensor, the converter, power electronics, etc.) which may be affected by defects. The detection and localization of these defects are essential but not sufficient to ensure the dependability of the system. Indeed, to ensure operation in degraded mode, you must implement architecture of fault tolerant control (FTC). The main objective of this thesis is to propose new fault tolerant control architectures of an electric vehicle induction machine power train in the presence of several types of mechanical sensor failure. This thesis is organized into four chapters.Chapter 1 is a comprehensive state of the art with a critical analysis of architectures and control systems tolerant to faults of electric powertrains and a state of the art of the various defects that may occur in the chain of electric traction.Chapter 2 proposes two architectures of fault tolerant control: Hybrid FTC and GIMC (Generalised Internal Model Control); Hybrid FTC approach is a combination of two controllers, the first is a PI controller for the sound mode and the second a robust controller for the failed H infinity mode. The architecture allows GIMC restructuring the control law in an adaptive manner. It is designed to ensure robustness of the system in the presence of a fault with an inner loop acting loop correction and diagnosis.Chapter 3 is devoted exclusively to the algorithm voting fault tolerant control based on comparative study of four algorithms with three different topologies: a first structure is proposed on the system output, a second structure is applied system control, and the third structure is a two preceding hybridization.Chapter 4 is devoted to the experimental validation of the architecture described above. The results show the effectiveness of the approaches proposed FTC.

Les algorithmes génétiques, la logique floue et les réseaux de neurones sont de plus en plus utilisés dans des domaines d'application très variés. Nous nous proposons de les étudier dans le cadre de l'identification et de la commande de la machine asynchrone. Plus particulièrement, nous utilisons les algorithmes génétiques afin d'identifier les paramètres du modèle dynamique de la machine. Des régulateurs, à base de logique floue et de réseaux de neurones, sont implantés au sein d'une commande vectorielle par orientation du flux rotorique. Est également abordée l'influence de la variation des paramètres sur le fonctionnement du système. Les défauts de structure de la machine asynchrone sont considérés dans le cas des ruptures de barres au rotor. Le diagnostic de ces défauts ainsi que leur influence sur le comportement de la régulation sont étudiés. Enfin, une amélioration de la commande vectorielle sans capteur mécanique est présentée ouvrant une voie vers les techniques intelligentes de commande. Ces dernières sont maintenant possibles compte tenu de la puissance sans cesse grandissante des processeurs. Un logiciel de simulation, développé dans le cadre de la thèse, a permis de mener une bonne partie des études présentées. Une attention particulière a été accordée à la partie expérimentale, seul garant de la faisabilité et de la validation de l'étude.