Cette thèse s'intéresse au transformateur de puissance qui constitue l'élément central de toute alimentation à découpage. La recherche s'articule selon deux axes: l'analyse des champs et le calcul des pertes cuivre d'une part, et la modélisation par schéma équivalent (en vue de réaliser des simulations électriques du convertisseur) d'autre part. Selon le premier axe de recherche, l'idée est d'utiliser un logiciel de simulation de champs électromagnétiques par éléments finis pour analyser les champs en deux et en trois dimensions dans le transformateur. Outre une compréhension globale de la répartition des champs, on cherche à analyser finement les pertes cuivre générées dans les enroulements. Aux fréquences utilisées dans les alimentations actuelles (typiquement quelques centaines de kilohertz), la densité de courant se répartit en effet de manière non uniforme dans les conducteurs suite aux effets quasi statiques (effet pelliculaire et effet de proximité). Les pertes cuivre doivent donc être calculées avec des outils spécifiques qui en tiennent compte. Or les modèles analytiques classiquement utilisés dans ce but (formules de Dowell et apparentées) reposent sur une analyse unidimensionnelle du transformateur, suivant une hypothèse dont la portée est mal connue et mise en cause par plusieurs auteurs. Grâce aux simulations par éléments finis, la thèse dresse un inventaire inédit des effets quasi¬statiques 2D et 3D dans les enroulements. Les différents effets sont expliqués physiquement. La fiabilité des méthodes 1D est analysée et l'erreur commise par celles ci est quantifiée suivant le type d'enroulement et la fréquence. Trois méthodes alternatives de calcul des pertes en deux dimensions sont également analysées et critiquées. Pour un type précis d'enroulement (une couche de ruban entre une valeur nulle et une valeur maximale de la force magnétomotrice), une "formule semi empirique" est encore développée. Celle-¬ci rassemble en une seule expression un grand nombre de simulations couvrant toutes les situations géométriques envisageables pour le type d'enroulement considéré. On crée ainsi un outil sans équivalent actuellement, qui allie la rapidité des méthodes 1D à la précision des simulations 2D. La formule semi empirique offre de nombreux avantages pour les concepteurs, dont une forme analytique particulière et la possibilité de réaliser des études paramétriques. D'autre part, la thèse montre également que le "facteur de remplissage", notion présente dans la plupart des formules unidimensionnelles de calcul des pertes cuivre, résulte d'une erreur dans l'article de base de Dowell et se révèle donc sans fondement théorique. Ce facteur garde néanmoins une utilité pratique par le fait qu'il reproduit fortuitement certains effets 2D. Selon le second axe de recherche, la modélisation, divers schémas équivalents sont analysés. Compte tenu du fait que les transformateurs utilisés dans les alimentations à découpage comprennent généralement plusieurs sorties et voient des formes d'onde fortement chargées en harmoniques, deux types de schémas particuliers sont retenus: le schéma "Coupled Choke Secondaries" (schéma CCS) et les schémas du Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble (schémas LEG). Le schéma CCS est validé sur un transformateur réel et implémenté dans une application conviviale.

As the world moves towards a cleaner and greener future, electrical machines for various industrial purposes and transport applications have gained a lot of attention. Permanent magnet synchronous machines (PMSMs) are usually the solution for electric vehicle (EV) applications thanks to their high efficiency, compactness and high-power density. On the downside, although the price of rare-earth materials has recovered close to historical levels, concerns still remain and the questions on the environmental sustainability of these materials have also been raised, which has encouraged the researchers to consider rare-earth-free machines.The switched reluctance machine (SRM) is one of the competitive alternatives, thanks to the simple and robust construction, high reliability and inherent fault tolerance capability. However, it has a bad reputation when it comes to torque ripple and acoustic noise. And the highly nonlinear characteristic brings much difficulty to routine design purposes and machine optimisation.Therefore, some of the above mentioned problems are addressed - a torque-ripple-reduction, reliable and low-cost system of SRMs is presented in this thesis. Firstly from the modelling point of view, a combined magnetic equivalent circuit (MEC) and finite element (FE) model of SRMs is developed for fast characterization the nonlinear behavior. Secondly from the control point of view, various torque-ripple reduction techniques are implemented and compared. Moreover, a minimal current sensing strategy with enhanced fault-detection capability is proposed and validated experimentally. It requires two current sensors, to replace the phase current sensors, with no additional devices for fault detection, to achieve a more compact and low-cost drive. Finally from the reliability point of view, an interturn short-circuit fault detection method and a rotor position estimation approach are investigated and validated experimentally, which leads to a more reliable system. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The number of electrical machines used in modern road-vehicles is continuously increasing to meet regulatory requirements regarding safety and efficiency, as well as consumer expectations in terms of comfort. For auxiliary applications, such as cooling fan or pumps, permanent-magnet synchronous machines (PMSMs) are extensively used owing to their high power density. This thesis focuses on the modelling aspects of PMSMs, with a particular focus on finite-element and reduced-order models to be used in system-level simulations. 2-D and 3-D parametric finite-element (FE) models are developed, allowing to compute irreversible demagnetization in addition to the standard quantities such as torque, back electromotive force and flux-linkages. The effects of magnet overhang on the performance of an interior PMSM is briefly discussed. Using the FE model, a reduced-order lookup-table (LUT) based electromagnetic model, having similar accuracy as FE analysis, is then developed. Coupled to a mechanical state-space representation obtained from a modal FE analysis, the final model allows to compute electromagnetic induced vibrations under pulse width modulation supply. The validation of the complete workflow is carried out on a 12slot-10pole PMSM used to drive a cooling fan. After fitting the damping coefficient in the structural state-space model, the results are in agreement with the experimental results. Due to the usage of LUTs, the simulation time is low compared to a pure FE analysis. This allows the model to be used to optimize low noise control strategies. To conclude this thesis, the parametric FE model is used in an optimization routine to minimize the cost and vibrations of the motor, whilst satisfying the working points. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

DC power systems have a constant DC-link voltage, as well as the advantages such as high stability, high efficiency, small size and light weight; therefore, they are widely used in stand-alone power systems, e.g. the power systems in aircrafts and automobiles, isolated wind power generation systems, etc. Permanent-Magnet Synchronous Generators (PMSGs) possess the advantages including high power density, high efficiency, and high control precision, and have obtained great attention and have been widely used in military, inductry, and daily life. Pulse Width Modulation (PWM) rectifier has been one of the main power conversion topologies thanks to its full controllability. The key point in the dissertation is to study the DC power system consisting of a PMSG to be the main power input device and a PWM rectifier to be the main power conversion topology. The objective of control is to output a constant DC-link voltage in a wide PMSG speed range. Since the PM-excited flux linkage is constant, when the PMSG is working at a high speed, field-weakening is needed to stabilize the stator voltage, further to stabilize the DC-link voltage. Hybrid excitation may be used to realize the field-weakening, but it has complex structure; no auxiliary devices are needed in the field regulation with the armature current, and can be easily realized with the PWM recifier and field-regulation control strategies. In this dissertation, the typical applications of the DC power systems are first introduced, with a comprehensive analysis and elaboration on the relevant research throughout the world. The research work is focused on the DC power system and its stabilization control, which is composed of a PMSG and a PWM rectifier. The involved research content in this dissertation includes the following aspects: 1. DC power system design with a wide-speed-range PMSGAs for the common DC power systems, PMSG with high power density, high efficiency is selected to the system power input device, usually with a variable-speed prime mover. The PWM rectifier with fully controlled switches is chosen to be the power conversion topology, which converts the AC power generated by PMSG into DC power, and supplies the DC load after the DC filter. The matching between the system requirements and the generator parameters are determined. Through finite-element analysis (FEA), a PMSG with strong field-weakening ability and suitable for wide-speed-range operation has been designed and manufactured, and the system test bench has been built based on dSPACE. 2. Study, analysis, optimization and experimental verification of the traditional control strategiesAccording to the PMSG designed in part 1, the DC-link model has been built, as well as the control model of the traditional control strategies, e.g. field-oriented control (FOC), direct torque control (DTC), and the effectiveness of the DC-link voltage stabilization control has been verified in a wide speed range. The theory of active damping has been proposed and analyzed, and has been utilized in the DC-link voltage control. When the load on the DC-link changes, the dynamic response of the DC-link voltage has been greatly accelerated, and it recovers quickly to its reference value. In the meantime, the performance influence of the prime mover speed on the actual system test bench should be considered. Finally, the performance of FOC and DTC has been compared and analyzed. 3. Analysis and experimental verification of the direct voltage control (DVC), and the comparative study of all the studied control strategiesThe derivation process of DVC has been theoretically analyzed: the inner current loops in FOC have been eliminated to obtain the direct voltage field-oriented control (DVFOC); the reference value of d-axis voltage in DVFOC has been replaced by the product of the stator voltage calculated by the speed and the load condition, and the sine value of load angle generated by the DC-link voltage PI controller, in order to form the DVC-1. Further, the DC-link voltage PI controller directly outputs the reference value of load angle and it becomes DVC-2. Finally, the comparative study has been carried out among all the studied control strategies. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The awareness of the human responsibility in global warming has led to various private and public initiatives to reduce the emission of greenhouse gases, up to international level. In this context the development of renewable technologies in two sectors having an important ecological footprint, i.e. production of electricity and transportation, is targeted.In the firstly mentioned sector, the progression of wind energy is at present the most rapid among all renewable energies. But wind turbines still suffer from a global lack of reliability and accessibility compared to classical power plants, leading to potentially important production losses and repair costs. The first part of the present work focuses on the improvement of the electrical chain reliability by the combination of an estimator and a fault-detection algorithm to achieve sensor-fault tolerance, taking benefit from the already available measurement redundancies on doubly-fed-induction-machine (DFIG) drives.Estimators and sensor-fault detection and isolation (FDI) in DFIGs have been the object of many research papers. However, most of them only consider one unique type of measurement and only a few works consider magnetic saturation. A new combination of a closed-loop observer with a cumulative-sum-based FDI technique, considering magnetic saturation and using limited computational resources is proposed here to estimate electromagnetic torque, rotor currents and position for sensor-fault detection and tolerance. This algorithm is then validated in steady state and in case of moderate transients, unbalanced conditions and misestimation of DFIG parameters. The estimator can also start on the fly during the start-up process of the generator.In the transportation sector, new hybrid and full-electric vehicles start to be visible on the roads, but still need important technological improvements in terms of autonomy, performances, but also produced noise and vibrations. The objectives of the second part of this doctoral thesis are related to this last challenge and consist of the experimental investigation of noise, vibration and harshness (NVH) aspects of an 8/6 switched-reluctance machine (SRM) designed for an electrical vehicle (EV).The NVH issues of SRMs, limiting their usage in automotive and other domains, have been the subject of various papers. However, most of them focus on modal analysis or detailed phenomena, while a global evaluation of NVH aspects of SRMs in normal working conditions is rarely made, as well as the use of reproducible sound metrics. A global and relatively fast experimental method to assess the evolution of noise and vibration is proposed. Tests are performed in transient regime, using continuously varying working conditions when possible, for the excitation of a large band of frequencies. The resulting current, radial vibration and acoustic noise are presented as spectrograms for an easy distinction of affected and unaffected frequencies and compared with the associated loudness and sharpness.Furthermore, the implementation of a new faster-sampled current-hysteresis controller has allowed to improve the quality of the control and of the acoustic noise by reducing the current-ripple amplitude and the excitation of resonances. The various tests show that the switching frequency has to be high enough to avoid exciting the ovalization mode of the SRM, but not too high to avoid producing a too sharp noise. The ripple amplitude also has to be considered to limit the loudness. Therefore, soft chopping, or a reduced DC-bus voltage at low speeds, has to be preferred with a relative small hysteresis bandwidth. Finally, the case of an open-phase fault has been investigated showing amplified even current orders in the vibration and acoustic-noise plots. / La prise de conscience de la responsabilité humaine dans le réchauffement climatique est à la source de nombreuses initiatives publiques et privées parfois internationales pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, le développement de technologies durables dans deux secteurs à forte empreinte écologique est visé: la production d'énergie électrique et les transports. Dans le premier secteur, la progression de l'éolien est à présent la plus rapide parmi toutes les énergies renouvelables. Cependant, les éoliennes souffrent d'un manque global de fiabilité et d'accessibilité par rapport aux centrales électriques classiques, ce qui conduit potentiellement à des pertes de production et des coûts de réparation importants. La première partie de ce travail se focalise sur l'amélioration de la chaîne électrique en la rendant tolérante aux défauts de capteurs au moyen de la combinaison d'un estimateur et d'un algorithme de détection de défauts, tirant avantage de la redondance de mesures déjà présente sur les entraînements à machines asynchrones à double alimentation (MADA). Les estimateurs et la détection et l'isolation de défauts de capteurs sur les MADA a fait l'objet de nombreuses publications scientifiques. Cependant, la plupart d'entre elles considèrent un seul type de mesure et peu de travaux prennent en compte la saturation magnétique. Une nouvelle combinaison d'un observateur et d'un algorithme de détection de défauts de type ‘CUSUM', considérant la saturation magnétique et nécessitant une puissance de calcul limitée, est proposée dans cette thèse pour l'estimation du couple électromagnétique, des courants et de la position rotoriques en vue d'obtenir la tolérance aux défauts de capteurs. Cet algorithme est validé en régime permanent et cas de transitoires modérés, de tensions du réseau déséquilibrées et d'erreurs d'estimation des paramètres de laMADA. L'estimateur est aussi capable de démarrer seul lors du démarrage de la génératrice. Dans le secteur des transports, des véhicules hybrides et électriques commencent à être visibles sur les routes, malgré que des progrès technologiques importants en termes d'autonomie, de performances, mais aussi de bruits et vibrations soient encore nécessaires pour une utilisation plus intensive. L'objectif de la deuxième partie de cette thèse se rapporte à ce dernier défi et consiste à analyser les aspects acoustiques et vibratoires d'une machine à réluctance variable 8/6 conçue pour propulser un véhicule électrique. Ces problèmes acoustiques et vibratoires, qui limitent notamment l'usage de telles machines dans des applications de propulsion, ont été l'objet de divers articles scientifiques. Cependant, la plupart d'entre eux sont focalisés sur des analyses modales ou de phénomènes particuliers, alors qu'une évaluation globale des problèmes de bruit et de vibration des machines à réluctance variable en conditions normales de fonctionnement est rarement proposée, de même que l'utilisation de critères de qualité sonore. Une méthode expérimentale globale et relativement rapide pour évaluer l'évolution du bruit et des vibrations est proposée dans ce travail. Les essais sont réalisés en régime transitoire pour exciter une large bande de fréquences et en faisant varier continuellement, quand cela est possible, les conditions de fonctionnement. Les courants, vibrations radiales et bruits acoustiques résultants sont présentés sous formes de cartographies couleur pour une distinction aisée des fréquences affectées et non-affectées et comparés aux niveaux calculés de bruyance et d'acuité correspondants. Par ailleurs, la mise en place d'un nouveau régulateur à hystérèse en courant à plus grande fréquence d'échantillonnage a permis d'améliorer la qualité de la commande et du bruit acoustique associé en réduisant l'amplitude des oscillations de courant et l'excitation des fréquences de résonance. Les essais montrent que la fréquence de commutation doit être suffisamment élevée pour éviter l'excitation du mode d'ovalisation de la machine, mais pas trop pour éviter une trop grande acuité du son produit. L'amplitude des oscillations doit aussi être considérée pour limiter la bruyance. En conséquence, une commande en ‘soft chopping', ou une tension réduite du bus continu à basse vitesse, doit être combinée à une bande d'hystérèse relativement faible. Enfin, le cas d'un défaut de phase ouverte a été étudié et a montré une amplification des ordres pairs du courant dans les spectres vibratoires et acoustiques. / De bewustwording van de menselijke verantwoordelijkheid in de opwarming van de aarde heeft tot verschillende private en publieke initiatieven geleid om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. In deze context is de ontwikkeling van hernieuwbare technologieën hoofdzakelijk gericht op twee sectoren met een belangrijke ecologische impact: elektriciteitsproductie en transport.In de eerste sector ontwikkelt windenergie zich op dit moment sneller dan alle andere hernieuwbare energieën. Maar windturbines lijden nog steeds aan een gebrek aan betrouwbaarheid en toegankelijkheid, en dus aan potentieel hogere productieverliezen en herstelkosten, als ze met klassieke krachtcentrales worden vergeleken. In het eerste deel van deze doctoraatsthesis wordt op de verbetering van de elektrische keten geconcentreerd door de combinatie van een schatter en een foutdetectie- en -isolatiealgoritme (FDI-algoritme) om sensorfouttolerantie te verkrijgen dankzij de reeds aanwezige meetovertolligheid op dubbelgevoede inductiemachine (DFIG) aandrijvingen.Schatters en sensor-FDI-algoritmen zijn het onderwerp van vele wetenschappelijke artikelen geweest. Meestal wordt maar één sensortype beschouwd en met de magnetische verzadiging wordt niet vaak rekening gehouden. Een nieuwe combinatie van een schatter met gesloten terugkoppeling en een FDI-techniek gebaseerd op het ‘cumulative-sum' principe is voorgesteld. Zo kan het elektromagnetische koppel, de rotorstromen en positie worden geschat voor sensor FDI en fouttolerantie met beperkte rekenkosten en zonder de magnetische verzadering te verwaarlozen. Het algoritme wordt in stabiele toestand gevalideerd, maar ook in het geval van gematigde transiënte situaties, onevenwichtige netwerkomstandigheden en een verkeerde schatting van DFIG parameters. Het kan ook vanzelf starten tijdens de startprocedure van de generator.In de vervoersector beginnen hybride en elektrische voertuigen op de wegen te rijden. Maar vooreen intensiever gebruik van zo'n wagens zijn er nog technologische verbeteringen nodig met betrekking tot autonomie, prestaties en ook geluid en trillingen (NVH). Het tweede deel van de thesis betreft die laatste uitdaging en bestaat uit het experimentele onderzoek van geluid en trillingen op een 8/6 variabelereluctantiemachine (SRM) ontwikkeld voor elektrische voertuigen.De NVH-problemen van SRM's beperken hun gebruik in automobiele en andere toepassingen enonderzoek wordt erover voortgezet. Vele wetenschappelijke artikelen focussen toch op modale analyse of gedetailleerde fenomenen terwijl een globale evaluatie van NVH aspecten in SRM's in gewone operatiecondities nauwelijks wordt gemaakt. Hetzelfde geldt voor het gebruik van reproduceerbare geluidsmetrieken. Een globale en vrij vlugge experimentele methode is hier voorgesteld om het NVH gedrag te schatten. Testen worden in transiënte situaties uitgevoerd om een brede frequentieband te exciteren, indien mogelijk met voortdurend variërende condities. De gemeten fasestroom, trilling en geluid worden als kleurmappen geplot om het verschil tussen beïnvloede en niet geaffecteerde frequenties te vergemakkelijken en met de berekende akoestische luidheid en scherpte vergeleken.Bovendien heeft de implementatie van een sneller bemonsterd stroomhysteresisregelaar geleid tot een verbetering van de regulatie- en akoestische kwaliteit door de amplitude van de stroomrimpeling en de excitatie van resonantiefrequenties te verminderen. De testresultaten tonen dat de schakelfrequentie voldoende hoog moet zijn om de excitatie van de ovale vervormingsmode te vermijden, maar niet te hoog om de scherpte van het geluid te beperken. De amplitude van de rimpel beïnvloedt ook de luidheid en daarvoor moet in aanmerking worden genomen. Bijgevolg zou ‘soft chopping'mode, of een lagere spanning op de DC-bus bij lage toerentallen, met een relatief klein hysteresisband beter worden gebruikt. Uiteindelijk wordt het geval van een openfasefout bestudeerd en onthult versterkte gelijke frequentievolgorden in de trilling- en geluidplots. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse s'intéresse au transformateur de puissance qui constitue l'élément central de toute alimentation à découpage. La recherche s'articule selon deux axes: l'analyse des champs et le calcul des pertes cuivre d'une part, et la modélisation par schéma équivalent (en vue de réaliser des simulations électriques du convertisseur) d'autre part.<p><p>Selon le premier axe de recherche, l'idée est d'utiliser un logiciel de simulation de champs électromagnétiques par éléments finis pour analyser les champs en deux et en trois dimensions dans le transformateur. Outre une compréhension globale de la répartition des champs, on cherche à analyser finement les pertes cuivre générées dans les enroulements.<p><p>Aux fréquences utilisées dans les alimentations actuelles (typiquement quelques centaines de kilohertz), la densité de courant se répartit en effet de manière non uniforme dans les conducteurs suite aux effets quasi statiques (effet pelliculaire et effet de proximité). Les pertes cuivre doivent donc être calculées avec des outils spécifiques qui en tiennent compte. Or les modèles analytiques classiquement utilisés dans ce but (formules de Dowell et apparentées) reposent sur une analyse unidimensionnelle du transformateur, suivant une hypothèse dont la portée est mal connue et mise en cause par plusieurs auteurs.<p><p>Grâce aux simulations par éléments finis, la thèse dresse un inventaire inédit des effets quasi¬statiques 2D et 3D dans les enroulements. Les différents effets sont expliqués physiquement. La fiabilité des méthodes 1D est analysée et l'erreur commise par celles ci est quantifiée suivant le type d'enroulement et la fréquence. Trois méthodes alternatives de calcul des pertes en deux dimensions sont également analysées et critiquées.<p><p>Pour un type précis d'enroulement (une couche de ruban entre une valeur nulle et une valeur maximale de la force magnétomotrice), une "formule semi empirique" est encore développée. Celle-¬ci rassemble en une seule expression un grand nombre de simulations couvrant toutes les situations géométriques envisageables pour le type d'enroulement considéré. On crée ainsi un outil sans équivalent actuellement, qui allie la rapidité des méthodes 1D à la précision des simulations 2D. La formule semi empirique offre de nombreux avantages pour les concepteurs, dont une forme analytique particulière et la possibilité de réaliser des études paramétriques.<p><p>D'autre part, la thèse montre également que le "facteur de remplissage", notion présente dans la plupart des formules unidimensionnelles de calcul des pertes cuivre, résulte d'une erreur dans l'article de base de Dowell et se révèle donc sans fondement théorique. Ce facteur garde néanmoins une utilité pratique par le fait qu'il reproduit fortuitement certains effets 2D.<p><p>Selon le second axe de recherche, la modélisation, divers schémas équivalents sont analysés. Compte tenu du fait que les transformateurs utilisés dans les alimentations à découpage comprennent généralement plusieurs sorties et voient des formes d'onde fortement chargées en harmoniques, deux types de schémas particuliers sont retenus: le schéma "Coupled Choke Secondaries" (schéma CCS) et les schémas du Laboratoire d'Electrotechnique de Grenoble (schémas LEG). Le schéma CCS est validé sur un transformateur réel et implémenté dans une application conviviale.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished