Depuis les dix dernières années, dans les domaines liés aux transports (automobile, avionique, ferroviaire, naval), les technologies thermiques et hydrauliques tendent à laisser de plus en plus de place aux systèmes électriques. L’intérêt et le dynamisme de la Recherche en électronique de puissance se justifient par le rôle déterminant que la discipline joue au sein du développement des systèmes embarqués "plus électriques". Ce mémoire de thèse s’intéresse à l’étude de convertisseurs d’électronique de puissance, les onduleurs à source impédante, en tant que topologies alternatives aux architectures existantes au sein des systèmes de traction électrique. Plusieurs études sont établies suivant différents critères, qui, au delà d’une simple comparaison avec les architectures conventionnelles, proposent des solutions et des améliorations intervenant aussi bien dans le contrôle du système que dans sa topologie initiale. Ces études sont toutes appliquées à un système de traction électrique muni d’une machine synchrone à aimants et d’un onduleur à source impédante alimentée par une source de tension continue. Les résultats qui en découlent ont montré de larges intérêts de ces topologies concernant la maîtrise de la qualité du courant de batterie (annulation de ses ondulations hautes fréquences) mais aussi la maîtrise de certaines contraintes liées aux vieillissement des machines (possibilité de maîtriser les dv/dt). Certains inconvénients sont néanmoins établis comme le fait que la topologie n’offre guère d’amélioration du rendement (en comparaison avec les structures classiques) ou comme le fait que l’architecture rende dépendantes les commandes de l’onduleur à source impédante (côté DC) et de la machine (côté AC) / Over the past ten years, hydraulic and thermal technologies tend to make room for electrical system. Fields related to transportation (automotive, avionics, railway or naval) are directly impacted. The interest and dynamism in power electronics Research are justified by the impact of such a field in the development of embedded systems. This thesis focuses on the study of impedance-source inverters as possible topologies to replace conventional ones. Several studies are conducted according to different criteria and do not aim at only comparing the topologies. It proposes solutions and improvements in the control system as well as in its basis architecture. These studies are all applied to an electric traction system composed of an synchronous machine fed by an impedance-source inverter. It is showed that large interests come out of the obtained results. For instance, the cancellation of the high-frequency current ripples allows mastering the quality of the battery current. Moreover, some constraints as regards machine ageing can be reduced by mastering the slew rates dv/dt. Some drawbacks are nevertheless pointed out. There is no need in using such a topology to improve efficiency that is above the same as conventional structures. Moreover, controls of DC-side AC-side of the system are dependent due to the fact that inverter’s control is used to step up the DC-bus voltage

Les onduleurs sont des systèmes magnétiques créant un champ périodique permanent. Les sources de rayonnement synchrotron dites de « troisième génération » produisent du rayonnement accordable de haute intensité lorsque les particules relativistes sont accélérées dans ce champ magnétique. A une énergie donnée des électrons, l’émission est rayonnée à d’autant plus courte longueur d’onde que le champ magnétique créé est important et que la période est petite. Une première solution consiste à mettre les aimants sous vide. Le sujet de thèse consiste à améliorer les performances magnétiques de ce type d’onduleur de 30% en refroidissant le système magnétique. L’utilisation de la nuance d’aimant Pr2Fe14B permet de refroidir les aimants à la température de l’azote liquide ce qui simplifie beaucoup le système de refroidissement.Dans le chapitre I les caractéristiques magnétiques des onduleurs sont décrites, les différents types d’onduleurs sont présentés et l’état de l’art des onduleurs cryogénique est effectué. Dans le chapitre II plusieurs échantillons d’aimants permanents NdFeB et PrFeB de différents fournisseurs sont caractérisés. Deux prototypes d’onduleurs cryogéniques de 4 périodes, un avec la nuance NdFeB et l’autre avec la nuance PrFeB sont étudiés et réalisés afin de comparer et d’ajuster s’il y a besoin le modèle de simulation du système magnétique. La conception d’un onduleur cryogénique de 2 m utilisant la nuance d’aimant PrFeB en partant d’un onduleur sous vide de 2 m utilisant la nuance d’aimant SmCo est effectuée. La période de l’onduleur est optimisée et les forces magnétiques associées sont calculées. Dans le chapitre III la conception du châssis et des différentes pièces mécaniques est présentée. L’étude thermique qui inclut les apports de chaleur des différentes pièces et les calculs d’apport de chaleur du faisceau d’électrons pour tous les modes de remplissage du faisceau d’électrons et à différentes position dans l’anneau de stockage sont effectués. Le système de refroidissement est optimisé et la conception du circuit de refroidissement sur les poutres d’aimants est présentée. Dans le chapitre IV les différentes méthodes utilisées pour les mesures magnétiques sont décrites, les bancs de mesures magnétiques utilisés à SOLEIL sont présentés. La conception du banc de mesure magnétique intégré dans la chambre à vide afin de mesurer l’onduleur cryogénique à des températures cryogéniques est effectuée. Dans le chapitre V les différentes étapes de la construction de onduleur sous vide U20 (assemblage magnétique, corrections magnétique et « shimming », « magic finger », assemblage mécanique de la chambre à vide, l’installation et la caractérisation avec le faisceau) sont effectuées. Dans le chapitre VI les différentes étapes de la construction de l’onduleur cryogénique, le montage, l’ajustement et la calibration du banc de mesures à froid dans la chambre à vide de l’onduleur sont présentées. Les résultats de mesures magnétiques à froid sont comparés avec les mesures magnétiques de l’onduleur à température ambiante. La caractérisation de l’onduleur avec le faisceau d’électrons est effectuée et les perspectives d’amélioration de cet onduleur cryogénique sont proposées. / Undulators are magnetic systems which produce periodic magnetic field. Synchrotron radiation sources called third generation produce high intensity radiation when relativistic particles are accelerated in this magnetic field. The radiation is emitted at shorter wave length for high magnetic field and small period undulators. A first solution consists to integrate the magnetic system in a big vacuum chamber. The subject of the thesis is to improve the magnetic performance of an in vacuum undulator of 30 % by cooling down the magnetic system at cryogenic temperature. Using Pr2Fe14B permanent magnet allows cooling down directly to the liquid nitrogen temperature which simplified the cooling system.IN chapter I the magnetic characteristics of undulators are described, different types of undulators are presented and the state of the art of cryogenic undulator is given. In chapter II permanent magnet samples Pr2Fe14B Nd2Fe14B from different companies are characterised. Two four period prototypes, one with Pr2Fe14B and one with Nd2Fe14B have been assembled and measured to compare with the magnetic system simulation. The magnetic design of a full scale 2 m Pr2Fe14B undulator has been performed. The period of the undulator is optimised and the magnetic forces calculated. In chapter III the mechanical design of the carriage and different mechanical parts is presented. Thermal studies which include the dissipated power from different mechanical parts and from the electrons beam for all filling modes and different positions in SOLEIL storage ring. The cooling system is optimised and the design of the cooled girders is presented. In chapter IV the different magnetic measurements methods are described and the magnetic measurement bench used at SOLEIL presented. The design of magnetic bench installed in the vacuum chamber and dedicated to the magnetic measurement at cryogenic temperature is presented. In chapter V the different steps for the construction of an in-vacuum undulator (magnetic assembly, shimming, magic finger, mechanical assembly of the vacuum chamber, installation and commissioning with the electrons beam) are presented. In chapter VI the different steps of the constructing of a cryogenic undulator, the assembly and the ajustement of cryogenic temperature magnetic bench are described. The magnetic measurements of the undulator at cryogenic and room temperature are compared. The commissioning of the undulator with the electrons beam is presented and the perspectives to improve this cryogenic undulator are proposed.

La diffusion Compton est un moyen de produire des rayons X en réalisant des collisions entre un faisceau d'électrons relativistes et un faisceau laser. Par analogie avec le rayonnement synchrotron, le faisceau laser joue le rôle d'onduleur, ce qui entraîne les électrons dans un mouvement d'oscillation. Le rayonnement émis par les électrons en mouvement, dont certaines caractéristiques sont proches de celle du rayonnement synchrotron, peut être produit sur des machines relativement compactes. L'installation ELSA du CEA DAM DIF dispose d'un accélérateur d'électrons (17 MeV) et d'un laser (532 nm) dont les caractéristiques sont favorables à la réalisation d'une expérience de production de rayonnement X par diffusion Compton. La faible probabilité d'interaction et les petites dimensions des faisceaux (< 100 µm, 30 ps (LTMH)) obligent à optimiser avec soin le recouvrement spatial et temporel des impulsions. La visualisation des deux faisceaux en simultanée se fait grâce à un biseau en aluminium renvoyant les images des deux faisceaux vers les caméras CCD et à balayage de fente. La détection du rayonnement X produit (d'énergie < 11 keV) est réalisée par des écrans radio-luminescents à mémoire. Ces écrans, très sensibles au rayonnement de basse énergie, permettent de visualiser le profil du rayonnement et de réaliser la radiométrie du signal. Ces écrans ont également été utilisés en tant que scintillateurs couplés à un photomultiplicateur pour contrôler en temps réel le rendement de l'interaction. L'analyse des résultats expérimentaux obtenus confirme les résultats des simulations. / Compton scattering by collisions between relativistic electron beam and laser beam is a way to produce X-rays. Laser beam is seen as an undulator which gives electrons a periodic waved motion. This radiation emitted by electrons motion has some characteristics close to those of synchrotron radiation but can be produced by smaller machines. ELSA facility at CEA DAM DIF is a linear electron accelerator (17 MeV) running with a photoinjector and a laser (532 nm). Characteristics of electrons and laser beam are favourable to a Compton scattering X-rays experiment. Small interaction probability and small beam sizes (< 100 µm, 30 ps (LTMH)) require a careful optimization of spatial and temporal pulses covering. An aluminium bevel-edge allows visualizing beams with CCD and streak cameras. Imaging plates are used as < 11 keV X-rays detectors. These detectors are very sensitive to low signal-to-noise ratio at low energy and give the beam profile. The imaging plates were coupled with a photomultiplier to manage the yield in real time. Experimental results are confirmed by simulations.

Les centres de rayonnement synchrotron et les Lasers à Électrons Libres (LEL) sont des sources de rayonnement utilisant des Électrons relativistes. Les onduleurs en constituent un élément important : ces instruments qui génèrent un champ magnétique périodique le long de la trajectoire des électrons, guident ces derniers de façon à les faire rayonner ou à rendre l’onde lumineuse émise plus intense. Ce travail porte sur l’étude d’onduleurs de différents types appliqués au Synchrotron SOLEIL, et sur leur possible application sur un LEL. Une première partie du travail porte sur la réalisation pour SOLEIL de deux onduleurs de type APPLE-II. Ce type d’onduleurs permet d’émettre du rayonnement de polarisation variable et les deux onduleurs construits présentent certaines spécificités par rapport à la plupart des onduleurs de ce type. Le premier (HU36) génère un champ magnétique de courte période tout en conservant une valeur crête relativement importante, ce qui lui permet de rayonner sur une large gamme spectrale. Ces caractéristiques entrainent cependant une hystérésis expliquée par la déformation des supports. Les moyens mis en œuvre pour atteindre ces caractéristiques magnétiques et pour réduire l’hystérésis sont présentés. Le deuxième onduleur APPLE-II construit (HU64) présente la double particularité d’être quasipériodique (ou apériodique) afin de réduire la pollution rayonnée aux harmoniques de la longueur d’onde fondamentale, et de permettre l’accès à de la polarisation linéaire inclinée sur une plage de 180° grâce à son châssis étendu. L’optimisation magnétique de sa structure apériodique est détaillée et les difficultés découlant des configurations étendues sont expliquées. Dans un deuxième temps, la réalisation pour SOLEIL d’un troisième onduleur d’un tout autre type est présentée. Il s’agit d’un onduleur hybride sous-vide appelé U20. Des pôles intercalés entre les aimants guident les lignes de champ de façon à augmenter la densité de flux magnétique sur axe, et l’assemblage magnétique ainsi obtenu est installé dans la chambre à vide, ce qui permet de réduire l’entrefer minimum à 5.5 mm et donc, d’accroitre considérablement la valeur crête du champ magnétique généré. Compte-tenu des connaissances acquises pendant la construction des deux onduleurs APPLE-II et de l’onduleur sous-vide, l’étude d’un onduleur combinant ces deux aspects est ensuite proposée. Cet onduleur de tyoe « APPLE-II sous-vide » serait extrêmement polyvalent puisqu’il permettrait l’émission de rayonnement de différentes polarisations sur une large gamme spectrale. L’étude de principe menée ici met en évidence les nombreuses difficultés à surmonter et propose différentes solutions. La dernière partie du travail porte sur l’étude de l’interaction qui s’opère dans le cas d’un LEL au sein de l’onduleur entre les électrons et l’onde lumineuse, conduisant à l’amplification de cette dernière. Des expériences menées en configuration SASE et en mode injecté sur le SPARC (Italie, Frascati) sont rapportées, puis des calculs sont réalisés dans le cadre du projet LUNEX5, pour évaluer l’efficacité de cette interaction dans un onduleur apériodique, et dans l’onduleur APPLE-II sous-vide envisagé précédemment. / Storage rings and Free Electron Lasers (FEL) are relativistic electron based radiation sources, in which an important element is a device called undulator. This apparatus generates a periodic magnetic field along the electron trajectory, guiding the particles in such a way that they lose energy to the benefit of the radiation. This work deals with the study of several undulators of different types, and also their application on FEL sources. A first part of the work is dedicated to the construction of two APPLE-II type undulators for SOLEIL. Undulators of this type are able to emit radiation of variable polarization states, and the two studied devices present some special characteristics with respect to most of APPLE-II undulators. The first one (HU36) generates a short period high value magnetic field, leading to radiation emitted on a large spectral range. These parameters brought about a hysteresis explained by the deformation of the magnet supports, which was reduced. The second APPLE-II undulator (HU64) is characterized by two particularities: its field is quasi-periodic (or aperiodic) in order to reduce the pollution emitted at harmonics of the fundamental wavelength, and it is based on a special frame enabling radiation of tilted linear polarization on the full range of 180°. The optimization of the aperiodic structure is detailed and the difficulties brought about by the extended frame are explained. The third undulator built for SOLEIL is a hybrid in-vacuum one. Ferromagnetic poles guide the magnetic flux lines in order to increase the on-axis flux density, and the magnetic part of the undulator is included inside the vacuum chamber, which leads to a higher value of the generated field. Starting from the knowledge of both APPLE-II and in-vacuum undulators, the study of a device combining both characteristics is then proposed. Such an in-vacuum APPLE-II undulator would consist in a very performant and flexible apparatus because it could emit radiation of variable polarization on a large spectral range. The study points out the technical difficulties and suggests some solutions. The last part of the work deals with the study of the interaction realized in a FEL between electrons and radiation, resulting in the amplification of the light. Experiments performed in both SASE and injected configurations at the FEL SPARC (Italy, Frascati) are reported. Then calculations are made in the case of the FEL French project LUNEX5 to estimate the interaction efficiency when realized inside a quasi-periodic undulator and also through the previously studied in-vacuum APPLE-II one.

En aéronautique civile, les systèmes électriques qui composent l'avion sont de plus en plus nombreux, de par l'accroissement des fonctionnalités, des besoins des usagers (confort), mais aussi par le besoin d'améliorer les performances des actionneurs électromécaniques et hydrauliques, voire de les remplacer par du tout électrique. Ainsi, les systèmes d'électroniques de puissance sont les premiers dispositifs électriques que voient les actionneurs. Ces dispositifs sont interfacés avec les interfaces de pilotage par des systèmes de contrôles-commandes.<br />Les normes aéronautiques imposent que tous les dispositifs utilisés dans un avion répondent à des contraintes sévères quant à leur fiabilité et leur sécurité de fonctionnement. Dans le cas précis des convertisseurs statiques qui pilotent les actionneurs, on est confronté aux normes de fonctionnement des réseaux électriques, aux normes C.E.M., aux normes environnementales (au sens du contexte du dispositif), et aux normes liés aux systèmes de contrôle.<br />Le marché de l'aéronautique, bien que très spécifique, est très concurrentiel au niveau mondial. Les multiples objectifs de matériels très performants, très fiables, très sûrs, mais les moins chers possibles sont donc de véritables problématiques.<br />Dans le cadre des convertisseurs statiques, un moyen pour réduire les coûts est l'utilisation de DSP (Digital Signal Processors) pour maximiser l'intégration de la commande et pour réduire les coûts, mais ce composant n'est pas conçu pour le milieu aéronautique.<br />L'ensemble de cette étude porte sur la conception d'un nouveau type de radar marqué par plusieurs ruptures technologiques. Le prototype réalisé comporte un convertisseur statique piloté par un DSP, mais ayant des fonctionnalités qui vont largement au-delà du convertisseur basique d'électronique de puissance. L'aspect « système » est largement pris en compte. Le convertisseur mis en oeuvre est un dispositif autonome de pilotage de moteurs.

L'étude réalisée dans cette thèse s'est portée sur un concept original de microréseau et son<br />utilisation pour faciliter l'intégration des systèmes à base d'énergies renouvelables (EnR)<br />dans le réseau. Ce microréseau est constitué des générateurs à base d'EnR ainsi que de<br />systèmes de soutien qui incorporent des fonctionnalités additionnelles de façon à en améliorer<br />l'intégration. Sur la base de ce concept proposé, deux différentes applications types de<br />microréseaux on été étudiées en détail : un microréseau résidentiel ilôtable et un parc éolien<br />muni de systèmes DFACTS (STATCOM et DVR). Dans les deux applications, des structures<br />de contrôle/commande à différents niveaux et appliquées aux différents composants du<br />microréseau ont été développées, analysées en simulation off line et finalement validées sur<br />un banc expérimental hybride temps réel avec des prototypes à échelle réduite.

Cette étude s'intéresse principalement aux avantages que peut offrir une architecture d'une traction ferroviaire électrique asynchrone répartie. Ceci est obtenu à travers les degrés de liberté additionnels qu'elle apporte, d'une part, par la commande des systèmes multi-convertisseurs/multi-machines la constituant, d'autre part, par l'exploitation de la redondance structurelle qu'elle offre naturellement. L'objectif principal qu'on cherche à atteindre au travers de ces deux aspects, commande et redondance structurelle, permet d'assurer la continuité de service de la chaîne de traction répartie en présence de différentes perturbations. Cette étude nous amènera à la conception d'un organe décisionnel qui apporte les adaptations, les reconfigurations de commandes voire d'observateurs nécessaires pour maintenir le bon fonctionnement du système en modes nominal et perturbé. L'analyse des différentes structures de commandes coopératives d'un système bionduleur/bimoteur nous a conduit à l'évolution de la Commande Moyenne Différentielle pour proposer une stratégie d'anti-patinage. Les différentes stratégies ainsi proposées ont été validées expérimentalement sur une plate-forme émulant la charge mécanique d'un bogie de traction composé d'un système bionduleur/bimoteur.

Les développements des composants de l'électronique de puissance ont permis l'utilisation des associations onduleur de tension - machine asynchrone pour la traction ferroviaire et de ce fait un gain de performances important. Afin que l'accroissement des performances ne se fasse pas au détriment de la sécurité et de la fiabilité, une étude s'avère indispensable pour maîtriser les conséquences des éventuelles défaillances. L'accent est particulièrement mis sur la machine asynchrone car, assurant la conversion électromécanique, elle répercute le défaut vers la transmission mécanique, élément vital pour la sécurité. Ainsi, une étude par la méthode des éléments finis des courts-circuits triphasés d'un moteur de traction ferroviaire est menée. Elle conduit à des résultats remarquables: sursaturation du parcours des flux de fuite, déplacement de courant dans les barres, contraintes sur les barres de l'ordre de grandeur de la force centrifuge. Cette étude aboutit à la définition d'un schéma équivalent fin du moteur pour l'étude des régimes transitoires de grande amplitude et d'une formulation analytique extrêmement simple du court-:circuit triphasée faciliter l'interprétation physique. Enfin, une étude systématique des défauts de court-circuit des thyristors GTO de l'onduleur de tension est menée sur la base de la modélisation vectorielle de l'association, effectuant le lien entre l'état électromagnétique de la machine et les conditions du défaut. A chaque étape de l'étude, des procédures de validation expérimentale sont proposées. Finalement, de nombreuses avancées vers l'étude quantitative des régimes de défaut des associations onduleur de tension - machine asynchrone sont présentées dans ce mémoire.

En aéronautique, les contraintes sont telles que la masse des filtres peut représenterjusqu'à 50% de la masse totale du convertisseur. Ces dernières années, les convertisseursmulticellulaires parallèles entrelacés et magnétiquement couplés ont conduit à améliorer lesperformances des convertisseurs (densité de puissance, efficacité, dynamique,...). Denombreuses topologies de filtrages entrelacés existent, l'objectif principal de cette étude est detrouver parmi ces topologies celles qui sont les mieux adaptées à la réalisation d'un onduleurde tension 110Veff / 400Hz triphasé 25kVA. Il est démontré que le choix du type de matériaumagnétique a un impact déterminant sur le poids, le volume et les pertes du convertisseur. Quidit parallélisation, dit multiplication du nombre de semi-conducteurs. Ces nouvelles structuresdoivent garantir à la fois un rendement élevé, une masse faible et une continuté defonctionnement, même en cas de panne d'un semiconducteur de puissance ou de sacommande. Mais coupler les phases entre elles, impose un lien indissociable qui peut êtrenuisible au fonctionnement de la structure en cas de dysfonctionnement. Des solutionsexistent et sont abordées dans l'étude. Enfin, la réalisation pratique d'un prototype semiindustrielde convertisseur triphasé utilisant des transformateurs interphases est présentée. Ils'agit d'un onduleur réseau avionique triphasé avec reconstruction de neutre pour fonctionneren déséquilibré. Les résultats expérimentaux démontrent l'avantage d'un convertisseur

Les progrès réalisés ces dernières années dans la commande des onduleurs MLI à deux niveaux de tension pilotant en vitesse variable des machines asynchrones de moyenne et grande puissance ont permis d'améliorer sensiblement les performances. L'utilisation récente des onduleurs MLI à trois niveaux de tension est très prometteuse en raison de la capacité de cette nouvelle structure d'onduleur à améliorer la qualité des courants dans la machine et à étendre sa commande à des domaines de puissance supérieurs à 2 MW. Nous définissons le principe de calcul et les limites de validité des principales techniques de modulation sinusoïdales à trois niveaux. Certaines d'entre elles se révèlent être tout à fait adaptées et performantes pour commander la machine dans les zones de faible vitesse. Nous proposons ensuite une méthode systématique de construction d'une commande optimisée. Les signaux sont calculés pour minimiser les harmoniques de courant et les pulsations de couple. Cette méthode est appliquée à un exemple concret, et la commande est implantée sur le microcontrôleur 80C196KC. La simulation des régimes établis permet d'affiner les études qualitatives des signaux. La bonne concordance entre les résultats expérimentaux et les résultats théoriques permet de confirmer la conservation des caractéristiques des signaux par la méthode de génération en temps réel. L'étude de l'association de la commande optimisée et d'une loi de contrôle vectoriel permet enfin de prouver la faisabilité d'un tel contrôle. Elle permet d'envisager l'amélioration des performances des entraînements de grande puissance en régimes permanent et transitoire simultanément.