Cette thèse aborde la conception optimale des chaînes de traction par l'exemple d'une chaîne de traction pour métro. Les données d'entrée de la conception d'une chaîne de traction sont la performance attendue et l'encombrement des équipements nécessaires. Pour aider le concepteur, l'outil informatique donne aujourd'hui la possibilité de construire une grande variété de modèles. D'autre part, les algorithmes d'optimisation permettent de trouver les configurations optimales. Ces possibilités ont été exploitées au cours de ce travail. Les modèles développés permettent d'estimer un large nombre de critères. A travers l'exemple de ces modèles, la méthode de conception suivie est détaillée dans le rapport. D'un point de vue technique, la chaîne de traction proposée est détaillée dans le dernier chapitre / This thesis deals with the optimal design of electric drivetrains. A drivetrain for metro is taken as an example. The input data for the design are the expected performance and the size of the required equipments.To assist the designer, the computing tool now gives the opportunity to build different sort of models. In addition, optimization algorithms allow finding optimal configurations. This work is an attempt to exploit these possibilities. The design models are used to value a large number of criteria. Through the example of these models, the design method followed is detailed in the document. From a technical point of view, the proposed drivetrain is detailed in the last chapter

La tendance actuelle des équipements électriques ferroviaires est une concentration de matériels dans des volumes de plus en plus faibles et pour des puissances de plus en plus élevées. Ce progrès est permis par des composants à fort rendement (IGBT) qui ont la caractéristique de générer des pertes harmoniques importantes dans les composants magnétiques, provoquant du bruit à forte composante tonale. En conséquence, les cahiers des charges deviennent de plus en plus drastiques et augmente la difficulté de conception optimale des transformateurs. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des modèles multi-physiques afin d’intégrer les différents phénomènes tels que la thermique, le bruit ou les effets de la PWM. Cette thèse porte plus précisément sur le dimensionnement optimal des transformateurs et inductances présent dans les convertisseurs auxiliaires ferroviaires. L’intérêt de la mise en place une boucle d’optimisation sur un modèle multi-physique est montrée. Pour cela il est important de développer des modèles comportent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision. Dans cette thèse seule les composants magnétiques refroidis par une ventilation forcée sont étudiés. Un modèle thermique 3D semi-analytique couplé avec un modèle électromagnétique est utilisé. Le choix de l’optimiseur s’est porté sur l’algorithme NSGA-II permettant d’effectuer des optimisations multi-objectifs (poids et pertes) en incluant des contraintes thermiques. Pour finir une étude de sensibilité est effectuée grâce à une méthode de plan d’expérience afin de juger de la robustesse des solutions optimales / Nowadays, power converters in railway domain are more and more compact and powerful. This progress is due to the use of fast efficient components, working at high frequency like IGBT. But this evolution generates many harmonics losses in different components as inductors or transformers, and complicates their design. In addition, for the design stage, acoustics comfort is an increasingly important factor. Hence, it is necessary to develop multi-physic models in order to integrate different phenomena as the PWM effects, the temperature, and the noise. These models are coupled to an optimization tool in order to define the design rules of passive components: inductors or transformers coupled with inductor for the railway applicationIt’s necessary to develop fast models with a good compromise between the accuracy of field calculations. In this thesis, only transformers and inductors with an air forced cooling are studied. A 3D thermal model based on a nodal network linked to electromagnetic model is used. In order to optimize this structure, NSGA-II algorithm is chosen. Some global optimizations, with respect to several objectives (weight and losses), including thermal constraint are finally presented. Experimental design method is applied to know how these response functions behave in the neighborhood of the optimal point

Cette Thèse présente une méthodologie pour la conception optimale multidisciplinaire des générateurs synchrones à aimants permanents appliqués à l'énergie éolienne. Telle méthodologie prend en compte les comportements électriques, géométriques, thermiques, électroniques, mécaniques et économiques de l'éolienne. La courbe d'occurrence du vent, modélisée par une fonction de densité statistique, est également prise en compte par la méthodologie de conception proposée. Considérer cette courbe dans la conception optimale permet de calculer la quantité d'énergie produite par l'éolienne, qui fonctionne sous vitesse et puissance variables par l'influence de la vitesse du vent. La proposition d'utiliser l'optimisation dans la conception est d'améliorer la compétitivité de l'énergie éolienne en concevant un générateur avec une bonne relation entre son coût et sa capacité de produire de l'énergie. Plusieurs études portent sur la conception optimale des machines électriques liées à l'énergie éolienne, mais peu ont présenté une méthode permettant d'estimer la production d'énergie éolienne, ce qui est obligatoire pour obtenir un générateur rentable. De plus, les aspects multidisciplinaires approfondis du générateur électrique ont été considérés par la méthode proposée plus en détail que d'autres études trouvées dans la littérature. Prendre en compte tous ces aspects entraîne un grand problème d'optimisation qui compte environ 2000 variables, dont environ 250 ont des contraintes imposées. Un algorithme d'optimisation déterministe a été choisi pour traiter ce problème. Un tel algorithme est capable de trouver la solution en quelques itérations et un court laps de temps grâce au calcul de la matrice jacobienne, contenant les gradients exacts du modèle (utilisé pour décrire le comportement de l'éolienne). Les résultats présentés explorent le potentiel méthodologique proposé. La première conception optimale réalisée minimise le coût du matériau actif du générateur, ce qui présente une réduction significative des coûts par rapport à un générateur non optimal. Ensuite, la contradiction entre le coût du générateur et son efficacité est analysée et l'importance d'inclure la production d'énergie éolienne dans la conception du générateur devient évidente. En utilisant l'énergie éolienne estimée générée par l'éolienne, le générateur avec un bénéfice net maximal (égal au produit de l'énergie éolienne moins le coût du générateur) a été obtenu. Ce générateur a un bon rapport entre son coût et sa capacité de produire de l'énergie. Ensuite, des analyses de sensibilité ont été effectuées pour vérifier comment le prix de l'électricité et la vitesse moyenne annuelle du vent influencent la conception. Enfin, deux éoliennes de différents diamètres et différents vitesses nominales du vent ont été utilisées, compte tenu de trois profils de vent distincts. Ces résultats fournissent les générateurs plus adaptés à chaque éolienne appliquée à chaque profil de vent, montrant que la méthodologie de conception proposée a la capacité de faciliter le choix de l'éolienne adéquate à chaque parc éolien. / This Ph.D. dissertation presents a multidisciplinary optimum design methodology to permanent magnet synchronous generators applied to wind power. Such a methodology considers the electrical, the geometrical, the thermal, the electronic, the mechanical and the economical behaviors of the wind turbine. The wind occurrence curve, modelled by a statistical density function, is also take into account by the proposed design methodology. Considering this curve in the optimal design allows to calculate the amount of energy produced by the wind turbine, which operates under variable speed and power by the influence of the actual wind speed. The proposal of using the optimization in the design is to enhances the competitiveness of wind power by designing a generator with a good relation between its cost and its capacity to generate energy. Several studies are addressed to electrical machines optimum design related to wind power, however, few have presented a method able to estimate the wind turbine energy generation, which is mandatory to obtain a cost-effective generator. Further, the electric generator in-depth multidisciplinary aspects have been considered by the proposed method in more detail than other studies found in literature. Take into consideration all these aspects results in a large optimization problem that has approximately 2000 variables, among which approximately 250 have constraints imposed on. A deterministic optimization algorithm has been chosen to deal with this problem. Such an algorithm is capable of finding the solution within few iterations and a short time thanks to the computation of the Jacobean matrix, containing the exact gradients of the model (used to describe the wind turbine behavior) outputs. The presented results explore the proposed methodology potential. The first optimal design performed minimizes the generator active material cost, presenting a significant cost reduction compared to a non-optimal generator. Next, the contradiction between the generator cost and its efficiency is analyzed and the importance of including the wind turbine energy generation into the generator design becomes evident. Using the estimated wind turbine generated energy, the generator with maximum net earnings (equal to the wind turbine energy proceeds less the generator cost) has been obtained. This generator has a good ratio between its cost and capability to generate energy. Then, sensibility analysis have been carried out to verify how the electricity price and the annual mean wind speed influence the design. Finally, two wind turbines with different diameters and rated wind speeds have been employed, considering three distinct wind profiles. These results provide the generators more suited to each wind turbine applied to each wind profile, showing that the proposed design methodology has the ability to helps choosing the wind turbine adequate to each wind farm.

Les interfaces haptiques à retour d’effort sont des dispositifs robotiques capables deproduire des forces à destination de l’utilisateur en téléopération et en réalité virtuelle. L’utilisation d’interface à retour d’effort en Conception Assistée par Ordinateur (CAO) offre de nouvelles perspectives pour la création et la conception de formes 3D grâce à une interactivité à la fois visuelle et kinesthésique. Elles permettent à la fois de visualiser, de manipuler en temps réel des objets virtuels et d’en ressentir les efforts (liés aux contacts, à la déformation, etc.).Les travaux présentés dans cette thèse contribuent au développement d’interfaces àretour d’effort pour répondre au mieux aux besoins de la CAO. Dans ce mémoire, l’accent est placé sur la problématique de la stabilité et son exploitation pour la commande de l’interface mais aussi pour la conception électromécanique. L’ensemble des travaux porte sur une interface à un degré de liberté.Dans un premier temps, différents facteurs liés au système mécanique (amortissement, modes vibratoires) et à l’environnement virtuel (échantillonnage, retard. . .) agissant sur la stabilité d’une interface sont mis en évidence à l’aide de critères fréquentiels. Ensuite, la conception d’une interface (choix et dimensionnement des composants) est ramenée sous forme d’un problème d’optimisation incluant une contrainte liée à la stabilité (en termes de domaine d’utilisation) et un critère de maximisation de la transparence (en termesd’inertie du dispositif).Dans un second temps, l’architecture de commande des dispositifs haptiques est étudiée. À l’aide d’une nouvelle condition de stabilité asymptotique pour les systèmes en temps discret à retard variable et en utilisant un observateur d’état augmenté comme alternative à l’utilisation standard de la méthode des différences finies arrières, la synthèse d’une nouvelle architecture de commande est proposée.La dernière partie du mémoire aborde la description du banc d’essai expérimental développé pendant le travail de thèse ainsi que les résultats des tests réalisés. / Force feedback haptic interfaces are robotic devices which are able to produce forces for the user in a teleoperation or virtual reality context. The integration of force feedback haptic interfaces in Computer-Aided Design (CAD) systems offers new perspectives for modeling and design of 3D objects by combining both visual and kinesthetic interaction. It allows viewing and manipulating virtual objects in real-time with a sense of touch (linked to contact, deformation, etc.).The works presented in this thesis contribute to the development of a force feedbackhaptic device to meet the needs of CAD at the best. In this thesis manuscript, the emphasis is put on the stability issue and its exploitation for the control of the device but also for the electromechanical conception. All the presented works concern an interface with one degree of freedom. First, several factors relative to the mechanic system (physical damping, vibration modes) and to the virtual environment (sampling period, delay-time, etc.) acting on the interface stability are highlighted through frequency domain stability criteria. Then, the interface design (choice and sizing of components) is expressed on the form of an optimization problem including a constraint linked to stability (in terms of application area).In a second part, the control architecture of haptic devices is studied. Using a newstability criterion for systems in discrete time with variable delay and an augmented state observer as an alternative to the standard finite difference scheme, the synthesis of novel control architecture is proposed.The last part of the manuscript deals with the description of the experimental testbench developed during the thesis period together with the results of some realized tests.

Les systèmes photovoltaïques de pompage d'eau (PVWPS) sont une solution intéressante pour améliorer l’accès à l’eau dans les communautés rurales des pays en voie de développement. Cette thèse développe une méthodologie de conception optimale des PVWPS pour l’accès à l’eau domestique basée sur une approche interdisciplinaire. L’objectif est de déterminer les dimensionnements du PVWPS et ses positions géographiques dans le village qui maximisent l’impact positif du système sur le développement socio-économique et minimisent son coût sur cycle de vie. Cette méthodologie est appliquée au cas d’un village rural du Burkina Faso, où nous avons collecté des données techniques et sociaux-économiques depuis 2 ans. La première originalité principale de ce travail est la modélisation du lien entre la conception du PVWPS et son impact socio-économique, ce qui permet d’inclure l’impact socio-économique comme fonction objectif de l’optimisation. La seconde originalité principale est l’intégration de la position géographique du PVWPS dans le village comme variable d’optimisation, en plus du dimensionnement du système. Cette méthodologie pourrait également être appliquée à la mise en place d'autres types de systèmes, tels que les moulins communaux alimentés par énergie photovoltaïque dans les zones isolées ou les bornes de recharges publiques pour les véhicules électriques dans les villes. / Photovoltaic water pumping systems (PVWPS) are an interesting solution to improve access to water in rural communities of developing countries. This thesis develops a methodology for the optimal design of PVWPS for domestic consumption based on an interdisciplinary approach. The objective is to determine the sizings of the PVWPS and its geographical positions in the village that maximize the positive impact of the system on socio-economic development and minimize its life-cycle cost. This methodology is applied to the case of a rural village in Burkina Faso, where we have been collecting technical and socio-economic data for 2 years. The first main originality of this work is the modelling of the link between the design of a PVWPS and its socio-economic impact, which allows to include the socio-economic impact to be included as an objective function of the optimisation. The second main originality is the inclusion of the geographical position of the PVWPS in the village as an optimisation variable, in addition to the sizing of the system. There is potential for applying the proposed methodology for the set-up of other types of systems such as community mills powered by photovoltaic energy in isolated areas and public charging points for electrical vehicles in cities.

L'un des défis actuels de la chimie alimentaire est de développer des produits avec une qualité sanitaire et sensorielle optimale. Ceci est particulièrement important dans les produits traités thermiquement, tels que les produits céréaliers. Lors de la cuisson et à partir des ingrédients, un nombre considérable de composés peuvent se former. Certains suscitent une préoccupation sanitaire émergente, lorsque d'autres jouent un rôle sensoriel indéniable. Comprendre la réactivité des constituants devient alors un levier puissant pour développer des voies d'amélioration des aliments. Ce travail porte sur les effets des ingrédients et conditions de cuisson dans la génération de furane, composé possiblement cancérigène, et furfural, composé odorant contribuant à l'arôme caractéristique de la génoise. Afin de maîtriser la réactivité et ainsi optimiser la qualité des produits, une approche globale a été adoptée, incluant l'étude des composés volatils, des propriétés physicochimiques et sensorielles et l'appréciation hédonique des consommateurs. Ce travail propose une méthodologie et ouvre des pistes intéressantes pour développer des stratégies efficaces de maîtrise de la qualité globale des produits transformés. / A current challenge for food chemists consists in developing safe yet appealing food. This is particularly difficult in thermally-treated foods, like baked products, since a great number of compounds may be produced during heating. While some of these are of health concern, others contribute to other key aspects of quality, such as aroma or color, revealing the need of considering reactivity into food quality design. This work deals with the effects of formulation and baking conditions on the generation of furan, a heatinduced contaminant, and furfural, contributing typical aroma to sponge cake. Moreover, a holistic approach was adopted, covering volatile generation, physical properties, sensory evaluation and consumer tests, both for further understanding reactivity and optimizing product quality. This work is certainly an important step towards the development of novel strategies for qualitydriven design of heat-treated food.

[pt] Os risers são importantes componentes na produção e exploração de petróleo e derivados. São responsáveis pelo transporte do óleo e gás encontrados no reservatório até a Unidade Estacionária de Produção (UEP) ou pela injeção de gás ou água no reservatório. A crescente demanda por esse produto faz com que a exploração seja feita em regiões com condições cada vez mais adversas. Tipicamente, um projeto deste porte exige um número muito grande de análises numéricas de elementos finitos e exigem uma experiência grande por parte do projetista a fim de obter uma solução viável. Esse desafio leva engenheiros a buscarem ferramentas consistentes e seguras que auxiliem nas etapas iniciais do projeto das configurações de risers e que sejam capazes de diminuir o número de análises totais exigidas. Uma dessas ferramentas é a utilização de métodos de otimização para obter de maneira consistente e segura os parâmetros que definem uma configuração. Este trabalho apresenta o método de Otimização Bayesiana, um método baseado em técnicas de aprendizado de máquina capaz de resolver problemas de otimização do tipo caixa-preta de maneira eficiente explorando o uso de aproximações analíticas da função objetivo, que se quer otimizar. O método é aplicado em diferentes estudos de casos visando validálo como capaz de resolver problemas de configuração de riser de maneira eficiente e consistente. Dentre os problemas aplicados estão diferentes tipos de configurações, diferentes casos realistas, mono-objetivo e multi-objetivo. / [en] Risers are an important component in the oil s production and exploration field. They are responsible for the oil and gas transportation from the reservoir to the floating unit or injection of gas or water into the reservoir. The increasing the demand for this product has lead projects to explore to areas in which conditions are harsher. Typically, such a large project demands a large number of numerical finite element analyses and a great expertise from the engineer in charge in order to obtain a viable solution. This challenge leads engineers in search of consistent and reliable tools that assist in the early stages of the riser configuration design and are capable of reducing the number of total analyses required. One of these tools is application of optimization methods to obtain in a consistent and reliable manner the parameters which define a configuration. This work presents the Bayesian Optimization method, a method based on machine learning techniques capable of efficiently solving so called black box problems by exploring analytical approximations of the objective function, the function to be minimized. The method is applied to different case studies aiming to validate it as capable of solving a wide variety of riser configuration problems in an efficient and consistent way. Among the problems applied are different types of configurations, different realistic cases, mono-objective and multi-objective.

Is battery energy storage a feasible solution for lowering the operational costs of electric vehicle fast charging and reducing its impact on local grids? The thesis project aims at answering this question for the Swedish scenario. The proposed solution (fast charging station coupled with storage) is modelled in MATLAB, and its performance is tested in the framework provided by Swedish regulation and electricity tariff structure. The analysis is centred on the economic performance of the system. Its cost-effectiveness is assessed by means of an optimisation algorithm, designed for delivering the optimal control strategy and the required equipment sizing. A mixed-integer linear programming (MILP) formulation is utilised. The configuration and operative costs of conventional fast charging stations are used as a benchmark for the output of the optimisation. Sensitivity analysis is conducted on most relevant parameters: charging load, battery price and tariff structure. The modelling of the charging demand is based on statistics from currently implemented 50 kW DC chargers in Sweden. Overall, results show that with current figures the system may be an economically viable solution for both reducing costs and lowering the impact on the local distribution grid, at least during peak-period pricing. However, sensitivity analysis illustrates how system design and performance are highly dependent on input parameters. Among these, electricity tariff was identified as the most important. Consequently, detailed discussion on the influence of this parameter is conducted. Finally, the study shows how the system is in line with most recent directives proposed by the European Commission.

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no / The optimal operation policy of flexible RO systems is studied in this work. The design and operation of RO process is optimized and controlled considering variations in water demands and changing seawater temperature throughout the day. A storage tank is added to the system layout to provide additional operational flexibility and to ensure the availability of freshwater to customer at all times. A steady state model for the RO process is developed and linked with a dynamic model for the storage tank. The membrane modules are divided into a number of groups to add flexibility in operation to RO network. The total operating cost of the RO process is minimized in order to find the optimal layout and operating variables at discreet time intervals for three design scenarios. (C) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.