Les canaux ioniques voltage-dépendants (CIVD) sont des protéines transmembranaires ubiquitaires impliquées dans la transmission de signaux électriques dans les cellules excitables. Lors de variations du potentiel transmembranaire, ces canaux subissent un changement conformationnel donnant lieu à leur ouverture, médié par des résidus basiques conservés appartenant au domaine sensible à la tension (DST). De nombreux détails de leur fonction ont été révélés par des années de mesures expérimentales mais des questions fondamentales sur leur dynamique à l'échelle moléculaire restent d'actualité. Partant de la structure cristallographique du canal potassique du rat Kv1.2 ouvert, nous avons mené des simulations de dynamique moléculaire du canal inséré dans son environnement lipidique soumis à un potentiel hyperpolarisant. Nous avons suivi la désactivation du DST et ainsi découvrir trois états intermédiaires entre les conformations ouverte et fermée. Les calculs de la charge liée à l'activation ou encore les contacts moléculaires sont en accord avec les résultats expérimentaux, et nous proposons un modèle de la désactivation complète qui réconcilie les modèles divergents. Utilisant ce modèle, nous avons caractérisé certains aspects de la modulation des CIVD: la mutation de résidus basiques spécifiques de S4 impliqués dans des maladies génétiques induit l'apparition de courants de fuite « oméga » en accord avec l'expérience et nous expliquons en partie la modification de la dépendance au voltage des CIVD lorsque les lipides avoisinants sont modifiés chimiquement. Nous concluons en étendant cette étude aux canaux humains de la famille des Kv7 qui sont d'importance physiologique. / Voltage gated ion channels (VGCs) are ubiquitous transmembrane (TM) proteins involved in electrical signaling in excitable cells. Their gating (opening-closing), triggered by changes in the TM voltage, proceeds through a sensing mechanism involving conserved positively charged residues belonging to the voltage sensor domain (VSD). Details on the function of such channels have been revealed thanks to decades of experimental investigations but questions concerning the molecular level function of these proteins still remain under active debate. Starting from the "open state" crystal structure of the rat potassium VGC Kv1.2, we have carried out large-scale all-atom molecular dynamics simulations of the channel embedded in its lipidic environment submitted to a hyperpolarized potential. This allowed to follow the deactivation of the VSD and to uncover three intermediate states between the open and closed conformations. We report gating charge calculations or else state dependent molecular contacts that comply with experimental results and propose accordingly a model of the entire deactivation that conciliates the diverging views proposed so far. Using this model, we further characterize at the molecular level the modulation mechanisms of VGCs: specific mutations of basic residues of the VSD involved in genetic diseases are shown to induce state-dependent "omega" leak currents, in agreement with electrophysiology and a partial conclusion is proposed to explain the alteration of VGC voltage-dependency when the lipids embedding them are chemically modified. We conclude by extending this study to human VGCs (Kv7 family) of physiological relevance.

Cette thèse propose une méthode d'analyse des signaux triphasés pour la surveillance d'état des systèmes électromécaniques. La méthode proposée repose sur l'utilisation de la transformée en composantes symétriques instantanées et d'outils simples de traitement du signal pour détecter les défauts électriques et mécaniques dans de tels systèmes. Les avantages de cette approche triphasée par rapport à une approche monophasée pour la surveillance d'état sont étudiés en détail. Tout d'abord, pour les défauts électriques, l'utilisation de la transformée triphasée permet de séparer les composantes symétriques et asymétriques, et facilite ainsi la détection d'un déséquilibre électrique. Ensuite, pour les défauts mécaniques, l'approche par transformée en composantes symétriques permet de travailler dans des espaces avec un meilleur rapport signal à bruit. En effet, en appliquant le même traitement à la fois en monophasé et en triphasé sur les composantes symétriques, on observe que certains défauts mécaniques ne sont détectables qu’en utilisant la séquence positive des composantes symétriques. La méthodologie complète et les algorithmes pour calculer les indicateurs de défaut pour les défauts électriques et mécaniques sont donnés et les résultats sont validés sur signaux synthétiques et expérimentaux. En termes d'application, l'accent est mis sur la surveillance d'état des composants de turbines éoliennes. Toutefois, le procédé proposé peut être appliqué à des systèmes électromécaniques en général et peut facilement être étendu à des systèmes polyphasés. / This thesis proposes a three-phase electrical signals analysis method for condition monitoring of electromechanical systems. The proposed method relies on the use of instantaneous symmetrical components (ISCs) transform and simple signal processing tools to detect both electrical and mechanical faults in such systems. The advantages of using this three-phase approach for condition monitoring instead of single-phase ones are thoroughly detailed. Firstly, for electrical faults the use of the three-phase transform separates the balanced and unbalanced components thus making electrical unbalance detection easier. Secondly, for mechanical faults the ISCs approach has better signal-to-noise ratio (SNR). Indeed, by applying the same processing to both single-phase and ISCs, some mechanical faults are only detectable using the positive-sequence ISC. The complete methodology and algorithms to compute fault indicators for both electrical and mechanical faults are given and the results are validated using synthetic and experimental signals. In terms of application, the focus was on condition monitoring of wind turbine components. However, the proposed method can be applied on electromechanical systems in general and can easily be extended to poly-phase systems.

Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué dans le cadre du projet FEDER ”Maintenance prédictive des éoliennes et maîtrise des impacts environnementaux”. Un des objectifs du projet a été de développer, dans le Poitou-Charentes, des compétences dans le domaine de l’éolien en lien avec les activités des laboratoires LIAS et LaSIE. Pour le LIAS, il a été décidé de lancer une nouvelle activité de recherche sur le diagnostic de défauts mécaniques. Le cadre du projet concernant l’éolien, les défauts localisés dans les multiplicateurs ont été privilégiés. Par ailleurs, nous avons restreint l’étude au régime stationnaire afin de simplifier l’apprentissage des différents phénomènes mis en jeu et des techniques de traitement du signal utilisées. Dans une première partie, nous avons étudié les signatures de défaut sur les signaux vibratoires. Cette phase a été facilitée par l’utilisation des données expérimentales mise à disposition par le Bearing Data Center de la Case Western Reserve - University de Cleveland. Parmi les méthodes de traitement de signal utilisées, nous avons opté pour l’analyse d’enveloppe mise en oeuvre dans les techniques de type Time Synchronous Analysis (TSA). A cette occasion, nous avons défini une procédure complète de détection de défaut que nous avons conservée tout au long de cette étude en appliquant une technique d’identification de type PNL qui nous a permis d’obtenir des résultats comparables à des méthodes haute résolution de type ESPRIT. Par la suite, nous nous sommes recentrés sur l’application éolienne en réalisant un banc d’essai original permettant d’émuler un défaut au niveau de l’accouplement de deux machines électriques. L’idée principale a été de recenser l’ensemble des signaux exploitables dans le cadre de la détection du défaut émulé et de fournir une classification entre les courants électriques, le couple mécanique et la vitesse des machines. Par ailleurs, un comparatif entre signaux mesurés et signaux estimés a été présenté. Il en ressort qu’il est possible d’obtenir un signal observé plus riche que la mesure directe en terme de composantes spectrales liées au défaut. Cette amélioration est rendue possible par une synthèse adéquate des gains d’observation qui a été obtenue après linéarisation de l’observateur étudié. En marge de l’application éolienne, le cas d’un moteur commandé vectoriellement a été abordé. L’idée a été d’exploiter les performances de la boucle de vitesse afin d’amplifier les composantes recherchées dans les courants électriques. L’ensemble de ces pistes de recherches a été testé en simulation et expérimentalement. / The work presented in this thesis was carried out under the FEDER project ”Maintenance prédictive des éoliennes et maîtrise des impacts environnementaux”. One of the project objectives was to develop, in Poitou-Charentes, expertise in the field of wind power in connection with the activities of LIAS and LaSIE laboratories. For LIAS, it was decided to launch a new research activity on the diagnosis of mechanical faults. The localized defects in gearbox were privileged. Furthermore, we restricted the study to the stationary system to simplify the learning of different phenomena involved and signal processing techniques. In the first part, we studied the fault signatures on the vibration signals. This phase was facilitated by the use of experimental data available from the Bearing Data Center of the Case Western Reserve - Cleveland University. Among the signal processing methods, we opted for envelope analysis implemented in the Synchronous Time Averaging (TSA). On this occasion, we defined a comprehensive fault detection procedure that we have maintained throughout this study by applying a NLP identification technique where we obtained similar results compared to high-resolution methods as ESPRIT. There after, we refocused on wind power applications by making an original test bench capable of emulating a fault in the coupling of two electrical machines. The main idea was to identify all usable signals in the context of emulated fault detection and to provide a classification between electric currents, mechanical torque and speed of the machines. Moreover, a comparison between measured signals and estimated ones was discussed. It shows that it is possible to get an observed signal richer than direct signal measurement in terms of spectral components related to the defect. This improvement is made possible by an appropriate synthesis of gains observer which was obtained after linearization of the studied observer. In the margin of wind application, the case of a motor controlled by vector was also discussed. The idea was to exploit the speed loop performance to amplify the fault components in electrical currents. All these researches have been tested in simulation and experimentally.