Les convertisseurs statiques constituent un moyen de conversion d'énergie très performant. Néanmoins, ils engendrent des perturbations électromagnétiques importantes pendant les commutations des interrupteurs à semi-conducteur. Dans ce manuscrit, nous étudions la corrélation entre le fonctionnement électrique et le rayonnement magnétique proche d'un variateur de vitesse électrique. Pour ceci, nous avons réalisé un nouveau banc d'essai champ proche. La première utilisation du nouveau banc a été faite sur un système académique type Buck. Cette étude a constitué un bon moyen de validation du banc de mesure avec des résultats comparatifs assez satisfaisants. La deuxième application était plus industrielle. Elle nous a permis d'identifier les sources principales. Des hypothèses simplificatrices nous ont permis d'établir des modèles du premier ordre valable jusqu'aux moyennes fréquences. Grâce à ces modèles nous pouvons prédire le comportement des principales sources de perturbation avant l'étape de conception.

La diffusion croissante de l'électronique de puissance dans les équipements électriques entraîne une dégradation de la qualité de la tension des réseaux de distribution. Au coeur de ces réseaux électriques, la machine asynchrone est la machine électrique la plus couramment utilisée dans les applications industrielles. La présente étude se concentre essentiellement sur la modélisation fréquentielle de la machine asynchrone dans le but de reproduire, par simulation, le courant de ligne absorbé lorsque celle-ci est alimenté par des tensions non sinusoïdales. Nous avons analysé différents types de modèles issus de la littérature, et nous avons proposé un modèle de type circuit basé sur le principe de superposition : modèle harmonique. L'identification des paramètres des différents modèles a nécessité la réalisation et la comparaison de plusieurs types d'essais fréquentiels (tension constante, V/f constant, injection de courant avec composante continue) dont nous avons discuté la pertinence. La comparaison des résultats de simulation avec les mesures a permis de montrer que l'essai d'identification avec injection de courant continu associé au modèle harmonique conduit à une meilleure représentation du comportement de la machine. Enfin, l'exploitation du modèle dans deux cas d'alimentation non sinusoïdale (réseau perturbé, variateur de vitesse) a démontrer l'intérêt du modèle harmonique pour l'étude des perturbations conduites basses fréquences.

La méthode PEEC a montré d'excellentes performances à modéliser les structures d'électronique de puissance, par comparaison à la méthode des éléments finis. La raison en est sa bonne capacité à prendre en compte les géométries 3D de conducteurs complexes, comme dans les redresseurs forte puissance ou les onduleurs pour la traction. Cependant, le besoin de compacité des structures a conduit à faire cohabiter les parties magnétiques proches des circuits de puissance, ce qui rend plus difficile la qualification des performances CEM des dispositifs. La méthode PEEC ne permet pas facilement une prise en compte des parties magnétiques, contrairement à la méthode des éléments finis. De ce fait, afin de bénéficier des avantages de chacune d'elles, un couplage des deux méthodes est proposé. Ce dernier est moins coûteux en temps calcul et en place mémoire que la méthode des éléments finis pure, tout en garantissant une meilleure précision. Le couplage a été validé sur des dispositifs simples incluant des conducteurs massifs et appliqué à un variateur de vitesse industriel pour lequel des améliorations ont été proposées. Ce travail ouvre des perspectives pour la conception des dispositifs complets d'électronique de puissance.

Les variateurs de vitesse modernes sont exclusivement basés sur l'utilisation de moteurs triphasés alimentés par des onduleurs à modulation de largeur d'impulsion (MLI). La plupart des applications modernes de la variation de vitesse, comme les ascenseurs, les grues et les machines-outils sont caractérisées principalement par un rapport élevé entre la puissance crête et la puissance moyenne et une forte demande de freinage à la puissance nominale. Dans les variateurs de vitesse ordinaires, l'énergie de freinage, qui est de l'ordre de 30 à 50% de l'énergie consommée, est dissipé dans une résistance. Outre les problèmes " énergétiques ", les interruptions et dégradations de la tension d'alimentation ainsi que la qualité du courant d'entrée et la fluctuation de la charge, sont d'autres questions à aborder et à résoudre.Le super-condensateur dédié aux applications de conversion de puissance est ainsi proposé. Un variateur de vitesse équipé avec des super-condensateurs est présenté dans la thèse. Les super-condensateurs, interconnectés par un convertisseur DC-DC sont utilisés pour stocker et ré-injecter l'énergie de freinage. De plus, le convertisseur DC-DC contrôle le courant du redresseur et la tension du bus DC. Le THD du courant d'entrée est ramené à 30%. La tension du bus DC est élevée et en permanence contrôlée et lissée indépendamment de la charge et de la variation de la tension réseau. Pour terminer, les pics de puissance peuvent être lissés. La solution présentée est analysée théoriquement et vérifiée par un ensemble de simulations et expérimentations. Les résultats sont présentés et commentés

Les commutations au sein des convertisseurs statiques, base même du transfert d'énergie sont à l'origine des perturbations électromagnétiques. En effet des fronts raides engendrent des signaux en mode commun qui excitent les câblages, les structures métalliques ou encore les composants passifs. Ces éléments, de par leurs dimensions importantes jouent alors le rôle d'antennes émettrices rayonnant l'énergie perturbatrice dans l'environnement immédiat du produit et susceptible de produire des dysfonctionnements au sein d'autres équipements. L'objet de cette travail de thèse est de quantifier et de modéliser les différentes sources d'énergie en fonction de leur intensité vis-à-vis d'une gamme de fréquences donnée dans un premier temps, puis dans un second temps de montrer que des actions astucieuses et peu onéreuses notamment sur les câblages ou les routage astucieux peuvent permettre de diminuer grandement les perturbations engendrées par l'écoulement des courants de mode commun en mode conduit mais surtout en mode rayonné. L'impact des blindages est aussi étudié en tout dernier ressort quand l'effort de réduction à la base n'est pas suffisant compte tenu des contraintes technologiques.

Depuis une bonne dizaine d'année, l'aéronautique a entamé sa mutation vers le "plus électrique".L'objectif étant de réduire la consommation de carburant, une des contraintes majeures de ces nouvelles solutions est de réduire la masse embarquée. Les filtres dimensionnés pour les convertisseurs statiques doivent donc être optimisés au mieux vis-à-vis de ce critère, ainsi que du volume. Il y a donc un fort besoin du côté des concepteurs d'avions de savoir quels choix parmi les différentes possibilités technologiques sont optimaux, et de connaître l'impact de ces choix sur le poids, le coût global et le volume de l'équipement. Le filtre CEM représente généralement environ 30% du coût et du volume d'un convertisseur électronique de puissance. Il va de soi que le volume et/ou la masse de ces filtres doit être optimisé. L'impact de la loi de commande du convertisseur, le choix des semi-conducteurs, du packaging, câbles (longueur et intégration dans l'avion), des machines électriques,...doivent être parfaitement connus pour atteindre un dimensionnement optimal.Dans cette perspective, les objectifs de ces travaux de thèse visent à fournir non seulement une démarche méthodologique pour la modélisation haute fréquence des variateurs de vitesse dédiés aux applications aéronautiques mais aussi une approche de dimensionnement par optimisation des filtres CEM. Pour cela, un outil logiciel évolutif d'aide à la génération rapide des modèles CEM est proposé. Une description modulaire et une mise en équation automatique du modèle fréquentiel complet ainsi que des gradients en facilitent l'utilisation en procédures d'optimisation sous contraintes. L'approche présentée dans ces travaux est relativement générique : la topologie du filtre, de la structure du convertisseur, du câblage et la loi de commande peuvent être facilement recalculées, grâce à cet environnement logiciel.

La topologie modulaire multiniveaux est une structure d'électronique de puissance construite par la mise en série de sous-modules identiques, composés chacun d'une cellule de commutation et d'un condensateur. Un tel système de conversion pouvant comporter un grand nombre de cellules permet d'augmenter le rendement global et la qualité des signaux en sortie. De plus, il permet d'utiliser des composants basse tension présentant un meilleur comportement dynamique et un rapport qualité-prix bien supérieur aux composants moyenne tension. Il permet également, par rapport aux structures conventionnelles, une grande souplesse pour la conception et la fabrication du fait de son aspect modulaire, tout en s'affranchissant d'un transformateur volumineux et onéreux en entrée. Comparé aux autres types de topologies, avantageuses avec un nombre limité de niveaux, le convertisseur modulaire multiniveaux semble être mieux adapté aux applications en moyenne et haute tensions, qui sont tributaires de l'association des composants de puissance. Néanmoins, pour la variation de vitesse, un certain nombre de défis technologiques ont été mis en évidence, compte tenu du fonctionnement particulier de l'onduleur modulaire multiniveaux et des contraintes imposées par l'opération en très basse fréquence. En le fonctionnement normal, la forme d'onde des courants internes, contrairement aux autres types de topologies, n'est pas symétrique en raison de la distribution du courant direct dans chaque bras. Cela entraîne une disparité significative en termes de dissipation thermique parmi les interrupteurs constituant un sous-module. Avec le choix d'une technologie de packaging 3D, la possibilité de refroidir les puces semi-conductrices en double-face offre une meilleure capacité de refroidissement et une nouvelle perspective de conception des modules pour cette application. Un nouveau concept de report de puces est présenté et un prototype de tel module a été réalisé, modélisé et caractérisé. Il permet d'équilibrer globalement la chaleur dissipée par les puces sur les deux faces du module, problème inhérent à l'emploi de structure 3D. Conjugué à la mutualisation d'un interrupteur par deux puces en parallèle, la nouvelle architecture a aussi pour objectif d'équilibrer le refroidissement double-face dans le temps. En effet, pour les opérations en basse fréquence, les interrupteurs fonctionnent en régime instationnaire avec de forte variation de température, il n'est donc plus possible de compenser les effets thermomécaniques de chaque composant l'un par l'autre, comme en régime stationnaire et avec un positionnement planaire des puces. D'autre part, d'un point de vu systémique, la stratégie de commande et le dimensionnement des condensateurs flottants de l'onduleur modulaire multiniveaux sont deux aspects intimement liés. En effet, les condensateurs flottants sont le siège d'ondulations de tension de très forte amplitude. Cela a pour effet de déstabiliser l'onduleur, voire de provoquer la destruction des composants en atteignant des niveaux de tension trop élevés. Ainsi, des contrôleurs judicieusement conçus permettent de réduire les ondulations indésirables, et a fortiori, d'embarquer des capacités moins importantes dans le système, tant que ces dernières sont inversement proportionnelles à l'ondulation de la tension. Afin d'avoir une compréhension approfondie sur les dynamiques régissant le convertisseur modulaire multiniveaux, un modèle dynamique global basé sur la représentation d'état a été établi. Bien que cette représentation soit limitée à l'harmonique 2 des grandeurs caractéristiques, elle permet une fidèle interprétation du mécanisme de conversion sans passer par des modèles énergétiques bien plus complexes à exploiter, et de proposer des lois de commande montrant leur efficacité notamment autour de la fréquence nominale. Cela a été vérifié sur une maquette de puissance réalisée dans le cadre de cette thèse. / Multilevel modular topology converts energy between two direct and alternative endings. This structure is constructed by the series connection of identical sub-modules, composed of a switching cell and a floating capacitor, and with arm inductors. Such a conversion system may reach a large number of levels increases the overall efficiency and quality of the output signals. In addition, it allows the use of low voltage components with better dynamics and cost effectiveness above the high voltage components. It also allows flexibility in the work of design and manufacture due to its modularity, while avoiding a bulky and expensive input transformer, regarding the conventional technology. Compared with other types of topologies, advantageous with a limited number of levels, the modular multilevel converter seems to be more suited for medium and high voltage applications, which are dependent on the association of power components. However, for variable speed drive application, a certain number of technological challenges have been highlighted, given the specific functional characteristics of the modular multilevel inverter and the constraints imposed by the very low frequency operation. On the one hand, for the normal operation of a multilevel modular converter, the waveform of the internal currents, in contrast to other types of topologies, is not symmetrical due to the distribution of the direct current in each phase leg. This may entail a significant disparity in terms of heat dissipation within the switching devices constituting a sub-module. Therefore, the problem of thermal management of active components is emphasized in the use of a modular multilevel converter. With the choice of a 3D packaging technology, interconnection by bumps, the ability to cool the semiconductor chips through the both sides of a module offers better cooling effects and a new perspective to design the power module for the studied structure. The concept of laying chips on both the two substrates of module without facing each other provides overall balanced dissipation in the space and permit to overcome the unbalanced heat distribution induced by bumps. Combined with the sharing of a switch by two chips in parallel, the proposal of the new architecture for 3D power module also aims to balance the double-sided cooling in the time range. Indeed, for the very low frequency operation, the switches operate in unsteady state where each switch has its own thermal behavior, it is no longer possible to compensate the thermo-mechanical constraints over each component with the help of the others, as in steady state and with a planar chips positioning scheme. On the other hand, from a systemic point of view, the control strategy and the dimensioning of floating capacitors of modular multilevel inverter are two interrelated aspects. Because the floating capacitors, having the role of energy sources, are loaded / unloaded through the modulation period, which causes very high voltage ripples across those capacitors with a very low frequency. This will destabilize the inverter and even provoke the destruction of components by approaching too high voltage levels. Thus, wisely designed controllers reduce unwanted ripples and, furthermore, allow embarking much smaller capacity in the system, as they are inversely proportional to the voltage ripple. In order to have a thorough understanding on the dynamics governing the modular multilevel converter, a comprehensive dynamic model based on state-space representation was established. Although this representation is limited to the second harmonic of characteristic variable, it allows a faithful interpretation of the conversion mechanism without using energy models, more complex to operate, and control laws can also be proposed and their effectiveness around the nominal frequency has been underlined. Concerning the very low frequency operations, another solution has been proposed and is ongoing patent pending.

Les variateurs de vitesse modernes sont exclusivement basés sur l’utilisation de moteurs triphasés alimentés par des onduleurs à modulation de largeur d’impulsion (MLI). La plupart des applications modernes de la variation de vitesse, comme les ascenseurs, les grues et les machines-outils sont caractérisées principalement par un rapport élevé entre la puissance crête et la puissance moyenne et une forte demande de freinage à la puissance nominale. Dans les variateurs de vitesse ordinaires, l’énergie de freinage, qui est de l’ordre de 30 à 50% de l’énergie consommée, est dissipé dans une résistance. Outre les problèmes « énergétiques », les interruptions et dégradations de la tension d’alimentation ainsi que la qualité du courant d’entrée et la fluctuation de la charge, sont d’autres questions à aborder et à résoudre.Le super-condensateur dédié aux applications de conversion de puissance est ainsi proposé. Un variateur de vitesse équipé avec des super-condensateurs est présenté dans la thèse. Les super-condensateurs, interconnectés par un convertisseur DC-DC sont utilisés pour stocker et ré-injecter l'énergie de freinage. De plus, le convertisseur DC-DC contrôle le courant du redresseur et la tension du bus DC. Le THD du courant d’entrée est ramené à 30%. La tension du bus DC est élevée et en permanence contrôlée et lissée indépendamment de la charge et de la variation de la tension réseau. Pour terminer, les pics de puissance peuvent être lissés. La solution présentée est analysée théoriquement et vérifiée par un ensemble de simulations et expérimentations. Les résultats sont présentés et commentés / Modern controlled electric drives are exclusively based on three-phase motors that are fed from three-phase pulse width modulated (PWM) inverters. Most of modern controlled electric drive applications, such as lifts, cranes and tooling machines are characterized by high ratio of the peak to average power, and high demand for braking at the rated power. In ordinary drives, the braking energy, which represents 30-50% of the consumed energy, is dissipated on a braking resistor. Apart from the “energetic” issue, the mains interruption and degradation, the input current quality and the load fluctuation are additional issues to be addressed and solved.The ultra-capacitor dedicated for power conversion applications has been discussed. In comparison to electrochemical batteries, the ultra-capacitors have higher power density and efficiency, longer life time and greater cycling capability. This makes the ultra-capacitor an excellent candidate for power conversion applications.A new electric drive converter equipped with the ultra-capacitor is presented in the dissertation. The ultra-capacitor with an inter-connection dc-dc converter is used to store and recover the drive braking energy. Moreover, the dc-dc converter controls the rectifier current and the dc bus voltage. The drive input current THD is reduced to 30%. The dc bus voltage is boosted and controlled constant and ripple free regardless on the load and the mains voltage variation. Moreover, the drive input peak power can be smoothed. The presented solution is theoretically analysed and verified by set of simulations and experiments. The results are presented and discussed

La variation de vitesse des machines électriques est une application très porteuse de l’électronique de puissance. La solution de conversion la plus répandue consiste à connecter en cascade deux convertisseurs statiques et d’effectuer une double conversion (AC/DC/AC). Une autre solution, faiblement répandue dans l’industrie, effectue une conversion directe AC/AC. Ce mémoire effectue une synthèse sur les solutions de conversion directe ainsi que sur les stratégies de modulation des convertisseurs matriciels et matriciels « double étage » dans le but de piloter des machines électriques triphasées à partir d’un réseau alternatif triphasé. Cette synthèse a permis de développer une modulation scalaire généralisée, associée à un modulateur par porteuse, équivalente à la modulation vectorielle et applicable aux différents convertisseurs matriciels. Les modulations, à nombre de commutation réduit par période de découpage, ont été approfondies. Cette généralisation a permis de mettre en évidence une solution réduisant les pertes et améliorant le comportement électromagnétique du dispositif comparativement aux modulations traditionnellement utilisées. La présentation des contraintes réelles (commande rapprochée des interrupteurs, Les protections ainsi que le filtrage) est abordée et a été utilisée pour développer une maquette laboratoire. Les stratégies de modulation ont été implantées expérimentalement et valident l’étude théorique. Enfin, un fonctionnement direct à la fréquence réseau, sans modulation donc à faibles pertes, est proposé. Un fonctionnement particulier est introduit, permettant d’effectuer le transitoire du mode modulé classique au fonctionnement direct non modulé / In the power electronics field, the adjustable speed drives is a growing application for electric motors control. The most common conversion solution is to connect in series two static converters and perform a double conversion (AC/DC/AC). Another solution, hardly proposed by industry, uses a direct AC/AC conversion. This thesis aims to make a direct conversion solutions and matrix converters and ‘‘two stage’’ matrix converters modulation strategies synthesis for the purpose to control three-phase electric motor with a three phase input network. This synthesis has developed a generalized scalar modulation, combined with a carrier wave modulator, equivalent to the space vector modulation and applied to matrix converters and the ‘‘two stage’’ matrix converters. Some attention has been done to reduced the switching number during the modulation period. The generalization allows to propose a modified modulation which reduces the losses and improves the electromagnetic performance compared to the traditional modulations used for these kind of converters. The practical constraint (switches control, protection system and filtering) are discussed and has been used to develop a laboratory prototype. The modulations strategies have been implemented experimentally and validate the theoretical study. Finally, a direct function mode with an equal frequency between the input and output network is proposed, without modulation and therefore low losses. In the last part, a particular operation mode is then introduced, permitting the transient operation between the modulated conventional mode to the direct mode without modulation

Depuis une bonne dizaine d'année, l'aéronautique a entamé sa mutation vers le "plus électrique".L'objectif étant de réduire la consommation de carburant, une des contraintes majeures de ces nouvelles solutions est de réduire la masse embarquée. Les filtres dimensionnés pour les convertisseurs statiques doivent donc être optimisés au mieux vis-à-vis de ce critère, ainsi que du volume. Il y a donc un fort besoin du côté des concepteurs d’avions de savoir quels choix parmi les différentes possibilités technologiques sont optimaux, et de connaître l'impact de ces choix sur le poids, le coût global et le volume de l'équipement. Le filtre CEM représente généralement environ 30% du coût et du volume d'un convertisseur électronique de puissance. Il va de soi que le volume et/ou la masse de ces filtres doit être optimisé. L'impact de la loi de commande du convertisseur, le choix des semi-conducteurs, du packaging, câbles (longueur et intégration dans l’avion), des machines électriques,...doivent être parfaitement connus pour atteindre un dimensionnement optimal.Dans cette perspective, les objectifs de ces travaux de thèse visent à fournir non seulement une démarche méthodologique pour la modélisation haute fréquence des variateurs de vitesse dédiés aux applications aéronautiques mais aussi une approche de dimensionnement par optimisation des filtres CEM. Pour cela, un outil logiciel évolutif d’aide à la génération rapide des modèles CEM est proposé. Une description modulaire et une mise en équation automatique du modèle fréquentiel complet ainsi que des gradients en facilitent l'utilisation en procédures d’optimisation sous contraintes. L’approche présentée dans ces travaux est relativement générique : la topologie du filtre, de la structure du convertisseur, du câblage et la loi de commande peuvent être facilement recalculées, grâce à cet environnement logiciel. / The More Electrical Aircraft concept is very promising regarding energy saves, but generates new problems, and especially the emergence of new power electronics loads on the electrical network. Keeping the same level of safety in the aircraft means developing these switching mode converters in accordance with the aircraft standards, as the DO160. This is not obvious since weights of equipments are especially constrained: indeed, the objective of weight and energy save needs to be balanced with the additional weight and volume of the required EMI filters. There is thus a strong need in helping the aircraft designers to choose among the various technological possibilities, and to know the impact of these choices on the global weight, cost and volume of the embedded equipments. The EMI filter usually represents roughly 30% of the cost and volume of a power electronics converter, and it is very important to optimize it. The impact of the converter control law, semiconductors choice, interconnects realization, harness selection and placement, electrical motors characteristics… should be perfectly known in order to reach a good system design. In this perspective, the objectives of this thesis are to provide not only an approach for modelling high frequency variable speed drives dedicated to aerospace applications but also a methodology to optimize the required EMI filters. For this purpose, new architecture software dedicated to the rapid generation of EMC models is proposed. A modular description and a complete automatic model generation facilitate the use by the designer in optimization procedures thanks to automatic gradient computation.The methodology presented in this work is not specifically developed for a given application. It is a very generic approach: the topology of the filter, the structure of the inverters, interconnects and the control law can be easily recalculated, using this software environment. Consequently, the impact of all these elements on the electromagnetic disturbances can be characterized, and the EMI filter optimized.