Le domaine de la traction électrique a suscité un très grand intérêt dans les dernières années. La conception optimale de l'ensemble moteur électrique de traction - onduleur doit prendre en compte une variété de critères et contraintes. Étant donnée la liaison entre la géométrie du moteur et la stratégie de commande de l'onduleur, l'optimisation de l'ensemble de traction doit prendre en considération, en même temps, les deux composants.L'objectif de la thèse est la conception d'un outil d'optimisation appliqué à un système de traction électrique légère qu'emploie un moteur à réluctance variable alimenté (MRVCE) par un onduleur triphasé en pont complet. Le MRVCE est modélisé en utilisant la technique par réseau de perméances. En même temps, la technique de commande électronique peut être facilement intégrée dans le modèle pour effectuer l'analyse dynamique du fonctionnement du moteur. L'outil d'optimisation réalisé utilise l'algorithme par essaim de particules, modifié pour résoudre des problèmes multi-objectif. Les objectifs sont liés à la qualité des caractéristiques de fonctionnement du moteur, en temps que les variables d'optimisation concernent la géométrie du moteur aussi que la technique de commande. Les performances de l'algorithme sont comparées avec ceux de l'algorithme génétique (NSGA-II) et d'une implémentation classique de l'algorithme par essaim de particules multi-objectif.Finalement, un prototype de moteur à réluctance variable est construit et le fonctionnement du MRVCE alimenté depuis l'onduleur triphasé en pont complet est implémenté et les outils de modélisation et d'optimisation sont validés

Les machines électriques à aimants, appréciées pour leurs densités énergétiques volumique et massique, équipent la majorité des véhicules électrifiés. Par contre, dans la zone à puissance constante d’un système de propulsion, les commander à pertes maîtrisées, cela en démagnétisant les aimants mais de façon réversible, reste une gageure, particulièrement sous environnement thermique changeant. Les solutions simples pour se prémunir d’une démagnétisation irréversible sont coûteuses: surdimensionner ou ajouter une terre très très rare (Dysprosium).Cette thèse propose d’ajouter à l’approche de la démagnétisation réversible universellement utilisée, celle d’une boite de vitesse électromagnétique. Pour cela on conçoit une machine pentaphasée à aimants.Passer de trois à cinq phases permet alors d’augmenter les paramètres de réglage de l’alimentation électrique et, moyennant approximation, de disposer de deux machines fictives à p et 3p paires de pôles, chacune pouvant contribuer de façon équivalente à la production du couple. Pratiquement, l’utilisation optimale de ces deux machines permet de reconstituer la fonction de boite de vitesse. / Permanent Magnet electrical machines , appreciated for their high power density, equip the majority of the electrified vehicles. However, controlling these machines, in the constant power range of the propulsion system while mastering the losses, with PM reversible demagnetization remains a challenge especially under varying thermal environnement. Proposed solutions aim for protecting PM from irreversible demagnetization are costly: oversizing or using very rare earth PM (Dysprosium).In this thesis, we proposed to add on the reversible demagnetization approach universally used , that of a electromagnetic gearbox. Thus, we design a five phase PM machine.Increasing the phase number from three to five, increases the adjustment parameter of the electrical supply, and allows to have two fictitious machines with p and 3 p poles. Each fictitious machine contributes equivalently in producing torque. Practically, the optimal use of these two machines leads to reconstructing the gearbox function.

Dans le contexte automobile actuel de réduction des émissions de CO2, une réponse semble être apportée par le véhicule électrique. De nombreuses questions se posent alors, notamment concernant l'autonomie, d'autant plus que le nombre de consommateurs électriques dans les véhicules est en constante augmentation. Il est nécessaire de concevoir un groupe-motopropulseur électrique alliant autonomie et performances en considérant les contraintes de coût auxquelles est confronté tout constructeur.Concernant les outils de conception, très nombreux sont les constructeurs qui s'orientent vers d'autres solutions que la réalisation de prototypes en faisant appel à la simulation numérique dès le début du cycle en V pour optimiser leur prédimensionnement et assurer un gain non négligeable sur les délais et les coûts. Les travaux de thèse s'articulent ainsi autour de deux axes. Une première étape consiste à modéliser le réseau électrique automobile (chaîne de traction, système de confort thermique et réseau 14V) afin de simuler son fonctionnement en régime dynamique. L'aspect dynamique est important : des cartographies de pertes ne peuvent suffire si nous nous intéressons aux performances du véhicule en termes d'accélérations. D'autre part, l'autonomie est impactée de façon non négligeable par cet aspect dynamique.Dans une seconde étape, nous procéderons à l'optimisation du système de puissance. Les critères qui nous intéressent, autonomie et performances, sont antagonistes, ce qui donne lieu à la recherche de " meilleurs " compromis. Nous distinguons l'optimisation des lois de pilotage des organes de l'optimisation de l'architecture, les deux étant menées séquentiellement.

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

Dans le contexte automobile actuel de réduction des émissions de CO2, une réponse semble être apportée par le véhicule électrique. De nombreuses questions se posent alors, notamment concernant l’autonomie, d’autant plus que le nombre de consommateurs électriques dans les véhicules est en constante augmentation. Il est nécessaire de concevoir un groupe-motopropulseur électrique alliant autonomie et performances en considérant les contraintes de coût auxquelles est confronté tout constructeur.Concernant les outils de conception, très nombreux sont les constructeurs qui s’orientent vers d’autres solutions que la réalisation de prototypes en faisant appel à la simulation numérique dès le début du cycle en V pour optimiser leur prédimensionnement et assurer un gain non négligeable sur les délais et les coûts. Les travaux de thèse s’articulent ainsi autour de deux axes. Une première étape consiste à modéliser le réseau électrique automobile (chaîne de traction, système de confort thermique et réseau 14V) afin de simuler son fonctionnement en régime dynamique. L’aspect dynamique est important : des cartographies de pertes ne peuvent suffire si nous nous intéressons aux performances du véhicule en termes d’accélérations. D’autre part, l’autonomie est impactée de façon non négligeable par cet aspect dynamique.Dans une seconde étape, nous procéderons à l’optimisation du système de puissance. Les critères qui nous intéressent, autonomie et performances, sont antagonistes, ce qui donne lieu à la recherche de « meilleurs » compromis. Nous distinguons l’optimisation des lois de pilotage des organes de l’optimisation de l’architecture, les deux étant menées séquentiellement. / In the current automobile trend of global CO2 emissions reduction, the electric vehicle seems to be one of the most effective solutions. It is a new technology and, consequently, many questions appear, in particular concerning the range impacted by the constant increase of the number of electric loads embedded in vehicles. It is necessary to design an electric powertain allying sufficient range and good performances and respecting cost constraints, which is a determining criterion for every car manufacturer. Concerning conception tools, many car manufacturers turn to other solutions that only physical prototypes realization by using numerical simulation from the beginning of the V-cycle in order to optimize powertrain presizing and ensure a significant costs and delays reduction.The thesis works are based on two axes.The first part consists in modeling the power system of electric vehicle (powertrain, air-conditioning, heating system and 14V network) in order to simulate the global system behavior in transient state. The dynamic aspect is important: for example, losses maps cannot be used if we are interested in vehicle performances in terms of accelerations. Moreover, as that will be shown, the vehicle range is impacted in a significant way by the dynamic phenomena. The models are validated by comparison with tests results.In a second part, we proceed to electric power system optimization. The criteria that interest us namely range and performances are conflicting, what gives rise in search of "best" compromises. It is necessary to distinguish control laws optimization from architecture optimization, both being led sequentially.

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.

Depuis un demi-siècle, le développement de la traction électrique ferroviaire en courant monophasé en France s'est appuyé sur les progrès réalisés aussi bien au niveau des installations fixes de traction qu'au niveau du matériel roulant. Toutefois, au cours des deux dernières décennies, l'augmentation du trafic et l'introduction de locomotives avec des chaines de traction innovantes ont été à l'origine de phénomènes électriques qui se sont avérés néfastes pour l'exploitation du système. Les premiers phénomènes observés ont été à l'origine de dégâts matériels à bord de locomotives. Il s'agissait de surtensions résultant d'une interaction défavorable entre l'impédance interne de l'infrastructure et les harmoniques générés par les engins moteurs équipés de redresseurs à thyristors. Plus récemment, suite à l'introduction massive d'engins équipés de redresseurs à absorption sinusoïdale de courant, un phénomène de modulation très basse fréquence de la tension caténaire est apparu et a provoqué la mise hors tension des locomotives voire la disjonction de la sous station alimentant le secteur concerné. Ceci constitue aujourd'hui un obstacle majeur à l'utilisation généralisée de la nouvelle technologie à bord des engins. Ces perturbations affectent l'exploitation du système en entrainant généralement des retards voire des annulations de circulation. Elles peuvent aussi dégrader la qualité d'énergie du réseau d'électricité amont à un niveau tel que la sous-station d'alimentation doit être déconnectée. La direction de l'ingénierie de la SNCF a donc pris des dispositions pour comprendre puis éviter l'apparition des phénomènes observés. Une collaboration interne entre le centre d'ingénierie du matériel et la division des installations fixes de traction électrique ainsi qu'un partenariat avec le LAPLACE ont été mis en place. Le présent document est le fruit de cette collaboration. L'objectif de cette thèse est donc d'étudier et de modéliser les interactions entre les engins et les installations fixes de traction sur le réseau français 25kV/50Hz. Ce manuscrit comporte deux parties principales qui s'organisent ainsi : La première partie est consacrée à l'étude du phénomène de modulation très basse fréquence de la tension caténaire. Les modèles des deux principaux composants du système sont d'abord présentés. Les études ainsi menés permettent de comprendre l'origine du phénomène, puis ensuite de développer une méthode de caractérisation des engins permettant de retrouver les limites de stabilité dans les secteurs problématiques du réseau ferré. Ceci nous a conduit à proposer une représentation générale des locomotives modernes sous forme d'une matrice admittance qu'il est possible d'obtenir par une mesure directe sur des engins réels. La deuxième partie concerne l'étude des interactions harmoniques à l'origine de surtensions sur la caténaire. L'analyse systématique du phénomène est basée sur des outils de simulation de circuits électroniques de puissance utilisant une bibliothèque de modèles élémentaires. La première étape consiste à développer un modèle « moyenne fréquence » du réseau d'alimentation afin de mettre en évidence les fréquences de résonance de l'ensemble ligne/sous-station. La deuxième étape consiste à modéliser les locomotives afin de prendre en compte leur réponse harmonique. Au final, il devient possible de savoir si un engin donné va générer des déformations de la tension en vérifiant si l'une des composantes harmoniques du courant absorbé coïncide avec une des résonances caractéristique du circuit d'alimentation. Pour compléter cette deuxième partie, une modélisation plus fine, intégrant l'effet de peau et l'effet de proximité est abordée. Elle s'appuie sur la caractérisation expérimentale en moyenne fréquence d'un transformateur 50Hz. Ceci nous permet de vérifier l'influence de ces phénomènes sur le comportement fréquentiel du réseau d'alimentation. / For a half a century, the increasing development of AC electrical traction railway networks in France relied on the progress made in the infrastructure power supply an in the rolling stock. However, over the past two decades, increased traffic and the introduction of modern locomotives were the cause of electrical phenomena that have proven harmful to the operation of the railway network. The first events that occurred induced serious faults on board locomotives. It was overvoltages resulting from unfavourable interaction between the internal impedance of the infrastructure and the harmonics generated by the electrical vehicles using thyristor controlled rectifiers. More recently, with the massive introduction of active front-end locomotives, problems of low frequency oscillations and instability were observed causing power off locomotives or disjunction of the sector sub-station. The objective of this thesis is to study and model the interactions between locomotives and fixed installations for electric traction on the French rail network 25kV/50Hz. This script has two main parts, which organized as follows: The first part is devoted to the study of the phenomenon of very low frequency modulation of the catenary voltage. The models of the two main components of the system, namely the single-phase power and the active front-end locomotives are first presented. Studies conducted this way, help to understand the origin of the phenomenon and then to develop a method to characterize the vehicle to find the stability limits in problems sectors of the rail network. This led us to propose a general representation of modern locomotives as an admittance matrix that can be obtained by direct measurement on real machines. The second part is the study of harmonic interactions causing overvoltages on the catenary. Systematic analysis of the phenomenon is based on simulation tools of power electronics circuits using a collection of specific elementary models. The first step consists in developing a “medium frequency” model of the power network in order to highlight the resonance and anti-resonance frequencies of the line/sub-station set. The second step is to model locomotives to take into account their harmonic response. In the end, it becomes possible to know whether a particular machine will generate deformations of the catenary voltage, by checking if any of the harmonic components of the consumed current coincides with one of the characteristic resonances of the traction electric circuit. To complete the second part, a more detailed model is discussed incorporating physical phenomena that occur with an increasing frequency (skin effect in the insulted conductors or proximity effect between conductors).It is based on the experimental characterization on medium frequency of a 50Hz transformer. This allows us to check the influence of these phenomena on the frequency behaviour of the supply network.

L'objectif du projet CONCIGI-HT (CONvertisseur alternatif-continu Compact à Isolement Galvanique Intégré Haute Tension) est d'augmenter le rendement des chaînes de traction tout en réduisant la masse et le volume de la fonction de conversion Alternatif/Continu. Pour cela, l'ensemble transformateur basse fréquence - redresseur est remplacé par une structure multi-convertisseurs, directement connectée à la caténaire haute tension et intégrant des transformateurs fonctionnant en moyenne fréquence (plusieurs kHz). Cette thèse concerne plus particulièrement la caractérisation et la mise en œuvre de composants semi-conducteurs haute tension dans des structures de conversion statiques à étage intermédiaire moyenne fréquence. L'étude est effectuée sur la base d'une chaîne de traction de 2 MW fonctionnant sur un réseau 25 kV/50 Hz. Le premier chapitre présente l'état de l'art de l'Automotrice à Grande Vitesse (AGV) récemment produite par ALSTOM. C'est la chaîne de traction de cet engin qui sert de référence pour l'étude des nouvelles topologies à transformateur moyenne fréquence. Le deuxième chapitre décrit tout d'abord la structure d'une chaîne de traction classique et présente ensuite deux topologies multicellulaires à transformateur moyenne fréquence applicables en traction électrique ferroviaire (la structure indirecte à redresseur de courant MLI et convertisseur DC/DC à résonance ainsi que la topologie directe associant des convertisseurs duaux). Les avantages et inconvénients de ces topologies sont mis en évidence. Le troisième chapitre concerne la mise en œuvre et la caractérisation en commutation douce de composants Silicium 6,5 kV dans les deux topologies présentées précédemment. Deux bancs de test, représentant un étage élémentaire de conversion, ainsi que des allumeurs spécifiques dédiés à la commutation douce, ont été réalisés. Ils permettent l'étude des semi-conducteurs en régime permanent dans des conditions nominales de fonctionnement (3,6 kV / 100 A). Le quatrième chapitre présente la mise en œuvre et la caractérisation de composants en carbure de silicium (SiC). Pour cela des modules de puissance à base de puces 10 kV (MOSFET et Diodes) ont été réalisés. Les résultats expérimentaux, obtenus sur les bancs de test réalisés au chapitre précédent, mettent en évidence une réduction significative des pertes et démontrent la viabilité de la topologie à convertisseurs duaux pour une application en 25 kV/50 Hz. La conclusion présente un premier design d'un bloc élémentaire et les gains en masse et volume ainsi que les économies d'énergies qui pourront être obtenus par rapport à une structure classique. / The objective of the CONCIGI-HT project (Compact AC/DC converter with Integrated High Voltage Galvanic Insulation) is to increase the efficiency of traction drives while reducing the mass and volume of the AC/DC conversion. To do that, the part low-frequency transformer - rectifier is replaced by a multi-converter topology, directly connected to the high voltage power supply and incorporating medium frequency transformers (several kHz). This thesis relates more particularly to the characterization and implementation of high voltage semiconductors in conversion topologies with intermediate medium frequency link. The study is performed on the basis of a traction drive of 2 MW operating on a 25 kV/50 Hz power supply. The first chapter presents the state of the art of the Automotrice à Grande Vitesse (AGV) recently produced by ALSTOM. The traction drive of this vehicle is used as a reference for the study of new topologies with medium frequency transformer. The second chapter first describes the structure of a conventional traction drive and then presents two multicellular topologies with medium frequency transformer applicable to railway traction (the indirect structure with PWM rectifier and DC/DC resonant converter and the direct topology combining dual converters). The advantages and disadvantages of these topologies are highlighted. The third chapter deals with the implementation and soft switching characterization of 6.5 kV Silicon components in both topologies presented above. Two test benches, representing a basic conversion stage, as well as specific drivers dedicated to the soft switching, has been made. They allow the study of semiconductors in nominal operating conditions (3.6 kV / 100 A). The fourth chapter presents the implementation and characterization of silicon carbide components (SiC). For this, power modules based on 10 kV chips (MOSFET and Diodes) have been achieved. The experimental results obtained on test benches made in the previous chapter, show a significant reduction in losses and demonstrate the viability of the dual converter topology for a 25 kV/50 Hz application. The conclusion presents the first design of an elementary block and gains in mass and volume as well as the energy savings that can be achieved compared to a conventional structure.

Le domaine de la traction électrique a suscité un très grand intérêt dans les dernières années. La conception optimale de l'ensemble moteur électrique de traction – onduleur doit prendre en compte une variété de critères et contraintes. Étant donnée la liaison entre la géométrie du moteur et la stratégie de commande de l'onduleur, l'optimisation de l'ensemble de traction doit prendre en considération, en même temps, les deux composants.L'objectif de la thèse est la conception d'un outil d'optimisation appliqué à un système de traction électrique légère qu'emploie un moteur à réluctance variable alimenté (MRVCE) par un onduleur triphasé en pont complet. Le MRVCE est modélisé en utilisant la technique par réseau de perméances. En même temps, la technique de commande électronique peut être facilement intégrée dans le modèle pour effectuer l'analyse dynamique du fonctionnement du moteur. L'outil d'optimisation réalisé utilise l'algorithme par essaim de particules, modifié pour résoudre des problèmes multi-objectif. Les objectifs sont liés à la qualité des caractéristiques de fonctionnement du moteur, en temps que les variables d'optimisation concernent la géométrie du moteur aussi que la technique de commande. Les performances de l'algorithme sont comparées avec ceux de l'algorithme génétique (NSGA-II) et d'une implémentation classique de l'algorithme par essaim de particules multi-objectif.Finalement, un prototype de moteur à réluctance variable est construit et le fonctionnement du MRVCE alimenté depuis l'onduleur triphasé en pont complet est implémenté et les outils de modélisation et d'optimisation sont validés / The interest for the electric traction applications has been growing in the last few years. The optimal design of the electric motor and of the inverter that powers it needs to consider a long list of restrictions and criteria. Because of the fact that the geometry of the motor and the switching strategy are closely linked, the optimization of the traction solution needs to consider both, at the same time.The objective of this thesis is the development of an optimization tool applied for the optimization of an electric traction solution that uses the switched reluctance motor (SRM) fed from a three phase full bridge inverter. The SRM is modeled using Permeance Network Analysis (PNA). The switching technique can be easily integrated in the model, which gives the possibility to run a dynamic analysis. The optimization tool created uses the Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm, modified for multi-objective problems. The algorithms performances are compared with those of the Genetic Algorithm, using the NSGA-II multi-objective technique and with a classic version of multiple objective particle swarm optimizer (MOPSO).Finally, a SRM prototype is constructed and the drive solution using a full-bridge three phase inverter is implemented. The modeling and optimization tools are thus experimentally validated

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