L'électrotechnique est une science relativement ancienne, mais toujours d'actualité. Que ce soit le transport d'électricité, les machines électriques ou l'électrostatique, ce sont des domaines de recherche étudiés depuis longtemps, pourtant, on observe une augmentation de l'intérêt et de la demande sociétale pour la recherche en électrotechnique. La consommation d'électricité mondiale et en France croît chaque année et les récents développements de la dérégulation du marché de l'électricité imposent une gestion des coûts et une optimisation des moyens de productions. Ces problématiques sont complétées par l'introduction de plus en plus massive des énergies renouvelables qui apportent de l'incertitude supplémentaire dans la résolution des optimisations technico-économiques. Cette entrée des énergies renouvelables est due à une forte demande sociétale de réduction des émissions de gaz à effet de serre. De la même manière, le monde des transports assiste à une électrification accrue des organes allant jusqu'au remplacement des moteurs thermiques par des moteurs électriques. Des contraintes d'encombrement et de poids entraînent une recherche importante dans l'optimisation des systèmes de motorisation électriques. Pour faire de l'optimisation, il faut pouvoir disposer de modèles de comportement. Optimiser c'est bien souvent se positionner en limite de fiabilité pour le système, il faut alors bien comprendre les mécanismes physiques et assurer sa robustesse notamment au niveau des décharges partielles et des claquages électriques.

Le principe d'un SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) est le stockage d'énergie dans l'induction magnétique créé par une bobine court-circuitée. Dans ce travail, les possibilités offertes par les SMES en matériau supraconducteur haute température critique sont étudiées pour l'application source impulsionnelle. L'étude est plus particulièrement orientée vers l'alimentation de lanceurs électromagnétiques, pour laquelle l'utilisation de SMES est comparée à l'alimentation conventionnelle par banc de condensateurs. Dans ce cadre, de nouveaux concepts de SMES adaptés à la charge sont proposés, permettant des gains conséquents en terme de rendement énergétique global. En parallèle, la faisabilité pratique d'une alimentation de lanceur par SMES est envisagée par la réalisation d'un démonstrateur. Celui-ci est une évolution d'un dispositif existant testé avec succès en 2007. La réalisation de ce démonstrateur a permis de valider des solutions technologiques concernant notamment le refroidissement et la tenue diélectrique d'un SMES hTc de forte puissance. Ce travail est soutenu par la DGA (Délégation Générale pour l'Armement).

Les travaux de recherche présentés dans ce document portent sur le dimensionnement de machines synchrones pour des applications de véhicules hybrides. L'utilisation de la machine électrique au sein du véhicule hybride est caractérisée par des appels de puissance de courtes durées. Cette thèse propose donc une stratégie de dimensionnement permettant de minimiser considérablement le volume de l'actionneur par la prise en compte des limites thermiques réelles lors du cycle de conduite. La stratégie de dimensionnement est composée de deux étapes. La première étape est l'optimisation du dimensionnement de l'actionneur à partir des points de fonctionnement du cycle. Nous autorisons des niveaux d'induction dans le fer élevés et des niveaux de densité de courant dans les conducteurs dépassant les niveaux habituellement autorisés pour un fonctionnement en régime permanent thermique. Ces deux points ont un impact réel sur le volume de la machine. Cela-dit, à ce stade, la thermique de la machine n'est prise en compte qu'indirectement en fixant une densité de courant dans les conducteurs. La seconde étape permet alors de vérifier la thermique par une simulation sur cycle pour ensuite réajuster si besoin la densité de courant et reprendre la première étape d'optimisation de la machine. Des modèles adaptés au processus d'optimisation ont alors été mis en place et offrent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision requise. Par conséquent, un modèle magnétique prenant en compte la saturation croisée dans la machine utilisant la méthode nodale a été développé ; un modèle permettant une meilleure prise en compte des pertes fer notamment dans le zone de défluxage a également été développé ainsi qu'un modèle thermique en transitoire utilisant également la méthode nodale. Le modèle thermique étant la clé de la stratégie de dimensionnement, une grande attention y a été portée. Ce modèle permet de prendre en compte la direction des flux dans les trois dimensions et fournit de bonnes estimations des températures dans la machine notamment aux endroits les plus chauds comme les encoches et les têtes de bobines. Ces résultats ont été corroborés par des essais expérimentaux réalisés dans les bancs IFPEN sur une machine spécialement instrumentée en thermocouples. Cela a permis de valider le comportement thermique en régime permanent thermique et en régime transitoire thermique. Ces modèles ont ensuite été implantés dans une modélisation multi-physique pour l'outil d'optimisation et pour l'outil de simulation. Une étude de cas a été présentée pour un véhicule hybride Kangoo où la machine doit pouvoir assurer son fonctionnement pour un cycle Artémis urbain. Les résultats de la stratégie de dimensionnement permettent alors de conclure que sur cycle, le volume extérieur des parties actives de la machine électrique peut-être réduit de 40 % par rapport à un dimensionnement établi par les règles de l'art en régime permanent. De plus, la réduction du volume de fer dans la machine induit également une réduction des pertes fer ce qui nous permet de conclure que, toujours sur cycle, son rendement moyen reste élevé.

Cette thèse présente un modèle thermique et électrique de paroi photovoltaïque (PV) intégrée ou semi-intégrée au bâtiment. La particularité du modèle est le transfert de chaleur entre le panneau et le bâtiment, décrit de telle manière que leurs modèles respectifs soient totalement couplés. Ceci a l'avantage de permettre la prédiction de l'impact de l'installation PV sur le champ de température du bâtiment et donc sur le confort thermique associé. Le but de l'étude est de mettre en évidence l'impact des panneaux PV en termes d'isolation thermique ou de protection solaire pour le bâtiment et la résultante en termes de gain énergétique. De plus, une séquence expérimentale a été menée à l'île de La Réunion, où le climat est tropical et humide, avec un rayonnement solaire important. Dans de telles conditions, il est important de minimiser la sollicitation thermique à travers l'enveloppe du bâtiment, en particulier la toiture. Le modèle est intégré à un code de simulation thermique du bâtiment (ISOLAB) et peut prédire l'impact des panneaux PV installés selon différentes configurations, mais aussi le productible photovoltaïque de l'installation. Finalement, l'étude expérimentale est utilisée pour fournir des éléments de validation du modèle numérique et une analyse de sensibilité est lancée pour mettre en évidence les paramètres les plus influents du modèle. Il a été démontré que les paramètres radiatifs du panneau PV ont un impact important sur le champ de température du bâtiment et que leur détermination doit être faite correctement. Les résultats de cette analyse sont ensuite utilisés pour optimiser le modèle thermique à l'aide du logiciel d'optimisation GenOpt.

Le développement de nouveaux matériaux supraconducteurs et la mise au point de processus de fabrication de câbles comme les films YBaCuO, permettent d'envisager de nouvelles application ou d'en améliorer les performances. Pour l'étude des applications industrielles, il est nécessaire de connaitre les caractéristiques électromagnétiques de ces nouveaux matériaux. Pour tous les supraconducteurs, la difficulté réside dans la reconstitution de la loi électrique locale E(J), à partir des mesures. Cette thèse consiste donc à la mise au point d'outils théoriques et expérimentaux permettant la caractérisation des matériaux supraconducteurs à haute température critique. Les travaux ont principalement été menés sur deux méthodes : _la méthode MB, qui consiste à effectuer des mesures sur une bobine puis d'extraire les propriétés du ruban supraconducteur. _le field mapping, qui repose sur la mesure d'une cartographie de l'induction magnétique. Ces méthodes ont été testée et validée tant au niveau expérimental que théorique.

A l'aide de la Représentation Energétique Macroscopique (REM) comme outil de modélisation graphique, la modélisation et la gestion d'énergie d'une application stationnaire isolée à base d'un système PEMFC couplé à l'énergie solaire photovoltaïque comme source principale d'énergie sont développées. Afin d'assurer une autonomie du système en combustible, un électrolyseur PEM est intégré au dispositif. En outre, des packs de batteries et de supercondensateurs permettent un stockage d'énergie et de puissance.Grâce à la modularité de la REM, les modèles respectifs des différentes entités énergétiques du système ont été développés avant de les assembler pour reconstituer un modèle global. Une caractéristique propre de la REM étant la commande, une Structure Maximale de Commande (SMC) est déduite du modèle REM du système par application de règles d'inversion.Le phénomène d'effet échelle a permis de dimensionner le système grâce à un profil de consommation domestique d'énergie électrique. Une stratégie de gestion énergétique basée sur la méthode du bilan des flux de puissance et prenant en compte les dynamiques de chaque source a été développée. Différents modes de fonctionnement ont été étudiés. Grâce è un profil d'ensoleillement d'une journée, la pertinence du modèle a été évaluée. Il a été en outre introduit un couplage entre la méthode du bilan des flux de puissance et la logique floue afin que la stratégie de gestion redéfinisse les références des grandeurs électriques en tenant compte de l'état de charge des batteries et de celui des supercondensateurs.

La problématique de recherche abordée dans ce mémoire de thèse découle de l'étude approfondie d'une association convertisseur-machine dédiée aux modes traction et recharge d'un véhicule électrique. Il s'agit d'un onduleur triphasé constitué de trois onduleurs monophasés connectés à une machine triphasée à phases indépendantes. Dans le chapitre II, une étude comparative entre deux solutions industrielles montre que l'architecture étudiée offre des caractéristiques compétitives notamment en termes de rendement global du convertisseur, performances mécaniques, et surface de silicium nécessaire. Par ailleurs, outre la possibilité de mutualiser les trois fonctions du véhicule que sont la traction, la recharge (rapide ou lente) et l'assistance du réseau électrique, cette topologie offre plusieurs atouts : des possibilités variées d'alimentation et donc un potentiel intéressant de reconfiguration en marche dégradée. La thématique abordée dans les chapitres III et IV est donc centrée sur l'optimisation des stratégies de contrôle de cette structure vis-à-vis de deux types de défauts : les imperfections intrinsèques du système d'une part et les défaillances accidentelles d'autre part. Dans un premier temps, un travail approfondi sur les méthodes de modulation de largeur d'impulsion a permis de synthétiser une stratégie offrant une faible sensibilité vis-à-vis des imperfections de la commande et de la non-linéarité du convertisseur. Dans un second temps, il a été montré qu'en cas de défaillance d'un composant à semi-conducteur, il était obligatoire de recourir à la reconfiguration matérielle de la topologie. L'architecture permettant la continuité de service a été étudiée du point de vue de sa commande. Son analyse nous a amenés à proposer une structure de contrôle basée sur des solutions automatiques simples et efficaces. Finalement, le principe du fonctionnement en marche dégradée a été étendu au fonctionnement normal dans le but d'en améliorer le rendement sur cycle.

The need for efficiency, reliability and continuous operation has lead over the years to the development of fault-tolerant electrical drives for various industrial purposes and for transport applications. Permanent-magnet synchronous machines have also been gaining interest due to their high torque-to-mass ratio and high efficiency, which make them a very good candidate to reduce the weight and volume of the equipment.<p><p>In this work, a multidisciplinary approach for the design of fault-tolerant permanent-magnet synchronous machine drives is presented. <p><p>The drive components are described, including the electrical machine, the IGBT-based two-level inverter, the capacitors, the sensors, the controller, the electrical source and interfaces. A literature review of the failure mechanisms and of the reliability model of most of these components is performed. This allows understanding how to take benefit of the redundancy generally introduced in fault-tolerant systems.<p><p>A necessary step towards fault tolerance is the modelling of the electrical drive, both in healthy and faulty operations. A general model of multi-phase machines (with a number of phases equal to or larger than three) and associated converters is proposed. Next, control algorithms for multi-phase machines are derived. The impact of a closed-loop controller upon the occurrence of faults is also examined through simulation analysis and verified by experimental results.<p><p>Condition monitoring of electrical machines has expanded these last decades. New techniques relying on various measurements have emerged, which allow a better planning of maintenance operations and an optimization of the uptime of electrical machines. Regarding drives, a number of sensors are inherently present for control and basic protection functions. The utilization of these sensors for advanced condition monitoring is thus particularly interesting since they are available at no cost. <p><p>A novel fault detection and isolation scheme based on the available measurements (phase currents, DC-link voltage and mechanical position) is developed and validated experimentally. Change-detection algorithms are used for this purpose. Special attention is paid to sensor faults as well, what avoids diagnosis errors.<p><p>Fault-tolerant control can be implemented with passive and active approaches. The former consists in deriving a control scheme that gives acceptable performance for all operating conditions, including faulty conditions. The latter consists in applying dedicated solutions upon the occurrence of faults, i.e. by reconfiguring the control. Both approaches are investigated and implemented. <p><p>Finally, design considerations are discussed throughout the thesis. The advantages and drawbacks of various topologies are analyzed, which eventually leads to the design of a five-phase fault-tolerant permanent-magnet synchronous machine. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La mesure d'impédance électrique en embarqué sur véhicule est un sujet clé pour améliorer les fonctions de diagnostic d'un pack batterie. On cherche en particulier à fournir ainsi des mesures supplémentaires à celles du courant pack et des tensions cellules, afin d'enrichir les indicateurs de vieillissement dans un premier temps, et d'état de santé et de charge dans un second temps. Une méthode classique de laboratoire pour obtenir des mesures d'impédance d'une batterie est la spectroscopie d'impédance électrochimique (ou EIS). Elle consiste à envoyer un signal sinusoïdal en courant (ou tension) de fréquence variable balayant une gamme de fréquences d'intérêt et mesurer ensuite la réponse en tension (ou courant) pour chaque fréquence. Une technique d'identification active basée sur l'utilisation des signaux large bande à motifs carrés est proposée. En particulier, des simulations ont permis de comparer les performances d'identification de différents signaux d'excitation fréquemment utilisés dans le domaine de l'identification et de vérifier les conditions correspondant à un comportement linéaire et invariant dans le temps de l'élément électrochimique. L'évaluation de la qualité d'estimation est effectuée en utilisant une grandeur spécifique : la cohérence. Cette grandeur statistique permet de déterminer un intervalle de confiance sur le module et la phase de l'impédance estimée. Elle permet de sélectionner la gamme de fréquence où la batterie respecte les hypothèses imposées par la méthode d'identification large bande. Afin de valider les résultats, une électronique de test a été conçue. Les résultats expérimentaux permettent de mettre en valeur l'intérêt de cette approche par motifs carrés. Un circuit de référence est utilisé afin d'évaluer les performances en métrologie des méthodes. L'étude expérimentale est ensuite poursuivie sur une batterie Li-ion soumise à un courant de polarisation et à différents états de charge. Des essais comparatifs avec l'EIS sont réalisés. Le cahier de charge établi à l'aide d'un simulateur de batterie Li-ion a permis d'évaluer les performances de la technique large bande proposée et de structurer son utilité pour l'estimation des états de vieillissement et de charge.

Les moteurs à plusieurs degrés de liberté angulaire sont des systèmes utilisés dans de nombreuses applications avec par exemple la réalisation d'articulation de robots, de roues omnidirectionnelles ou la stabilisation de composants optiques. La méthode classiquement utilisée pour réaliser ce type de plateformes limite cependant la capacité de ces systèmes à être miniaturisés. Une solution facilitant la réalisation de systèmes compacts à plusieurs degrés de liberté angulaire est l'utilisation d'un unique rotor sphérique. Nous proposons dans ce travail, un actionneur ultrasonique piézoélectrique adapté à la fabrication de moteurs sphériques compacts. L'innovation de l'actionneur développé tient dans l'adaptation de sa surface de contact au rotor, ce qui permet d'obtenir une surface étendue de contact et un guidage total du rotor sphérique. L'état de l'art des différents systèmes d'actionnement sphérique à un seul rotor est proposé ainsi que l'ensemble des considérations théoriques utiles à la modélisation et la réalisation de moteurs ultrasoniques. Un modèle complet pour la conception d'actionneurs ultrasoniques est proposé, il décrit l'étude de la géométrie et de ses modes de vibration, l'analyse du contact par l'application d'un modèle de transfert de force et la conversion électromécanique par méthodes semi-analytiques. Un prototype expérimental est proposé ainsi qu'une caractérisation de ses performances. Les données obtenues sont comparées au modèle théorique et permettent de valider les méthodes de conception proposées. L'effet de l'amplitude de stimulation, de la précontrainte et de l'étendue du contact y sont notamment analysés. Bien qu'appliqué au cas particulier d'un actionneur multimode incurvé, la démarche employée est générale et peut-être adaptée à la réalisation d'autres systèmes ultrasoniques.