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Reproduction de : Thèse d'université : Sciences : Physique : Toulon : 2004. / Titre provenant du cadre-titre. Références bibliographiques f. 219-226. Glossaire.

Th. doct.-ing.--Électrotech.--Toulouse--I.N.P., 1981. N°: 158.

Thèse de doctorat : Génie électrique : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

Les pertes dans les condensateurs bobinés utilisés en électronique de puissance : Mesure calorimétrique et modélisation L'échauffement des condensateurs utilisés en électronique de puissance, est dû aux pertes électriques. que l'on représente généralement par une résistance série équivalente ESR. La faiblesse du rapport P/Q (=tan5, facteur de dissipation) entre la puissance dissipée et la puissance réactive mise en jeu par le composant (HT* à 10':), rend difficile la mesure de ESR par des méthodes classiques. Pour mener à bien cette mesure, un dispositif calorimétrique a été conçu. D permet de caractériser avec précision des condensateurs à très faibles pertes (tanS < 5.10"4) comme les condensateurs bobinés à films de polypropylène. Les condensateurs peuvent être testés en régime sinusoïdal sous tension nominale, dans la gamme de fréquence 1 kHz-1 MHz, et pour des températures comprises entre -50°C et +100°C. Différents condensateurs bobinés utilisant comme matériau diélectrique Je polypropylène, le polycarbonate et le polyéthylène théréphtalate, ont ainsi été caractérisés. Les pertes dans le matériau diélectrique et les pertes dans les parties métalliques des composants ont été séparées, ce qui nous a permis d'étudier les variations du facteur de dissipation tan5 de ces polymères avec la température, pour différentes fréquences. A partir de ces résultats expérimentaux, un circuit équivalent, composé d'éléments passifs R, L et C, a été proposé pour modéliser les variations de ESR avec la fréquence, pour différentes températures. Cette modélisation a été validée pour les régimes non sinusoïdaux de l'électronique de puissance, en comparant les résultats de mesures calorimétriques de pertes sur des condensateurs en fonctionnement dans des convertisseurs statiques, avec les évaluations de ces pertes par simulation utilisant le circuit équivalent proposé.

Le convertisseur multiniveau modulaire (MMC) est une solution appropriée pour les réseaux HVDC grâce à sa modularité, sa faible fréquence de commutation et sa tension alternative quasi-sinusoïdale. En raison de sa topologie, son modèle mathématique est assez complexe et est donc souvent simplifié au stade de la conception. En particulier, la résistance équivalente au bras R, l'inductance du bras L et le courant circulant sont souvent négligés. Toutefois, les résultats expérimentaux obtenus avec notre prototype monophasé de MMC à pont complet à six niveaux ont montré que ces hypothèses ne sont pas toujours acceptables. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'étudier l'impact de R, L et du courant de circulation sur la tension du condensateur du module et sur la zone de fonctionnement du MMC. Premièrement, nous avons étendu le modèle basé sur les intégrales communément utilisé et nous avons clarifié les hypothèses sur lesquelles il repose. Entre autres, des expressions pour les courants de circulation et courant DC ont été développées et comparées à celles que l’on trouve dans la littérature. Cela nous a permis d'analyser l'ondulation de la tension du condensateur du module en fonction de R et L, sans courant de circulation. Deuxièmement, pour surmonter les limites du modèle basé sur l'intégrale, nous avons proposé d'utiliser un modèle MMC invariant dans le temps en régime permanent dans le système dq0. Quelques hypothèses seulement sont nécessaires pour obtenir ce modèle, mais une évaluation numérique est requise. Cela nous a permis d'analyser la tension moyenne du condensateur du module et l'ondulation de tension du condensateur du module en fonction de R et L, avec et sans courant de circulation. Troisièmement, en utilisant le modèle invariant dans le temps en régime permanent, nous avons développé un diagramme PQ détaillé du MMC. Outre la limite de courant AC, la limite de courant DC et la limite d'indice de modulation classiques, nous avons ajouté plusieurs limites internes: courant de l'IGBT, courant efficace des bras et ondulation du courant et de la tension du condensateur du module. Les résultats ont été confirmés par simulation numérique à l'aide d'un modèle détaillé Matlab Simulink SimPowerSystems. Les résultats présentés dans cette thèse pourraient être utilisés pour optimiser le dimensionnement des composants de la MMC en fonction de sa zone d’exploitation et pour évaluer l’impact de différents paramètres sur les performances du MMC. / The modular multilevel converter is a suitable solution for HVDC grids thanks to its modularity, low switching frequency and quasi-sinusoidal AC voltage. However, due to its topology, its mathematical model is quite complex and is therefore often simplified at the design stage. In particular, the arm equivalent resistance R, the arm inductance L and the circulating current are often neglected. But experimental results obtained with our 1-ph 6-level full-bridge MMC prototype showed that these hypotheses are not always acceptable. In this context, the goal of this thesis is to study the impact of accounting for R, L and the circulating current on the module capacitor voltage and on the operating area of the converter. First, we extended the commonly used integral based model and we clarified the hypotheses behind it. Among others, expressions for the circulating and dc currents have been developed and compared with the one that can be found in the literature. It allowed us to analyze the module capacitor voltage ripple as a function of R and L, without circulating current only. Second, to overcome the limitations of the integral based model, we proposed to use a steady state time invariant (DeltaSiga) MMC model in dq0 frame. Only few hypotheses are required to obtain this model, but a numerical evaluation is required. It allowed us to analyze the module capacitor average voltage and the module capacitor voltage ripple as a function of R and L, with and without circulating current. Third, using the steady state time invariant model, we developed a detailed PQ diagram of the MMC. In addition to the conventional AC current limit, DC current limit and modulation index limit, we added several internal limits: IGBT current, arm rms current and module capacitor voltage and current ripple. The results have been confirmed by numerical simulation using a detailed Matlab Simulink SimPowerSystems model. The results presented in this thesis could be used to optimize the sizing of the components of the MMC considering its operating area, and to assess the impact of different parameters on the MMC performance.

Ce travail présente une nouvelle méthode de détermination des perturbations conduites générées par les convertisseurs statiques à plusieurs cellules de commutation. Cette méthode permet de faciliter la prise en compte des contraintes de Compatibilité Electromagnétique le plus tôt possible lors de la conception. La méthode proposée consiste en une étude conjointe des perturbations conduites en mode commun et en mode différentiel, en décomposant les circuits en blocs élémentaires, puis en superposant les perturbations dues aux différentes sources de pollution. Les performances CEM des circuits sont alors déterminées directement dans le domaine fréquentiel. Cette méthode vient en complément des méthodes de simulation des perturbations dans le domaine temporel qui sont plus précises, mais plus coûteuses en temps de calcul. Notre démarche a été rendue possible par l'utilisation d'un nouveau type de condensateurs dont les performances en découplage des hautes fréquences ne sont pas limitées par l'inductance série de leurs connexions, ceci grâce à une structure originale de réalisation des connexions en forme de quadripôles. Les cellules de commutation découplées au moyen de ces condensateurs forment des sources de perturbations indépendantes qui permettent l'étude des circuits complexes en effectuant une décomposition en "cellules CEM élémentaires".

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

La crise du pétrole et les contraintes écologiques obligent de nombreux constructeurs automobiles à développer des programmes de recherche importants dans le développement des véhicules électriques et hybrides électriques. Dans ce contexte, cette thèse a pour but de vérifier la faisabilité d'une chaine de traction hybride innovante consistant à partir d'un véhicule thermique existant et à réduire la puissance du moteur thermique tout en ajoutant des moteurs intégrés dans les roues du train arrière. Ce travail a été réalisé dans le cadre d'un projet financé par l'ADEME et en collaboration notamment avec le constructeur automobile AIXAM-MEGA. Plus précisément, le travail de thèse a donc porté sur le dimensionnement des sources énergétiques, la modélisation énergétique et fonctionnelle du véhicule et enfin la réalisation et la caractérisation expérimentale du véhicule. Dans le premier chapitre, l'auteur développe une revue bibliographique relative aux véhicules hybrides électriques existants. Cela permet ensuite d'introduire le concept innovant de chaine de traction hybride décrit ci-dessus, reposant en quelque sorte sur un couplage par la route des puissances de propulsion thermiques et électriques. Dans le deuxième chapitre l'auteur aborde le dimensionnement des sources énergétiques en se focalisant sur les super-condensateurs. Il propose une approche analytique simple de calcul reposant sur les missions définies par le constructeur AIXAM-MEGA. Les modules de super-condensateurs retenus sont ensuite caractérisés expérimentalement (capacité, résistance interne, rendement de stockage...) en prenant en compte l'effet de la température. Les troisième et quatrième chapitres sont consacrés à la modélisation du véhicule. En premier lieu, le troisième chapitre aborde la modélisation énergétique du véhicule. Le véhicule a entièrement été modélisé en utilisant le formalisme de représentation énergétique macroscopique développée initialement au Laboratoire d'Électrotechnique et d'Électronique de Puissance de Lille. Ce modèle a permis de développer le contrôle du véhicule. Ensuite, dans le quatrième chapitre, l'auteur présente la modélisation fonctionnelle du véhicule par machine d'état. Cela permet de prévoir le comportement du véhicule dans ses différentes phases de vie et de définir les transitions entre ces différentes phases. Cette étape de prototypage virtuel est essentielle afin de vérifier en amont la fonctionnalité du véhicule et sa sécurité. Enfin, le cinquième et dernier chapitre est entièrement consacré à la caractérisation expérimentale du véhicule. Les différents fonctionnements thermiques, électriques et hybrides sont testés lors de vrais essais de roulage. En conclusion, le travail de thèse a abouti à la réalisation d'un véhicule hybride. Les approches de dimensionnement des sources et de modélisation sont ainsi validées, tout en faisant également la preuve de la faisabilité d'une chaine cinématique hybride électrique avec couplage par la route.

Le développement des polymères conducteurs, surtout en termes de stabilité, a permis de les intégrer dans les dispositifs électroniques pour des applications à haute valeur ajoutée. C'est la raison pour laquelle les condensateurs tantale initialement basés sur la technologie MnO2, en tant que cathode, ont été améliorés avec le remplacement de cette dernière par un polymère organique conducteur. Ces nouveaux condensateurs tantale-polymère sont constitués d'une anode en tantale frittée, d'un film diélectrique en oxyde de tantale, et d'une cathode en polymère conducteur, typiquement le poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT). Le fonctionnement des condensateurs a d'abord été optimisé uniquement pour de faibles capacités par polymérisation in situ. L'étape suivante consiste à atteindre de plus grandes capacités par imprégnation du polymère conducteur pré-synthétisé. Notre travail a été axé sur la caractérisation fine et la fabrication de prototypes de condensateur. Pour mener à bien cette étude, chaque partie du condensateur tantale-polymère a été caractérisée par différentes techniques physico-chimiques. Nous avons, entre autres, étudié la microstructure du réseau de tantale et les propriétés de la solution commerciale de polymère conducteur pour déterminer les paramètres d'imprégnation des condensateurs. Les caractérisations effectuées au laboratoire sont complétées par une évaluation des performances électriques des prototypes fabriqués dans l'entreprise. Tout ce travail a contribué à la mise sur le marché d'une nouvelle gamme de condensateurs tantale-polymère par l'entreprise Exxelia Tantalum. En parallèle, une étude a été consacrée à la synthèse d'un nouveau couple de polymère plus performant dans le but de remplacer le polymère commercial. / The development of conducting polymers, especially in terms of environmental stability, has allowed them to be used in electronic devices for high value applications. That's why tantalum capacitors initially based on MnO2 cathode technology have been improved by the replacement of it with a conducting polymer. Tantalum-polymer capacitors consist of a sintered tantalum anode, an anodic tantalum oxide film as a dielectric, and a conductive polymer cathode made of poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT). Until recently, those capacitors have been optimized only for low capacities by in situ polymerization. The next step is to reach higher capacities using an impregnated conductive polymer. Our work focused on the characterization and fabrication of capacitors. The main study focused on the characterization of each part of the tantalum-polymer capacitor via physico-chemical investigations. We studied the microstructure of the tantalum network and the properties of the commercial polymer solution to determine parameters for the dip-coating of tantalum anodes. This laboratory characterization is complemented by an assessment of the electrical performances of samples within the company. All this work has contributed to a new range of tantalum-polymer capacitors by Exxelia Tantalum Company. At the same time, a study has been performed in the synthesis of a new pair of polymers in order to replace the commercial polymer.