Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2017-2018 / La validité des modèles des générateurs est essentielle aux analyses de stabilité et de performance dynamique des réseaux électriques. Les producteurs d’énergie doivent fournir aux transporteurs d’électricité les paramètres électriques dynamiques du modèle de tous les générateurs mis en service après 1990. Les paramètres fournis doivent obligatoirement être validés par des mesures expérimentales. En Amérique du Nord, la procédure d’estimation des paramètres la plus acceptée est l’essai de courtcircuit brusque. Pour des cas de réfection, les risques élevés de bris peuvent devenir inacceptables. L’essai SSFR (« Standstill Frequency Response ») décrit dans la norme ANSI/IEEE Std 115-2009 comporte plusieurs avantages par rapport aux méthodes plus traditionnelles, notamment l’amélioration de la précision des modèles sur une bande passante plus large (> 200 Hz) et l’élimination des risques d’endommager le générateur. L’objectif du projet de recherche est de développer un système de mesure automatisé répondant à des contraintes industrielles afin d’assister la réalisation de l’essai SSFR sur de grands alternateurs hydrauliques. La solution proposée vise à maximiser la qualité des mesures tout en minimisant le nombre d’interventions manuelles et la complexité du montage expérimental. Le système a été utilisé pendant plus de deux mille heures afin de réaliser des essais de validation sur des générateurs de 5.4 kVA. Les essais ont permis de démontrer que le système est robuste et qu’il possède les spécifications requises pour effectuer des essais SSFR répondant aux exigences de la norme ANSI/IEEE Std 115- 2009. Les trois premiers chapitres du mémoire introduisent les bases théoriques liées à la modélisation dq0 d’un générateur synchrone, puis décrivent les principaux essais permettant l’identification des paramètres du modèle. La seconde partie du mémoire se concentre sur les divers aspects de conception du système de mesure automatisé. / Generator models validity is essential to analyze power grids stability and dynamic performance. Energy producers must provide power carriers with the model parameters of all generators commissioned after 1990. The parameters supplied must be validated by experimental measurements. In North America, the most accepted parameter estimation procedure is the short-circuit test. For repair cases, the high risk of damaging the alternator may become unacceptable. The SSFR (« Standstill Frequency Response ») test described in the ANSI / IEEE Std 115-2009 standard has several advantages over more traditional methods, namely an improvement of the models accuracy over a wider bandwidth (> 200 Hz) and the elimination of the risk of damaging the generator. The research project objective is to develop an automated measurement system meeting industrial constraints in order to assist the realization of the SSFR test on large hydraulic alternators. The proposed solution aims to maximize the quality of measurements while minimizing the number of manual interventions and the complexity of the experimental setup. The system has been used for more than two thousand hours to perform validation tests on 5.4 kVA generators. The tests demonstrated that the system is robust and has the required specifications to perform SSFR tests that meet the requirements of the ANSI / IEEE Std 115-2009 standard. The first three chapters of the thesis introduce the theoretical framework related to the dq0 modelisation of a synchronous generator, then describe the main tests allowing the identification of the model parameters. The second part of the thesis focuses on the various design considerations of the automated measurement system.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / Ce mémoire présente une application de la méthode des réponses en fréquence à l’arrêt ou Standstill Frequency Response (SSFR) pour trois machines synchrones distinctes : une machine de laboratoire de 5.4kVA à rotor lisse, du type turbogénérateur, une machine de laboratoire de 5.4kVA à rotor saillant, du type hydrogénérateur et un grand alternateur de réseau de 95 MVA, du type hydrogénérateur. Cette méthode est détaillée dans la norme IEEE 115-2009 et permet l’identification des paramètres d’un circuit équivalent dq pour des alternateurs synchrones. Ces modèles sont souvent utilisés pour des études de stabilité du réseau électrique. Nous avons adapté l’utilisation de la méthode SFFR pour chaque machine en essayant de réduire le nombre de mesures à réaliser dans le domaine des basses fréquences. Cette modification permet de minimiser la durée des expériences. Une bonne partie du mémoire rappelle les bases théoriques nécessaires à l’utilisation de la méthode SSFR, notamment le développement du modèle dq, la transformation de Park et les différentes fonctions de transfert qui représentent le comportement d’une machine. Par la suite, nous décrivons le protocole expérimental et l’analyse des données pour l’identification des paramètres du modèle pour chaque alternateur. Une validation des paramètres est réalisée en comparant les données expérimentales et les résultats simulés pour plusieurs essais de courts-circuits (triphasés et biphasés), à différents niveaux de courant d’excitation. / This paper presents an application of the well-known Standstill Frequency Response (SSFR) method for three separate synchronous machines: a 5.4kVA round rotor turbogenerator, a 5.4 kVA salient rotor and a large 95 MVA hydrogenerator. This method is detailed in the IEEE 115-2009 standard and allows the identification of the parameters of an equivalent circuit for dq synchronous generators. These models are often used for the grid stability studies. We adapted the SSFR method for each machine in order to reduce the number of measurements to be performed in the low frequency range. This modification reduces the duration of the experiments. The theoretical basis for the use of SSFR method is reviewed carefully, including the development of dq model, Park transformation and different transfer functions that represent the behavior of a machine. Subsequently, we describe the experimental protocol and data analysis for the identification of the model parameters for each generator. A parameter validation is performed by comparing the experimental and simulated results of several short-circuit tests (three-phase and two-phase), at different levels of excitation current.

La Maladie de Parkinson (MP) est une maladie neuro-dégénérative fréquente, caractérisée par une déplétion dopaminergique striatale. Elle s'accompagne précocement de troubles cognitifs, notamment attentionnels, dont l’origine reste imprécise. Deux hypothèses sont évoquées : un déficit du contrôle volontaire de l'attention vers la tâche en cours (processus de type « top-down » (TD)) ou un défaut d’inhibition des informations non pertinentes pour la tâche (par défaillance de processus de type « bottom-up » (BU)). Les processus attentionnels, souvent explorés par la mesure de variables comportementales, peuvent également bénéficier de l'enregistrement des composantes N200 et P300 des potentiels évoqués cognitifs (PEC). La P300 comprend deux sous-composantes : (1) la P3a, survenant préférentiellement après un distracteur, reflétant un traitement BU ; (2) la P3b, associée à la détection de cibles et reflétant un traitement TD. La N200 se décompose en une « no-go-N2 » antérieure, impliquée dans la détection de la déviance et les mécanismes d’inhibition et une « go-N2 » postérieure, engagée dans les processus de catégorisation des cibles. Dans la MP, ces composantes ont le plus souvent une latence allongée et une amplitude réduite. La modification des générateurs des PEC dans la MP n’a, à notre connaissance, jamais été explorée. L’objectif de cette thèse est de préciser les mécanismes sous-jacents aux troubles attentionnels dans la MP. En cas de dysfonctionnement TD, les réseaux impliqués dans la genèse de la P3b et/ou de la N200 postérieure pourraient être altérés. Si une dysfonction BU en est à l’origine, les générateurs de la P3a et/ou de la N200 antérieure devraient être modifiés. Nous avons enregistré en haute résolution les PEC de 15 sujets sains jeunes, au cours d’un paradigme « oddball » visuel à trois stimulus afin d’étudier les générateurs des PEC chez le sujet sain. Le même enregistrement a ensuite été effectué chez 15 sujets atteints d’une MP comparés à 15 sujets appariés. Les latences et amplitudes des composantes des PEC ont été comparées au moyen d’analyses de variance. L’exploration des générateurs des PEC a été effectuée pour chaque sujet et dans chaque condition au moyen d’une méthode distribuée d’analyse de source, swLORETA (standardized weighted low resolution tomography). Les analyses statistiques de groupes des générateurs de la P300 ont été effectuées au moyen du logiciel SPM, celles de la N200 au moyen de méthodes de permutations. Chez les sujets jeunes, le réseau fronto-pariétal dorsal (FPD) apparaît impliqué dans la genèse des deux composantes de la P300, le réseau fronto-pariétal ventral étant spécifique du traitement de la cible. L’étude des générateurs de la N200 a mis en évidence le rôle prépondérant du cortex cingulaire antérieur (CCA) en interaction avec les réseaux fronto-pariétaux, le precuneus et le cortex cingulaire postérieur. Dans la MP, il existait une réduction des sources de la P300 générée par le distracteur au niveau du cortex dorsolatéral préfrontal (DLPF) appartenant au réseau FPD, en lien avec une augmentation des fausses alarmes aux distracteurs chez les patients, en faveur d'une défaillance des processus BU dans la MP. Une diminution des sources de la N200 a également été constatée au niveau du cortex DLPF et du CCA, dans toutes les conditions. Ceci suggère un dysfonctionnement de ces deux régions dès le stade précoce des processus attentionnels, seul le fonctionnement du cortex DLPF restant altéré spécifiquement dans le traitement des distracteurs lors des étapes ultérieures de traitement de l’information. Ces anomalies résultent probablement du dérèglement des boucles baso-corticales reliant le striatum associatif au cortex DLPF et CCA. Ceci entrainerait une altération du contrôle cognitif et des processus BU responsable d’anomalies de détection de la déviance et d'inhibition des stimulus non pertinents, sous-jacentes aux troubles de l’attention sélective dans la MP. / Parkinson’s disease (PD) is a frequent neurodegenerative disease which is responsible for striatal dopaminergic depletion. PD patients present an early cognitive impairment, particularly attentional disorders. The origin of this impairment is still debated. It could result from a reduced allocation of attentional resources to the ongoing task (“top-down” process (TD)) or a defective inhibition of irrelevant events (failure of “bottom-up” filtering process (BU). Investigation of attentional processes mostly rely on behavioral analysis, but the study of the N200 and P300 components of the cognitive event-related potentials (ERPs) may be of interest. P300 can be divided into two subcomponents: (1) P3a, which occurs preferentially after distracter stimuli and is associated with BU processes; (2) P3b, related to target detection and associated with TD mechanisms. The N200 also comprises two main components: an anterior “no-go-N2", involved in mismatch detection and inhibition mechanisms, and a posterior “go-N2”, related to target categorization processes. Most of previous studies in PD have shown a longer latency and reduced amplitude of N200 and P300. To the best of our knowledge, modulation of their generators in PD has never been investigated. The main aim of this work was to improve our knowledge of the mechanisms of attention disorders in PD. If the attentional impairment in PD results from a failure of TD processes, this would result in modifications of the networks underlying the P3b and/or the posterior N2 during target detection. Alternatively, if this disorder is consecutive to a failure of BU processes, this would lead to difficulty in resisting interference from distracter stimuli and would change the characteristics of the P3a and/or anterior N200. ERPs were recorded in 15 young healthy subjects with high resolution electroencephalography during a three stimuli oddball paradigm in order to localize N200 and P300 generators in healthy subjects. Then, they were recorded with the same procedure in 15 patients with PD and 15 matched healthy controls. Group comparisons of the ERPs latency and amplitude were performed with analyses of variance. Generators of the ERPs components were identified for each subject and in each condition with a distributed source localization method, swLORETA (standardized weighted low resolution tomography). Group analyses of swLORETA solutions were performed with SPM® for the P300 subcomponents and with a permutation method for the N200. In young healthy controls, we showed an involvement of the dorsal frontoparietal (DFP) network in both P3a and P3b generation, while the ventral frontoparietal network was specific to target processing. The anterior cingulate cortex (ACC) that interacts with the frontoparietal networks, had a preponderant role in N200 generation. Other areas, namely the precuneus and the posterior cingulate cortex, which are connected to the ACC, are specific generators of some of the N200 subcomponents. In PD, a reduction of distracter-elicited P300 generators was found in the dorsolateral prefrontal cortex (DLPF), which is part of the DFP network, accordingly with an increased commission rate for distracter stimuli. These results suggest a failure of BU processes in PD. A reduced number of N200 generators was also displayed in both DLPF and ACC whatever the stimulus. This suggests a dysfunction of both the DLPF and the ACC at an early stage of attentional processes in PD, while only distracter processing was later impaired, in relation with a DLPF dysfunction. These abnormalities probably result from disturbances of the basocortical loops that link the associative striatum to the DLPF and ACC. This would then produce a sustainable alteration of cognitive control and BU processes, responsible for abnormal mismatch detection and inhibition of irrelevant stimuli, which would underlie the selective attention impairment in PD.

Ce mémoire présente la démarche de conception d’un générateur d’inertie à trois degrés de liberté. Un tel dispositif, conçu pour être tenu en main, utilise une ou plusieurs masses au sein d’un bâti, qui sont réorientées afin d’induire des couples à un utilisateur. Ceci influence l’effort requis par l’utilisateur et modifie sa perception de l’inertie déplacée. Pour y parvenir, un modèle réduit à un degré de liberté est élaboré puis implémenté dans un prototype. Avec une commande en couple, un rendu haptique plus que satisfaisant est obtenu, permettant des inerties jusqu’à 10 fois l’inertie intrinsèque. Par la suite, cinq concepts de générateurs à trois degrés de liberté sont modélisés et simulés. Trois de ceux-ci s’avèrent impossible ou complexes à mettre en oeuvre, laissant deux possibilités : utiliser trois roues d’inertie, ou réaliser un gyroscope à deux axes avec une roue d’inertie centrale. En simulation, le second offre une plus grande efficacité au niveau des requis des moteurs et surtout au niveau de la masse. Il est donc sélectionné pour le développement d’un prototype. Les différentes sections du modèle CAO, les instruments de mesure, et le modèle de contrôle en temps-réel sont détaillés. Avec toutes ces composantes fonctionnelles, des résultats intermédiaires sont obtenus. Le modèle dynamique est d’abord validé comme étant précis à l’aide de capteurs d’efforts, puis il est vérifié que le dispositif est en mesure de suivre des consignes de couple. Enfin la commande de génération d’inertie est implémentée. Des problèmes surviennent comme la limitation des mouvements par les câbles d’alimentation et l’instabilité inhérente du gyroscope. Ils empêchent d’utiliser l’appareil comme prévu, soit avec une roue tournant à haute vitesse. En démarrant le dispositif à 0 RPM, il réussit à simuler des inerties entre 0.5 fois et 1.5 fois son inertie intrinsèque. Ces variations sont de bonne qualité au niveau haptique, et sont suffisantes pour ressentir l’effet du dispositif. Enfin, pour améliorer ses capacités, il est suggéré de retourner vers le concept à trois roues d’inertie. / This thesis presents the synthesis and design of a three-degree-of-freedom inertia generator. Such a device, intended as a hand-held apparatus, uses one or many masses within a frame which are accelerated in order to render torques to a user. This influences the effort required by the user to move the device, and modifies their perception of its inertia. To achieve this, a simplified one-degree-of-freedom model is first elaborated and implemented in a prototype. With a torque command, a satisfying haptic rendering is obtained, capable of rendering nearly 10 times the intrinsic inertia of the device. Then, five three-degree-of-freedom torque generation concepts are modelled. Three of those are impossible or too complex to implement, leaving only two options : using three orthogonal flywheels, or using a double gimbal gyroscope with one central flywheel. When compared in simulations, the gyroscope concept offers a better efficiency in terms of mass and motor capabilities. As such, it is selected for the prototype. Then, details are given on the various components of the CAD model, the measuring tools, and the real-time model used for the control. Using these, a series of results are obtained. The dynamic model is first validated as accurate using force/torque sensors. Then the device’s ability to produce torque profiles is confirmed. Finally, its inertia generation capabilities are tested. Problems arise due to movement limitations from the power cables and the instability inherent to the gyroscope. They prevent the device to be used as intended, i.e., with the flywheel initially rotating with a large velocity. Instead, by setting it initially at 0 RPM, the device is able to render inertias equivalent to 0.5 to 1.5 its intrinsic inertia. The haptic quality of these renderings is very good, and they are sufficient to demonstrate the validity of the concept as a whole. Finally, to improve the capabilities of the device, it is suggested to use the three flywheels concept instead. .

Ce mémoire présente la démarche de conception d’un générateur d’inertie à trois degrés de liberté. Un tel dispositif, conçu pour être tenu en main, utilise une ou plusieurs masses au sein d’un bâti, qui sont réorientées afin d’induire des couples à un utilisateur. Ceci influence l’effort requis par l’utilisateur et modifie sa perception de l’inertie déplacée. Pour y parvenir, un modèle réduit à un degré de liberté est élaboré puis implémenté dans un prototype. Avec une commande en couple, un rendu haptique plus que satisfaisant est obtenu, permettant des inerties jusqu’à 10 fois l’inertie intrinsèque. Par la suite, cinq concepts de générateurs à trois degrés de liberté sont modélisés et simulés. Trois de ceux-ci s’avèrent impossible ou complexes à mettre en oeuvre, laissant deux possibilités : utiliser trois roues d’inertie, ou réaliser un gyroscope à deux axes avec une roue d’inertie centrale. En simulation, le second offre une plus grande efficacité au niveau des requis des moteurs et surtout au niveau de la masse. Il est donc sélectionné pour le développement d’un prototype. Les différentes sections du modèle CAO, les instruments de mesure, et le modèle de contrôle en temps-réel sont détaillés. Avec toutes ces composantes fonctionnelles, des résultats intermédiaires sont obtenus. Le modèle dynamique est d’abord validé comme étant précis à l’aide de capteurs d’efforts, puis il est vérifié que le dispositif est en mesure de suivre des consignes de couple. Enfin la commande de génération d’inertie est implémentée. Des problèmes surviennent comme la limitation des mouvements par les câbles d’alimentation et l’instabilité inhérente du gyroscope. Ils empêchent d’utiliser l’appareil comme prévu, soit avec une roue tournant à haute vitesse. En démarrant le dispositif à 0 RPM, il réussit à simuler des inerties entre 0.5 fois et 1.5 fois son inertie intrinsèque. Ces variations sont de bonne qualité au niveau haptique, et sont suffisantes pour ressentir l’effet du dispositif. Enfin, pour améliorer ses capacités, il est suggéré de retourner vers le concept à trois roues d’inertie. / This thesis presents the synthesis and design of a three-degree-of-freedom inertia generator. Such a device, intended as a hand-held apparatus, uses one or many masses within a frame which are accelerated in order to render torques to a user. This influences the effort required by the user to move the device, and modifies their perception of its inertia. To achieve this, a simplified one-degree-of-freedom model is first elaborated and implemented in a prototype. With a torque command, a satisfying haptic rendering is obtained, capable of rendering nearly 10 times the intrinsic inertia of the device. Then, five three-degree-of-freedom torque generation concepts are modelled. Three of those are impossible or too complex to implement, leaving only two options : using three orthogonal flywheels, or using a double gimbal gyroscope with one central flywheel. When compared in simulations, the gyroscope concept offers a better efficiency in terms of mass and motor capabilities. As such, it is selected for the prototype. Then, details are given on the various components of the CAD model, the measuring tools, and the real-time model used for the control. Using these, a series of results are obtained. The dynamic model is first validated as accurate using force/torque sensors. Then the device’s ability to produce torque profiles is confirmed. Finally, its inertia generation capabilities are tested. Problems arise due to movement limitations from the power cables and the instability inherent to the gyroscope. They prevent the device to be used as intended, i.e., with the flywheel initially rotating with a large velocity. Instead, by setting it initially at 0 RPM, the device is able to render inertias equivalent to 0.5 to 1.5 its intrinsic inertia. The haptic quality of these renderings is very good, and they are sufficient to demonstrate the validity of the concept as a whole. Finally, to improve the capabilities of the device, it is suggested to use the three flywheels concept instead. .

Cette thèse propose une méthodologie complète de conception des transformateurs utilisés dans les modulateurs servant à alimenter, par des impulsions de haute tension, des amplificateurs klystron. Cette méthodologie est appliquée au transformateur d'impulsion monolithique du modulateur qui doit fournir des impulsions de 28.9 MW pendant 140 µs, à une tension de -170 kV pour le futur accélérateur d'électrons-positrons CLIC actuellement en phase de recherche et développement à l'organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN). Une attention particulière est donnée au respect du temps de montée de la tension du klystron qui doit être inférieur à 3 µs, et à la tension maximale qui ne doit pas être inférieure à -175 kV. Les circuits électriques équivalents respectifs du transformateur, incluant capacités et inductances parasites, et du klystron permettent de modéliser le comportement électrique du modulateur. Un circuit équivalent défini dans le standard 390 de l'IEEE ainsi qu'un circuit équivalent d'ordre élevé sont utilisés. Il est possible par simulation des circuits équivalents de connaître le courant et la tension au secondaire du transformateur lorsque la tension au primaire est imposée. A partir des caractéristiques du transformateur et des matériaux le constituant, l'identification des éléments parasites à l'aide de calculs analytiques ou de simulations avec la méthode des éléments finis en 2D ou en 3D du transformateur est présentée. Une méthodologie d'identification expérimentale du circuit équivalent standard du transformateur est développée afin de comparer les méthodes d'identification par calcul et simulation avec des mesures réalisées sur un transformateur. Le système d'isolation est dimensionné à partir d'essais haute tension réalisés sur les matériaux solides et liquides. Les modèles de dimensionnement et d'isolation sont validés expérimentalement sur deux prototypes. Des résonances non modélisées avec le circuit équivalent standard et reproduites par le circuit équivalent d'ordre élevé sont observées expérimentalement sur les deux prototypes à échelle réduite. Le circuit équivalent standard et l'identification sont utilisés dans une procédure d'optimisation pour dimensionner un avant-projet de transformateur respectant le cahier des charges du CLIC. Un algorithme d'optimisation hybride utilisant conjointement des modèles de dimensionnement de basse et haute précision pour un résultat rapide et précis est présenté et détaillé. / In this thesis, a pulse transformer design methodology for klystron amplifiers is presented. This methodology is applied to the design of the pulse transformer for the modulator of a future electron-positron compact linear accelerator (CLIC) at CERN which has to produce -170 kV pulses of 140 µs duration with a power of 28.9 MW. A special care is given to the secondary voltage maximum value and rise time of respectively -175 kV and 3 µs. The electrical performances of the modulator are evaluated with equivalent circuits that include parasitic capacitances and inductances of the transformer, and nonlinear klystron resistance. The IEEE pulse transformer equivalent circuit and a high order generalized equivalent circuit are compared. From the transformer topology and its material characteristics, the elements of the equivalent circuits are identified with analytic computation (only for the standard equivalent circuit) or simulations of the electrical and magnetic fields of the transformer modeled in 2D or 3D using the finite elements method. Two reduced scale validation prototypes are realized. An experimental identification methodology of the standard equivalent circuit is developed to compare simulation and experimental results. The insulation structure is designed from high voltage tests on solid and liquid insulating materials and validated on prototypes. It is experimentally demonstrated that the high order generalized equivalent circuit predict the observed electrical resonances not predicted by the standard equivalent circuit. The standard equivalent circuit and its identification are used in an optimization procedure to design a pulse transformer that meets the specifications for the full scale CLIC modulators. The hybrid optimization algorithm (also called space mapping) that is associating analytic and 3D finite element simulations for a fast and precise solution is proposed and detailed.

Le développement des capteurs autonomes et leurs applications dans les « smart-cities », nécessitent de nouvelles méthodes de production d’énergie, basées sur la récupération de l’énergie ambiante. Dans ce contexte, le projet N-air-J a pour objectif de réaliser des microgénérateurs,basés sur des films piézoélectriques flexibles, capables de récupérer l’énergie des courants d’airs. Les travaux réalisés dans cette thèse concernent la réalisation des couches minces piézoélectriques de zircono-titanate de plomb (PZT) déposées sur une feuille d’aluminium, ainsi que les caractérisations structurales, diélectriques, ferroélectriques, et piézoélectriques associées. L’optimisation du générateur est basée sur un procédé de transfert original du PZT depuis l’aluminium vers un substrat polymère. L’intérêt du transfert vers un substrat souple et isolant est de pouvoir réaliser une configuration d’électrodes interdigitées (IDE). Les propriétés de récupération d’énergie des deux configurations PZT/Al et PZT/polymère ont été testées, et la densité d’énergie produite est similaire à l’état de l’art pour des structures plus rigides. L’utilisation d’électrodes IDE a prouvé son intérêt par la génération d’une tension de sortie de plusieurs dizaines de volt. Un modèle analytique a été développé afin d’étudier le comportement de la poutre piézoélectrique utilisée dans ces travaux. Les études expérimentales ont permis de quantifier l’influence des frottements de l’air sur le comportement vibratoire de la poutre. La simulation de l’interaction fluide structure a montré la possibilité d’augmenter les déformations de plusieurs brins au sein d’un réseau de générateurs. / New methods for energy generation based on the ambient energy harvesting are required for autonomous sensors development and their applications in the “smartcities”. In this context, N-air-J project aims to realize micro-generators based on flexible piezoelectric films, able to harvest energy from the breeze. The work presented in this thesis is about the deposition of lead zirconate titanate (PZT) thin layer on aluminium thin foil. Structural, dielectric, ferroelectric and piezoelectric characterizations were realized. The generator optimization is focused on the PZT transfer from aluminium to polymer substrate. The technological process has been developed for the transfer. The use of an insulating and elastic substrate is very interesting for the realization of an interdigitated (IDE) electrode configuration. Energy harvesting properties of the two configurations, PZT/Al and PZT/polymer, were tested. Energy densities were found similar to those of more rigid structures presented in the literature. The use of the IDE confirms its great interest by delivering a voltage of several tens of volts.An analytical model was developed to study the behaviour of the piezoelectric beam used in this work. Experimental studies quantify the influence of air friction on the beam vibratory behaviour. Fluid-structure interaction simulation has demonstrated the possibility for improving the deformations of several beams in a generators network.

Les crises énergétiques et environnementales nous obligent à chercher les sources d’énergies renouvelables, qui contribuent à la fois à réduire l’effet de serre et la consommation des sources traditionnelles d’énergie fossile. Récemment, un nouveau système, le nano-générateur triboélectrique (TENG), se convertit l’énergie mécanique en énergie électrique en combinant l’effet de la triboélectronique et de l’induction électrostatique. TENG montre comme un outil alternatif et prometteur pour la récupération des énergie s renouvelables. Pour réaliser des matériaux plus performants, la plupart des recherches s’appuie sur le choix des différents types des céramiques ou charges conductrices, de taux de charge et de nouvelle structure, l’effet de l’interface entre charge, ainsi que la taille des charges, matrice a été très peu étudié. Donc, l’objectif de cette thèse consiste à étudier les effets de taille des charges, de l’interface entre charge-matrice et de la polarisation sur les performances électriques du TENG et les nano-générateurs du type piézo/tribohybride (P-TENG). Tout d’abord, un TENG fonctionnant sous la mode de contact-séparation avec la motion de l’accélération/décélération a été utilisé dans notre expérimentation et les équations progressives du type du second ordre polynomial ont été choisi pour l’ajustement des courbes. Différents paramètres cinétiques comme distance entre deux électrodes, fréquence de déplacement, pression de contact et temp du repos du TENG basés sur les conditions expérimentales ont été étudiés dans le chapitre 2 afin de comprendre leur contributions sur les performances des sorties électriques. Deuxièmement, deux différentes tailles (BT-70, BT-500) des nanoparticules de BaTiO3 sont considérées et utilisées pour préparer des composites di électriques BaTiO3/PDMS et BaTiO3-MWCNT/PDMS dans le chapitre 3. Les propriétés di électriques de tous ces composites ont été caractérisées et le déplacement électrique entre les particules et le polymère a été analysé théoriquement. En plus, l’effet synergique de MWCNT, de nitrure de bore (BN) et de noir de carbone (CB) avec BaTiO3 dans BaTiO3-70-MWCNT (CB, BN) / PDMS ont été comparés. Tous ces films composites fabriqués précédemment sont ensuite utilisés dans l’assemblage des dispositifs TENG dans le chapitre 4. Les performances électriques ont été mesurées pour étudier l’influence de l’interface charge-matrice et l’effet synergique des particules MWCNT (CB, BN) pour les dispositifs TENG. Les résultats de la différence potentielle surfacique induite par les effets synergiques des BaTiO3/MWCNT ont été confirmé avec les simulations COMSOL Multiphysics. En outre, dans le chapitre 5 les films composites contenant des particules de BaTiO3 sont polarisés pour étudier les effets piézoélectriques et triboélectriques couplés pour P-TENG. Les effets des différents paramètres de polarisation, tels que la direction de polarisation, la température, le ratio massique du BaTiO3, le champ électrique et la taille des BaTiO3 sur les performances de P-TENG ont été discutées. Enfin, les conclusions générales sont présentées et certains ou quelques perspectives sont proposées pour le futur. / The increasing energy crisis and environmental pollution stimulate the development of renewable energies, which contribute to reducing the greenhouse effect and the consumption of traditional fossil fuels. As a new type of renewable energy harvesting system, triboelectric nanogenerator (TENG) converts mechanical energy to electrical energy by coupling the effect of triboelectrification and electrostatic induction. TENG has been proved to be an alternative and promising approach to harvest renewable energy in recent years. For the dielectric material candidates, more attention has been paid to choosing different types of ceramic or conductive fillers, filler loading and surface structure design, rather than considering the filler-matrix interface effect. Thus, it is desired to clarify the effect of filler size and fillermatrix interface on the performance of compositebased TENGs. This work aims to research the influence of filler size, filler-matrix interface, and polarization on the output performance of TENG and piezo/tribo-hybrid nanogenerator (P-TENG). Firstly, the contact-separation mode TENG with acceleration/deceleration motion is utilized in our experiments. The piecewise second-order polynomial fitting is chosen for the motion process curve fitting. Various kinematic parameters including gap distance, motion frequency, contact pressure, and pause time of TENG are studied theoretically based on the experiment conditions in chapter 2, to understand their contributions to the electrical output performance. Secondly, in chapter 3, BaTiO3 nanoparticles with two different sizes (BT-70, BT-500) are considered and utilized to prepare BaTiO3/PDMS and BaTiO3-MWCNT/PDMS dielectric composites. The dielectric properties of all composites are characterized, and the electric displacement between particle and polymer are theoretically analyzed. Moreover, the synergistic effect of MWCNT, boron nitride (BN) and carbon black (CB) with BaTiO3 in BaTiO3-70-MWCNT(CB, BN)/PDMS are compared. Then, all composite films fabricated were further utilized to assemble TENG devices in chapter 4. The output voltage, current, and charges densities of TENGs are evaluated to investigate the influence of fillermatrix interface and synergistic effect of MWCNT (CB, BN) particles on the output performance of TENG devices. COMSOL Multiphysics simulation are performed to further confirm the surface potential difference introduced by the synergistic effects of BaTiO3/MWCNTs. Furthermore, the composite films with BaTiO3 particles are polarized to further explore the interaction of piezoelectric and triboelectric effects for P-TENG in chapter 5. Influences of different polarization parameters, such as polarization direction, poling temperature, BaTiO3 mass ratio, poling electric field and BaTiO3 sizes, on the output performance of the PTENG have been discussed. Finally, general conclusions are presented and perspectives are proposed for the future work.

L'industrie des aérogénérateurs a connu une croissance spectaculaire au cours des dernières années. La chaîne de conversion électromécanique la plus employée dans le domaine de puissance de l'ordre du MW utilise une Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA). L'avantage principal de cette solution concerne son coût initial qui est réduit par rapport aux topologies concurrentes. Ce type d'aérogénérateur utilise un multiplicateur de vitesse à engrenages qui adapte la vitesse de rotation élevée de la MADA à la basse vitesse de rotation de la turbine éolienne. Cette composante qui nécessite des coûts de maintenance élevés est à l'origine des principaux problèmes de fiabilité associés aux aérogénérateurs qui utilisent la MADA. Par exemple, le multiplicateur est soumis à de fortes contraintes lors des régimes de défauts électriques qui peuvent survenir sur le réseau électrique. Bien que les industriels aient développé des multiplicateurs de vitesse qui s'adaptent mieux au domaine des aérogénérateurs, il apparaît qu'aucune solution globale et innovatrice n'a été proposée pour faire face à cette problématique. Ce travail présente un environnement de conception globale et optimale de la chaîne de conversion électromécanique utilisant la MADA pour les aérogénérateurs dont la puissance est de l'ordre du MW. L'établissement des divers modèles de dimensionnement et la mise au point des outils méthodologiques disponibles dans l'environnement sont détaillés. Les principaux composants de la chaîne de conversion sont modélisés et la MADA fait l'objet d'une attention particulière quant à son dimensionnement. Des méthodes analytiques et numériques sont proposées pour mener à bien la conception optimale de l'entraînement tout entier incluant la MADA, le multiplicateur de vitesse mécanique et le convertisseur statique de puissance. La mise en oeuvre de l'environnement est illustrée par des solutions de conception globale associées à différents spécifications du cahiers des charges incluant la distribution annuelle de vitesses de vent sur le site. Les résultats obtenus montrent qu'il existe différentes solutions originales tant du point de vue topologique que dimensionnel. En particulier, on montre qu'il est possible de diminuer le nombre d'étages de multiplication mécanique de la vitesse pour améliorer la fiabilité et le coût global de l'installation. / During the last few years the wind turbine industry experienced an impressive growth. The most used topology of electromechanical conversion system for wind power plants in the MW range is based on the so called Doubly-Fed Induction Generator (DFIG). The advantage of this topology lies in a reduced initial cost compared to alternative topologies. The DFIG based wind turbine is using a gearbox to adapt the generator's high rotating speed to the turbine's low rotating speed. This mechanical component, which presents high maintenance costs, is the major cause of reliability problems of DFIG based wind turbines. For instance, during severe grid fault conditions (i.e. short-circuits) the gearbox is mechanically stressed. Although the new gearbox generation has been improved to better fit to the wind industry constraints, one can notice that no new and innovative solutions have been proposed to cope with this problematic. This works presents a global and optimal design methodology associated to a specific CAD environment of DFIG based electromechanical conversion systems for wind turbines in the MW power range. The development of the different design models and the realization of the methodological tools available in the environment are detailed. The main components of the electromechanical conversion system are modeled and the DFIG design procedure is detailed. Different analytical and numerical methods are proposed to perform an efficient optimal design of the whole drive system that includes the DFIG, the gearbox and the static power converter. The environment efficiency is demonstrated by the determination of different optimal global design solutions associated to several kinds of specifications, which take into account the annual wind speed statistical distribution on the site. The results show that there are several original solutions in terms of topological structure and dimensions. The use of the proposed design methodology demonstrates that it is possible to reduce the number of gearbox stages in order to increase the plant reliability and to decrease its global cost.

L'objectif d'un générateur de nombres aléatoires (RNG) est de produire une séquence binaire aléatoire indépendante, imprédictible et uniformément répartie. Les RNG sont nécessaires dans toutes sortes d'applications telles que la cryptographie, les télécommunications, les simulations numériques, le test de circuits VLSI ou encore les algorithmes probabilistes. Ainsi, le nombre d'applications embarquées nécessitant des RNG matériels augmente constamment, spécialement au sein des circuits reconfigurables. En vue de la conception matérielle d'un RNG, la solution est d'utiliser un générateur hybride composé d'un générateur vraiment aléatoire (TRNG) et d'un générateur pseudo-aléatoire (PRNG). Prouver mathématiquement qu'un générateur est aléatoire est généralement difficile, voire impossible. Les RNG sont souvent évalués via des tests statistiques. L'évaluation d'un TRNG est beaucoup plus complexe que celle d'un PRNG car la qualité d'un TRNG est fonction de la source de bruit utilisée, de l'environnement extérieur et de la qualité d'implantation au sein du circuit ciblé. Fischer et al. [1] ont proposé l'un des premiers TRNG totalement implantable au sein d'un circuit FPGA. Depuis, un grand nombre de générateurs a été présenté dans la littérature. Un des objectifs de cette thèse a été de proposer une méthodologie objective analysant la qualité des TRNG sélectionnés au sein de circuits reconfigurables. La méthode d'évaluation, rapide et efficace est basée sur l'utilisation de tests statistiques matériels proposés par l'AIS 31 [2]. L'intérêt de la méthode est d'évaluer les TRNG au sein du même circuit FPGA afin d'analyser ceux-ci dans des conditions similaires d'utilisation. La version matérielle de l'AIS 31 permet d'évaluer des TRNG présentant un débit maximal de 84.2 Mbits/s. Le coût matériel de celle-ci est de 4042 LUT, soit environ 10% d'un FPGA Xilinx Virtex 5 SX50. La méthode proposée permet de trouver facilement le débit optimal des TRNG au sein d'un circuit reconfigurable. Ainsi, l'intérêt d'une pré-caractérisation du fonctionnement d'un TRNG est prouvé. À partir de l'étude précédente, un TRNG est sélectionné pour ses propriétés statistiques. Une architecture de générateur hybride permettant de produire des nombres aléatoires uniformes à très haut débit est ensuite proposée. Cependant, malgré la qualité du générateur sélectionné, l'aléa en sortie du TRNG peut varier au cours du temps à cause d'attaques externes possibles sur le circuit, de la variation des conditions extérieures ou encore du vieillissement des composants. La qualité aléatoire de la séquence de germes produite par un TRNG est primordiale pour assurer l'imprédictibilité d'un PRNG. Afin d'améliorer la robustesse d'un TRNG, des mécanismes de tests statistiques en ligne doivent être mis en œuvre. Ainsi, une évaluation en temps réel du comportement du générateur est réalisée et les séquences défaillances générées par celui-ci sont évitées. Cette étude propose d'utiliser une implantation efficace de la batterie du FIPS 140-2. La surface négligeable du circuit au sein des FPGA actuels et les performances obtenues par le composant permettent de contrôler la qualité du TRNG sélectionné en temps réel. Un RNG hybride à très haut débit implanté sur une cible reconfigurable et au sein d'un circuit VLSI est proposé. L'étude menée sur le RNG hybride a débouché sur un partenariat industriel réalisé avec une entreprise spécialisée en cryptographie à travers le projet pôle images et réseaux SPRING (Shelf Proof Random Integrated Number Generator). Dans certaines applications, il est parfois nécessaire de générer des nombres aléatoires suivant une distribution de probabilité différente d'une loi uniforme. À partir de l'utilisation du RNG hybride proposé, l'implantation d'un générateur de nombres aléatoires gaussiens à très haut débit est présenté. Par ailleurs, le circuit implanté permet de générer efficacement des nombres aléatoires suivant une loi de Rayleigh. Après sélection d'un excellent TRNG, un PRNG à débit très élevé est recherché. La structure parallèle des automates cellulaires fait de ces PRNG une architecture très intéressante en vue d'une implantation matérielle. La seconde partie de la thèse est consacrée à la recherche de la règle optimale d'un automate cellulaire à cinq voisins. Le chapitre étudie, entre autres, le coût matériel engendré par l'implantation de tests statistiques très performants. / The purpose of a random number generator (RNG) is to produce a random binary sequence independent, unpredictable and uniformly distributed. A RNG is needed in all kinds of applications such as cryptography, telecommunications, computer simulations, testing of VLSI circuits or probabilistic algorithms. The number of embedded applications requiring hardware RNG is constantly increasing, especially in the reconfigurable circuits. In view of the physical design of a RNG, the solution is to use a hybrid generator composed of a truly random generator (TRNG) and a pseudo-random number generator (PRNG). Proving mathematically that a generator is random is usually difficult or impossible. RNGs are often evaluated using statistical tests. Evaluation of a TRNG is much more complex than PRNG testing as the TRNG quality is a function of the noise source used in the external environment and the implementation quality within the target circuit. Fischer et al. have proposed one of the first TRNG totally embedded within an FPGA. Then, a large generator number has been presented in the literature. One objective of this thesis was to propose an objective methodology for analyzing the quality of recognized TRNGs in reconfigurable circuits. The evaluation method, fast and efficient, is based on the use of hardware statistical tests proposed by the AIS 31 and the FIPS 140-2. The advantage of the method is to evaluate the TRNGs in the same FPGA chip to analyze them in similar conditions of use. The hardware version of AIS 31 allows the TRNG evaluation with a maximum throughput of 84.2 Mb/s. The material cost of it is 4042 LUTs, about 10 % of a Xilinx Virtex 5 FPGA SX50. Moreover, the method is used to find the optimal TRNG data rate for the targeted reconfigurable circuit, showing the TRNG pre-characterization interest. From the previous study, a TRNG is selected for its statistical properties. A high data rate hybrid generator is then proposed. However, despite the quality of the selected generator, the TRNG randomness can vary in time due to possible external attacks on the circuit, changes in external conditions or aging components. The quality of the seed sequences provided by a TRNG is important to ensure the unpredictability of a PRNG. To improve the robustness of a TRNG, online statistical tests must be implemented. Thus, a real-time evaluation of the generator behavior is performed and the TRNG weaknesses are filtered. This study proposes to use an efficient implementation of the FIPS 140-2 battery. The negligible area and the performance allow to control the TRNG quality in real time. A hybrid RNG implemented on a reconfigurable target and within a VLSI circuit is then proposed. The study conducted on the RNG hybrid resulted in an industry partnership. Then, in some applications, it is sometimes necessary to generate random numbers following a probability distribution different from a uniform distribution. From the use of the proposed hybrid RNG, a very high data rate Gaussian random number generator is proposed. Furthermore, the circuit can generate random numbers according to a Rayleigh law. From previous studies, a hybrid RNG is proposed for FPGA implementation and is embedded into the cryptography solution proposed by a French company. The RNG generates uniform random bits and his innovating by the TRNG real time monitoring realized by embedded the FIPS 140-2 tests. Then, the realization of two ASIC in 130 nm technology are described. The chips will allow to evaluate the performance of ASIC TRNGs. Moreover, the second circuit embeds high throughput Gaussian and Rayleigh noise generators.