Les travaux de cette thèse ont pour objectif d’étudier la machine asynchrone à cage dans le contexte d’une conversion de l’énergie éolienne dans des sites isolés. Après un bref rappel des concepts de la conversion de l’énergie éolienne en énergie électrique, ce document dresse un état de l'art des différents solutions électrotechniques utilisées tant dans le domaine de production de masse que dans celui de l’alimentation de sites isolés. Le second chapitre est dédié à la modélisation de la machine asynchrone à cage. Le modèle linéaire de la machine asynchrone présentant des limites, une modélisation originale et simple, dans laquelle le phénomène de la saturation est pris en compte par une inductance magnétisante fonction du courant magnétisant a été élaboré. Les paramètres de ce modèle peuvent être obtenus à partir d’essais ou d’une approche numérique par élément finis en 2D. Les outils de modélisation proposés sont ensuite utilisés pour l’étude des performances de la machine asynchrone dans le cas de fonctionnements en génératrice autonome débitant sur des bancs de capacités et des charges équilibrées et déséquilibrées. Les résultats de simulation sont validés expérimentalement sur un banc d’essais. La dernière partie du mémoire est consacrée à la comparaison de deux techniques de commande de la génératrice asynchrone, autonome, débitant sur un redresseur à MLI (commande vectorielle, contrôle direct du couple). Le but de ces techniques est de maintenir une tension constante à la sortie du redresseur pour des charges et des vitesses variables. Cette tension est ensuite ondulée à la bonne amplitude et fréquence pour une utilisation en site isolé. Pour chaque technique, deux stratégies ont été testées (àflux constant et à flux variable en fonction de la vitesse). Les résultats de simulation ont montrél’efficacité de ces techniques ainsi que les intérêts et les limites de chacune d’elles. / The work of this thesis aims to study the squirrel cage induction machine in the context of the wind energy conversion in isolated locations. After a brief review of the concepts of converting wind energy into electrical energy, this document describes the state of the art of different solutions used in both the mass production electrical field than in the supply of isolated sites. The secondchapter is dedicated to the modelling of squirrel cage induction machine. As the linear model presents limitations, a new and simple model, in which the saturation phenomenon is taken into account by a magnetizing inductance function of the magnetizing current, was developed. The parameters of this model can be obtained from tests or numerical approach using 2D FEM. The proposed modelling tools are then used to study the performance of stand alone induction generators connected to capacitive bank and balanced and unbalanced loads. The simulation results are validated experimentally on a test bench. The last part of the thesis is devoted to comparison of two techniques for controlling the induction generator, self-feeding a PWM rectifier (Vector Control, Direct Torque Control). The purpose of these techniques is to maintain a constant voltage at the output of the rectifier whatever the loads and speeds. This voltage is then adapted by the inverter to the good magnitude and frequency for a use in isolated areas. For each technique, two strategies were tested (at constant flux and variable flux depending on speed). The simulation results showed the effectiveness of these techniques and the interests and limitations of each.

Les travaux de cette thèse visent à étudier un système de micro-cogénération de structure innovante motorisé par un moteur Stirling à piston libre « double effet ». Ce système est caractérisé par un fort couplage entre la partie thermo-mécanique et la partie mécano-électrique, assurée par une génératrice à induction linéaire tubulaire à mover massif. En effet, le piston de compression joue également le rôle du mover de la machine électrique. Le modèle thermo-mécanique non-linéaire du moteur Stirling « double effet » a été tout d’abord rappelé ce qui a permis de dégager le mode de couplage optimal entre le moteur thermique et la génératrice électrique. Ensuite, l’étude de la partie génératrice électrique a porté sur la validation numérique et expérimentale du modèle électromagnétique par la résolution des équations de Maxwell en magnétodynamique, sur l’identification des paramètres de la machine linéaire en combinant les méthodes théoriques avec les essais expérimentaux et finalement sur la réalisation expérimentale de la commande vectorielle à flux orienté afin de maîtriser la force résistante en régime oscillatoire. Puis, la chaîne des convertisseurs d’électronique de puissance qui assure la connexion du système électrogène au réseau domestique a été étudiée en vue d’adapter la production électrique aux contraintes du réseau. Ensuite, un « banc d’essai virtuel » du système global a été réalisé à l’aide de Matlab/ Simulink, mettant en place le modèle thermo-mécanique non-linéaire du moteur Stirling « double effet », le modèle dynamique de la génératrice à induction linéaire tubulaire, le modèle des convertisseurs statiques ainsi que les commandes associées : commande P.I.D en position, commande vectorielle à flux orienté, et commande PFC. Le « banc d’essai virtuel » a permis de valider le couplage des modèles, les performances des commandes ainsi que le fonctionnement stabilisé du système en mode oscillatoire. Puis, sous l’hypothèse d’un contrôle/ commande du système parfait, un modèle global aux « valeurs moyennes instantanées », appelé « plateforme énergétique », a été établi. Ce modèle est d’exécution rapide, compatible avec un outil d’optimisation « multi-variables », « multi-objectifs ». Enfin, l’étude de dimensionnement optimale de la chaîne électromécanique complète du système basé sur l’algorithme génétique NSGA-II a permis d’obtenir plusieurs solutions significative afin de maximiser la puissance électrique injectée au réseau et de minimiser le coût total de la chaîne. Le temps de rentabilité optimal du système est également considéré à la fin de cette thèse. / The work of this thesis aims to study a system of micro-cogeneration innovative structure powered by a free piston Stirling engine "double effect." This system is characterized by a strong coupling between the thermo-mechanical parts and the mechanico-electrical part, provided by a linear induction generator tubular solid mover. In fact, the compression piston also acts as the mover of the electrical machine. The non-linear thermo-mechanical model of the Stirling engine "double effect" allowed to identify the optimal mode of coupling between the engine and the electric generator. Then, the study of the electric generating portion focused on numerical and experimental validation of the electromagnetic model by solving Maxwell's equations in magneto, the identification of parameters of the linear machine combining theoretical methods with experimental tests and finally on the experimental embodiment of the vector field oriented control to control said load system in oscillatory. Then the chain of electronic power converters that connects the generator to the home network system has been studied in order to adapt to the constraints of power generation network. Then, a "virtual test bed" of the overall system was made using Matlab / Simulink so as to implement the non-linear thermo-mechanical model of the Stirling engine "double effect", the dynamic model of the generator tubular linear induction, the model of static converters and related commands : PID position control, vector oriented in flow control and PFC control. The "virtual test bed" was used to validate the coupling models, the performance of controls and the stable operation of the system in oscillatory mode. Then, under the assumption of a command / control of the perfect system, a comprehensive model for the "average instantaneous values" called "energy hub" was established. This model is fast execution, consistent with a "multi-objective" optimization tool "multivariate". Finally, the study of optimal design of the complete electromechanical chain system based on genetic algorithm NSGA-II gave several significant solutions to maximize the electric power fed into the grid and to minimize the total cost of the chain . Time optimal efficiency of the system was also considered at the end of this thesis.

Cette thèse est une exploration sur l'introduction de la Machine Asyncrone sans Balais Doublement Alimentée (Brushless Doubly-Fed Machine, BDFM) dans des applications à vitesse variable. Pour cela on a traité tous les aspects qui englobent le développement d'un tel système : la modélisation, l'analyse de fonctionnement, la conception et la commande. Les résultats les plus remarquables sont :<br />• Obtention d'un modèle vectoriel exprimé dans un référentiel générique.<br />• Développement des outils d'analyse qui facilitent la conception de la machine et le dimensionnement du système électronique.<br />• Construction d'un prototype expérimental bien adapté pour la validation des modèles et des algorithmes de commande.<br />• Développement et implantation d'une nouvelle commande vectorielle.

La conversion de l'énergie éolienne en énergie électrique fait appel à de nombreuses disciplines scientifiques (météorologie pour l'étude du comportement du vent, mécanique et chimie pour les contraintes et la composition des divers matériaux utilisés dans l'aérogénérateur, mécanique des fluides pour l'effet des masses d'air en mouvement sur les pales, électrotechnique pour la conversion électromécanique et l'adaptation de l'énergie électrique). C'est à la partie électrotechnique de cette chaîne de conversion qu'est consacré ce mémoire. <br />Après un bref rappel des concepts et équations régissant le fonctionnement d'un système éolien, ce document dresse un état de l'art des ensembles machines – convertisseurs utilisés dans l'énergie éolienne. <br />Une première étude montre les performances et les limites d'utilisation de la machine asynchrone à cage auto-excitée. Elle utilise une modélisation originale et simple où le modèle de la machine est complètement indépendant de celui de la charge et des capacités d'excitation. Les régimes équilibré et déséquilibré sont étudiés en simulation et validés expérimentalement.<br />Dans un deuxième temps, la réalisation d'un simulateur physique d'aérogénérateur est présentée. Celui-ci est destiné à placer les génératrices à l'étude dans des conditions proches de la réalité en les entraînant grâce à une machine à courant continu commandée de façon à reproduire les variations de couple d'une éolienne. <br />La troisième partie de ce mémoire est consacrée à la production d'électricité sur un réseau grâce à une machine asynchrone à double alimentation. L'originalité de cette machine, utilisée dans un système éolien, est de pouvoir contrôler l'échange de puissance entre le stator et le réseau en agissant sur les signaux rotoriques via un convertisseur bidirectionnel. Dans cette optique une commande vectorielle en puissances active et réactive statoriques est mise en œuvre. Cette commande est élaborée et testée en synthétisant trois types de régulateurs linéaires : Proportionnel- Intégral, RST basé sur la théorie du placement de pôles et Linéaire Quadratique Gaussien basé sur la minimisation d'un critère quadratique. Les performances du dispositif sont analysées et comparées en termes de suivi de consigne, robustesse, et rejet de perturbations.

Avec le développement de l'éolien, les prescriptions techniques de raccordement de cette technologie obligeront le maintient de sa connexion lors d'incidents sur la tension du réseau électrique. L'enjeu pour le gestionnaire du réseau est de pouvoir utiliser tous les générateurs pour garantir la stabilité du système électrique.A partir d'un modèle dynamique d'une éolienne à base de Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA), une commande vectorielle améliorée a été proposée en prenant en compte la dynamique du flux statorique engendrée par la chute de tension. Les performances supérieures en terme de maintient de la production ont été établies par comparaison avec la méthode de commande classique. Son domaine d'utilisation a été également déterminé.Pendant les creux de tension importants, une protection matérielle (crowbar) est implémentée avec un contrôle de la démagnétisation de la MADA. En outre, de la puissance réactive peut être produite à la fois par la MADA et par le convertisseur connecté au réseau électrique au cours de la défaillance du réseau.Un contrôle vectoriel à hystérésis des courants pour les deux convertisseurs électroniques multiniveaux est proposé et évalué pour améliorer la réponse dynamique de ces convertisseurs et pour réduire les effets des variations des paramètres sur les performances de la commande. Selon la durée du défaut, des objectifs différents de contrôle doivent être réalisés en priorité pour empêcher des surintensités rotoriques et pour fournir de la puissance réactive. Une reconfiguration complète du dispositif de commande de cette éolienne est détaillée pour renforcer le maintient de la production éolienne lors de défaillances

Les innovations technologiques des dernières décennies en matière d'électronique tant au niveau du traitement numérique de l'information que de la gestion de l'énergie ont contribué à une révolution majeure dans la conversion d'énergie électromécanique: celle des entraînements à vitesse variable (EVV). L'amélioration des plateformes de calculs et des techniques de commande ont grandement amélioré la performance dynamique des moteurs électriques à courant alternatif notamment grâce à la commande vectorielle. Cependant, la littérature contient relativement peu d'études sur l'utilisation de la commande vectorielle comme un moyen d'améliorer la performance énergétique des EVV de machines asynchrones: c'est à l'étude et à l'avancement de ce domaine de connaissances que cette thèse est consacrée. L'état de l'art contient plusieurs avancées sur la modélisation des pertes dans la machine et la plupart des stratégies de commande énergétiquement optimales (SCEO) reposent sur l'ajustement optimal du flux dans la machine basé sur un modèle des pertes. La proposition d'avancement de cette thèse ne repose pas sur l'amélioration de la qualité d'un modèle de pertes de la machine, mais plutôt sur les moyens d'intégrer efficacement ce modèle des pertes dans le système de commande. Dans cette perspective, nous démontrons une propriété intéressante des réseaux de neurones artificiels (RNA) de type perceptron multicouche qui ouvre de nouvelles possibilités en matière d'intégration de fonctionnalités au système de commande et ce, sans coût supplémentaire. Deux nouvelles fonctionnalités sont ainsi proposées: l'amélioration de l'efficacité énergétique du système sur toute la plage de charge par l'utilisation judicieuse d'une technique de modulation discontinue et l'amélioration de la stabilité du système par l'intégration d'un nouveau détecteur de régime permanent. Ces propositions d'avancement sont validées en simulation et sur un banc d'essai expérimental composé d'un système de commande à base de FPGA. Ce type de circuit logique reprogrammable permet la mise en oeuvre d'architectures de systèmes parallèles qui conviennent tout à fait aux systèmes à base de RNA et aux architectures avancées de systèmes d'EVV.

Les algorithmes génétiques, la logique floue et les réseaux de neurones sont de plus en plus utilisés dans des domaines d'application très variés. Nous nous proposons de les étudier dans le cadre de l'identification et de la commande de la machine asynchrone. Plus particulièrement, nous utilisons les algorithmes génétiques afin d'identifier les paramètres du modèle dynamique de la machine. Des régulateurs, à base de logique floue et de réseaux de neurones, sont implantés au sein d'une commande vectorielle par orientation du flux rotorique. Est également abordée l'influence de la variation des paramètres sur le fonctionnement du système. Les défauts de structure de la machine asynchrone sont considérés dans le cas des ruptures de barres au rotor. Le diagnostic de ces défauts ainsi que leur influence sur le comportement de la régulation sont étudiés. Enfin, une amélioration de la commande vectorielle sans capteur mécanique est présentée ouvrant une voie vers les techniques intelligentes de commande. Ces dernières sont maintenant possibles compte tenu de la puissance sans cesse grandissante des processeurs. Un logiciel de simulation, développé dans le cadre de la thèse, a permis de mener une bonne partie des études présentées. Une attention particulière a été accordée à la partie expérimentale, seul garant de la faisabilité et de la validation de l'étude.

La première thématique développée dans ce mémoire vise à développer de nouveaux algorithmes pour la commande des éoliennes reposant sur une machine asynchrone à double alimentation et des convertisseurs multi niveaux. Deux stratégies de contrôle direct du courant, basées sur l'Hystérésis à Zones Carrées et l'Hystérésis à Zones Circulaires (HZCi) ont été proposées. Celles-ci consistent à appliquer des vecteurs de tension appropriés pour contrôler les puissances actives et réactive générées et permettent également d'équilibrer les tensions du bus continu interne des convertisseurs. Des résultats de simulation et d'expérimentation montrent que la stratégie basée sur l'HZCi est meilleure en termes de forme d'onde et de contenu harmonique des tensions de sortie.La seconde concerne la supervision et la gestion des puissances active et réactive dans une ferme éolienne au vu de son intégration dans un réseau électrique. Cette supervision centralisée est assurée par un algorithme qui distribue les consignes de puissance aux éoliennes de la ferme de manière proportionnelle. Ces références sont fonction de la capacité maximale de production de l'éolienne. Pour cela, une analyse des transits de puissance dans le système éolien à base de la machine asynchrone à double alimentation a été effectuée. Elle a permis de déterminer la caractéristique (P, Q) du générateur et de calculer ses limites de compensation en termes de puissance réactive. Une gestion locale des puissances de chaque éolienne a été développée permettant ainsi une répartition des puissances entre le stator de la machine et le convertisseur coté réseau en considérant plusieurs modes de fonctionnement du système éolien.

Les travaux de cette thèse visent à étudier un système de micro-cogénération de structure innovante motorisé par un moteur Stirling à piston libre " double effet ". Ce système est caractérisé par un fort couplage entre la partie thermo-mécanique et la partie mécano-électrique, assurée par une génératrice à induction linéaire tubulaire à mover massif. En effet, le piston de compression joue également le rôle du mover de la machine électrique. Le modèle thermo-mécanique non-linéaire du moteur Stirling " double effet " a été tout d'abord rappelé ce qui a permis de dégager le mode de couplage optimal entre le moteur thermique et la génératrice électrique. Ensuite, l'étude de la partie génératrice électrique a porté sur la validation numérique et expérimentale du modèle électromagnétique par la résolution des équations de Maxwell en magnétodynamique, sur l'identification des paramètres de la machine linéaire en combinant les méthodes théoriques avec les essais expérimentaux et finalement sur la réalisation expérimentale de la commande vectorielle à flux orienté afin de maîtriser la force résistante en régime oscillatoire. Puis, la chaîne des convertisseurs d'électronique de puissance qui assure la connexion du système électrogène au réseau domestique a été étudiée en vue d'adapter la production électrique aux contraintes du réseau. Ensuite, un " banc d'essai virtuel " du système global a été réalisé à l'aide de Matlab/ Simulink, mettant en place le modèle thermo-mécanique non-linéaire du moteur Stirling " double effet ", le modèle dynamique de la génératrice à induction linéaire tubulaire, le modèle des convertisseurs statiques ainsi que les commandes associées : commande P.I.D en position, commande vectorielle à flux orienté, et commande PFC. Le " banc d'essai virtuel " a permis de valider le couplage des modèles, les performances des commandes ainsi que le fonctionnement stabilisé du système en mode oscillatoire. Puis, sous l'hypothèse d'un contrôle/ commande du système parfait, un modèle global aux " valeurs moyennes instantanées ", appelé " plateforme énergétique ", a été établi. Ce modèle est d'exécution rapide, compatible avec un outil d'optimisation " multi-variables ", " multi-objectifs ". Enfin, l'étude de dimensionnement optimale de la chaîne électromécanique complète du système basé sur l'algorithme génétique NSGA-II a permis d'obtenir plusieurs solutions significative afin de maximiser la puissance électrique injectée au réseau et de minimiser le coût total de la chaîne. Le temps de rentabilité optimal du système est également considéré à la fin de cette thèse.

Les travaux développés durant cette thèse concernent la détection et l'identification des défauts simples et multiples d'ouverture des transistors dans un convertisseur statique associé à une machine asynchrone. Pour aborder cette problématique, nous avons commencé par l'analyse des potentialités, des faiblesses et des incertitudes des techniques qui ont initiés notre démarche. Ensuite, nous avons présenté deux méthodologies permettant d'analyser les performances du moteur asynchrone en présence des défauts dans une ou plusieurs cellules de commutation. Cette étude préliminaire nous a permis ainsi de proposer deux nouvelles stratégies de diagnostic sans référence basées sur l'approche signal. Les signaux électriques (courants ou tensions) disponibles à la sortie du convertisseur statique sont utilisés pour alimenter le processus de diagnostic. La première stratégie retenue est basée sur l'analyse qualitative des tensions de sortie entre phases du convertisseur et des signaux de commande appliqués aux transistors pendant les instants de commutation. Grâce à une représentation instantanée de ces grandeurs, à l'échelle de la période de découpage, nous avons pu mettre en évidence des caractéristiques favorables à la détection des défauts simples et multiples d'ouverture des transistors. L'implémentation pratique de cette première approche a été réalisée au moyen d'une technologie analogique permettant ainsi de minimiser le temps de retard à la détection jusqu'à quelques dizaines de microsecondes. / The main goal of this thesis concerns the detection and identification of simple and multiple open-circuit faults in voltage source inverters (VSIs)-fed induction motor drives. In first step, the potentialities, the weaknesses as well as the uncertainties of the previously published works have been discussed. The second step was dedicated to the study of the inverter faults impact on the induction motor. For this purpose, we have proposed two methodologies permitting the characterization of the electromagnetic torque behaviour as well as the electric variables of the induction motor under the open- and short-circuit faults. These preliminary studies allowed to propose two novel signal-based approaches for open-circuit fault diagnosis in voltage source inverter. The measured outputs inverter voltages and currents have been used as the input quantities for the fault detection and identification (FDI) process. The first approach consists in analyzing the pulse-width modulation (PWM) switching signals and the line-to-line voltage levels during the switching times, under both healthy and faulty operating conditions. For this purpose, we have adopted an instantaneous representation of these variables, which permits their analysis over one switching period. The fault diagnosis scheme is achieved using simple analog device. This circuit allows an accurate single and multiple faults diagnosis, and a minimization of the fault detection time which becomes about a few tens of microseconds.