Le problème de la commande de machine asynchrone sans capteur mécanique de vitesse est très étudié dans les domaines de l'automatique et de l'électrotechnique. Ce travail porte sur la faisabilité de ce type de commande sur l'ensemble de la plage de vitesse et pour tout type de machine asynchrone afin d'être utilisée en traction ferroviaire. Une étude poussée de l'observabilité permet de définir une mesure quantitative continue de l'observabilité de la vitesse de la machine, appelée index d'observabilité. La synthèse d'un observateur confirme ainsi la correspondance entre les zones de faible index d'observabilité et celles où l'observation est de mauvaise qualité. L'index d'observabilité défini dans cette thèse permet donc de prédire les performances d'observation d'un système. L'originalité principale des travaux présentés tient dans l'utilisation de cet index d'observabilité dans la commande de la machine asynchrone sans capteur mécanique de vitesse. En tirant profit du degré de liberté qu'offre la variation d'amplitude du flux, nous proposons de garantir un index d'observabilité au-dessus d'un seuil tout en respectant les autres contraintes de la commande. L'observation de la vitesse devient alors précise sur toute la plage de vitesse, et un fonctionnement long est possible en tout point sans perturber le couple réalisé. Des expérimentations sur simulateur numérique viennent confirmer ces résultats, y compris lors de phases de patinage. L'observation des paramètres électriques est également étudiée afin de garantir la précision de l'observation de vitesse. Pour cela, la sensibilité de l'observation de vitesse aux variations de paramètres électriques et l'observabilité de ces paramètres sont étudiées, permettant de définir une nouvelle stratégie d'observation des paramètres électriques. Des essais sur banc de puissance, puis en application réelle sur un train régional, valident les performances de la commande sans capteur de vitesse proposée sur toute la plage de vitesse, et son adéquation aux contraintes d'une application ferroviaire. / The problem of speed sensorless control of induction machine is a well-studied problem in the field of automatic control and electrical engineering. This work addresses the problem of the feasibility of induction machine control over the whole speed range and for any type of induction machine, aiming at being used in a railway application. An intensive study of observability has defined a continuous quantitative measurement of the speed observability, named observability index. An observer was developped to confirme the correspondence between low-observability index areas and poor observation quality. The observability index defined in this thesis is thus a way to predict the observation performance of systems. The main originality of the work presented in this thesis is the use of this observability index in the induction machine speed sensorless drive. By taking advantage of the degree of freedom given by the variation of the flux amplitude, we propose to guarantee the observability index value above a given threshold while respecting the other constraints of the control. The speed observation becomes precise over the entire speed range, and a long time operation is possible on any point, without interfering with torque regulation. Experiments on real-time simulator confirm these results, including when slipping and sliding occurs. The electrical parameter observation is also studied to ensure the accuracy of speed observation. For this, the sensitivity of the speed observation to electrical parameter variations and the observability of these parameters are studied, leading to the definition of the electrical parameter observation strategy. The testings on power bench, and in real application on a regional train, validate the performance of the speed sensorless drive proposed on the entire speed range, and its suitability to the constraints of a railway application.

L’objectif de ces travaux de thèse est de développer des architectures fiables de surveillance et de détection des défauts d’une machine asynchrone basées sur des techniques paramétriques de traitement du signal. Pour analyser et détecter les défauts, un modèle paramétrique du courant statorique en environnement stationnaire est proposé. Il est supposé être constitué de plusieurs sinusoïdes avec des paramètres inconnus dans le bruit. Les paramètres de ce modèle sont estimés à l’aide des techniques paramétriques telles que les estimateurs spectraux de type sous-espaces (MUSIC et ESPRIT) et l’estimateur du maximum de vraisemblance. Un critère de sévérité des défauts, basé sur l’estimation des amplitudes des composantes fréquentielles du courant statorique, est aussi proposé pour évaluer le niveau de défaillance de la machine. Un nouveau détecteur des défauts est aussi proposé en utilisant la théorie de détection. Il est principalement basé sur le test du rapport de vraisemblance généralisé avec un signal et un bruit à paramètres inconnus. Enfin, les techniques paramétriques proposées ont été évaluées à l’aide de signaux de courant statoriques expérimentaux de machines asynchrones en considérant les défauts de roulements et les ruptures de barres rotoriques. L’analyse des résultats expérimentaux montre clairement l’efficacité et la capacité de détection des techniques paramétriques proposées. / This Ph.D. thesis aims to develop reliable and cost-effective condition monitoring and faults detection architectures for induction machines. These architectures are mainly based on advanced parametric signal processing techniques. To analyze and detect faults, a parametric stator current model under stationary conditions has been considered. It is assumed to be multiple sinusoids with unknown parameters in noise. This model has been estimated using parametric techniques such as subspace spectral estimators and maximum likelihood estimator. A fault severity criterion based on the estimation of the stator current frequency component amplitudes has also been proposed to determine the induction machine failure level. A novel faults detector based on hypothesis testing has been also proposed. This detector is mainly based on the generalized likelihood ratio test detector with unknown signal and noise parameters. The proposed parametric techniques have been evaluated using experimental stator current signals issued from induction machines under two considered faults: bearing and broken rotor bars faults.Experimental results show the effectiveness and the detection ability of the proposed parametric techniques.

Ce travail s’intéresse à l’étude d’un système de pompage turbinage à vitesse variable avec une machine asynchrone doublement alimentée face aux perturbations de réseau électrique. L’objectif est d’assurer la continuité de service de cet élément stabilisateur de réseau électrique de sorte qu’il reste connecté au réseau même en cas de perturbations. Le contrôle du système dans les différentes phases de fonctionnement en mode sain a été tout d’abord développé ainsi qu'une étude de stabilité de système utilisant l’analyse modale. Les différents outils nécessaires pour cette analyse ont été tout d’abord mis en oeuvre. Ensuite, les limites de stabilité du système ont été étudiées tenant compte de la variation de longueur de ligne. Le comportement du système en présence des défauts a été par la suite étudié. Les défauts de réseau considérés sont les défauts symétriques et les défauts asymétriques. Une solution basée sur la modification de la stratégie de contrôle a été adoptée pour le cas des défauts symétriques et une solution basée sur l’ajout d’éléments au circuit de puissance a été adoptée pour les cas des défauts asymétriques. Un dispositif expérimental de 4kW a été mis en oeuvre pour la validation des développements menés dans le cadre de cette thèse. / This work focuses on the study of a variable speed pumped storage system based on a doubly fed induction machine in case of grid disturbances. Thus the main objective is to improve the fault ride through capabilities of this grid stabilizer and to guarantee its connection with the grid even under disturbances. The system control in the different operating phases in healthy conditions is developed and then a system stability study is conducted using the eigenvalue analysis. The system stability limits have been investigated taking into account the variation of grid line length so the grid impedance variation. Then the system behavior under disturbances is analyzed. Theconsidered grid faults are symmetric and asymmetric faults. The investigated fault ride through capabilities of the pumped storage system consist of two solutions, one based on the modification of the control strategy was adopted for the symmetric faults and one based on hardware modification has been adopted for the asymmetric ones. A 4kW laboratory set-up has been developed for experimental validation.