Résumé : La mesure des profils transitoires et de la vitesse de solidification sont deux données importantes pour le contrôle de procédés industriels impliquant un changement de phase. Dans le cas de l’électrolyse de l’aluminium, ce processus de solidification assure la protection du système et influe sur la performance énergétique du procédé de fabrication. Malheureusement, ces données se révèlent, dans la plupart des cas, difficilement accessibles. Ce travail de thèse porte sur le développement de nouveaux outils permettant l’étude et la caractérisation de la solidification de matériaux à changement de phase et à haute température. L’objectif est de développer un système de mesure du front de solidification de matériaux à changement de phase non destructif et ne perturbant pas le milieu de mesure, tout en assurant une précision et une réponse suffisamment rapide pour exploiter de nouvelles stratégies de contrôle dans les cuves d’électrolyse. Ce travail couple une étude expérimentale fondamentale de la solidification de la cryolithe avec une modélisation numérique de phénomène de changement de phase solide-liquide dans des conditions proches du fonctionnement de cuves d’électrolyse. // Abstract : Measurement of transient solidification fronts and of solidification rate are two important data for controlling industrial processes involving a solid-liquid phase change. In the case of aluminium electrolysis, this solidification process protects the system and affects the energy performance of the manufacturing process. Unfortunately, these data are not easy to obtain in most cases. This thesis focuses on the development of new tools for the study and on the solidification characterization of phase change materials at high temperature. The goal is to develop a nondestructive solidification front measurement system for phase change materials without disturbing the measurement medium, while ensuring accuracy and a fast enough response time to exploit new control strategies in electrolysis cells. This work couples a fundamental experimental study of the cryolite solidification with numerical modeling of solid-liquid phase change phenomenon under conditions close to those during normal operation of electrolytic cells.

Les moteurs électriques sont responsables de 67% de la consommation d’électricité dans l’industrie. Remplacer les moteurs installés par des entrainements plus efficients requiert de statuer sur leur adéquation avec les charges qu’ils entrainent. Une contrainte forte est de les analyser « on-line » et sans mesures intrusives ni consignations des installations.Cette thèse répond à un triple objectif. Premièrement, un dispositif de diagnostic « non-invasif » facilement intégrable en milieu industriel a été développé avec quatre méthodes d’évaluation du niveau de charge des moteurs asynchrones directement connectés au réseau. Deux de ces méthodes, existantes et basées sur la mesure du courant et du flux magnétique de dispersion, font l’objet d’améliorations significatives qui les portent à un niveau TRL7. Les deux autres méthodes exploitent la mesure seule du flux de dispersion. Leur applicabilité est vérifiée pour une alimentation par un système de tensions, équilibré ou non, avec des variations permanentes ou aléatoires. Une étude plus exploratoire montre que l’estimation non-invasive du courant absorbé par les machines asynchrones alimentées par convertisseurs électroniques est possible par exploitation du flux rayonné. Deuxièmement, le dispositif de diagnostic énergétique et des algorithmes de recherche de motorisation adaptée à un cycle de fonctionnement défini ont été appliqués à des exemples concrets d’optimisation énergétique sur un site industriel très énergivore, une aluminerie. Troisièmement, cette étude propose une réflexion sur la gestion d’un parc moteurs et, notamment, sur l'analyse des performances des moteurs neufs comparés à ceux ayant subi un rebobinage. / In the industry, electrical motors are responsible for 67% of electricity consumption. Replacing installed motors by more efficient ones requires the knowledge of their suitability with the loads that they drive. Analyzing the load variations without intrusive measurements or installations consignments is a strong constraint.That is why this thesis has a threefold purpose. Firstly, a “noninvasive” diagnostic device has been developed with four methods for evaluating the load of grid-connected induction motors. Two of these methods, based on the measurement of the current and the magnetic stray flux, have been significantly improved up to TRL7. The two other methods exploit only the measurement of the stray flux. Their applicability is checked for balanced and unbalanced supply voltage systems with permanent or random variations. A more exploratory study shows that the noninvasive estimation of the current for inverter-fed induction machines is possible using the radiated external flux. Secondly, the energy diagnosis device and search algorithms adapted to an operating cycle motorization have been applied to practical examples of energy optimization in an electro-intensive industrial plant, an aluminum smelter. Thirdly, a reflection on the management of a motor fleet is proposed, in particular, on the performance analysis between new motors and rewounded ones.

Rsum : La mesure des profils transitoires et de la vitesse de solidification sont deux donnes importantes pour le contrle de procds industriels impliquant un changement de phase. Dans le cas de llectrolyse de laluminium, ce processus de solidification assure la protection du systme et influe sur la performance nergtique du procd de fabrication. Malheureusement, ces donnes se rvlent, dans la plupart des cas, difficilement accessibles. Ce travail de thse porte sur le dveloppement de nouveaux outils permettant ltude et la caractrisation de la solidification de matriaux changement de phase et haute temprature. Lobjectif est de dvelopper un systme de mesure du front de solidification de matriaux changement de phase non destructif et ne perturbant pas le milieu de mesure, tout en assurant une prcision et une rponse suffisamment rapide pour exploiter de nouvelles stratgies de contrle dans les cuves dlectrolyse. Ce travail couple une tude exprimentale fondamentale de la solidification de la cryolithe avec une modlisation numrique de phnomne de changement de phase solide-liquide dans des conditions proches du fonctionnement de cuves dlectrolyse. // Abstract : Measurement of transient solidification fronts and of solidification rate are two important data for controlling industrial processes involving a solid-liquid phase change. In the case of aluminium electrolysis, this solidification process protects the system and affects the energy performance of the manufacturing process. Unfortunately, these data are not easy to obtain in most cases. This thesis focuses on the development of new tools for the study and on the solidification characterization of phase change materials at high temperature. The goal is to develop a nondestructive solidification front measurement system for phase change materials without disturbing the measurement medium, while ensuring accuracy and a fast enough response time to exploit new control strategies in electrolysis cells. This work couples a fundamental experimental study of the cryolite solidification with numerical modeling of solid-liquid phase change phenomenon under conditions close to those during normal operation of electrolytic cells.