Th. doct. -ing.--Électrotech.--Grenoble--I.N.P., 1982. N°: DI 259.

Ce travail propose une méthodologie de synthèse de loi de commande robuste pour les systèmes dynamiques plats. La génération de trajectoires de référence est simple à mettre en oeuvre pour un système plat car il est équivalent à un système linéaire par difféomorphisme et bouclage. Cependant cette démarche n'est valable que pour un modèle, et en l'absence de perturbations. Pour une famille de modèles, et en présence de perturbations exogènes, le suivi de trajectoire défini à partir du modèle nominal est garanti par un régulateur linéaire synthétisé par optimisation de critères. L'utilisation d'un schéma à deux degrés de liberté générique permet de poser clairement le problème de synthèse en séparant les objectifs de poursuite nominale et les objectifs de régulation et de poursuite robustes. Cette démarche est ensuite appliquée à la synthèse d'une loi de commande robuste d'une machine synchrone.

Les travaux réalisés dans la thèse ont permis de développer une méthodologie permettant de réduire les ondulations de couple générées par un défaut statorique dans une machine synchrone avec aimants montés en surface. Deux types défaut ont été traités : le déséquilibre du bobinage statorique, illustré dans l’étude par un manque de spire, et un court- circuit entre spires. Les composantes harmoniques de couple générées par ces types de défaut ont été identifiées et nous avons déterminé la composante inverse de courant à injecter dans l’alimentation pour réduire la composante harmonique de couple principale, qui est à deux fois la fréquence d’alimentation. Deux approches ont été utilisées pour déterminer cette composante inverse de courant : une approche basée sur l’induction d’entrefer issue du calcul analytique prenant en compte l’effet magnétique des courants dans chaque encoche et une approche basée sur les vecteurs espaces flux et courant. Cette deuxième approche permet de mettre en œuvre le principe de correction avec une simulation matlab-simulink, qui donne des résultats probants, que la machine fonctionne en boucle ouverte commandée en fréquence, ou en autopilotée, insérée dans une boucle de régulation de vitesse. Nous avons également mis en œuvre les dispositifs expérimentaux permettant de valider l’étude théorique. Le banc utilisé comprend une machine synchrone à aimants et sa charge. La Machine synchrone est alimentée par un onduleur et commandée par un système dSPACE permettant de contrôler la composante inverse de courant et d’assurer l’autopilotage. Un accéléromètre correctement placé permet de mesurer les vibrations tangentielles, générées par les fluctuations de couple. Pour les deux types de défaut, la réduction de l’harmonique de vibrations tangentielles à deux fois la fréquence d’alimentation a été mise en évidence suite à l’injection d’une composante inverse de courant. Une bonne concordance apparait entre la théorie et l’expérimentation pour ce qui est de l’amplitude de la composante inverse. / The work carried out in this thesis consists in developing a methodology to reduce the torque ripples generated by a stator fault in a surface permanent magnet synchronous machine. Two faults have been treated: the unbalance of the stator winding, illustrated in the study by a lack of turns, and a stator inter-turns short-circuit. The harmonic torque components generated by the both faults have been identified and the inverse current component to be injected in the supply currents has been determined to reduce the main torque component, which is at twice the supply frequency. Two approaches have been used to determine this inverse current component: an approach based on the air gap flux density resulting from an analytical calculation taking into account the magnetic effect of the currents in each slot, and an approach based on the flux and current space phasor. This second approach makes it possible to implement the correction principle in matlab-simulink simulations. These simulations give convincing results whether the machine operates in a frequency-controlled open loop or in a vector control mode inserted in a speed control loop. Experimental tests have been realized to validate the theoretical study. The used test bench includes a Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) coupled to a DC machine. The PMSM is powered by an inverter controlled by a dSPACE system able to tune the inverse current component and ensure the vector control. A properly positioned accelerometer is used to measure the tangential vibrations generated by torque fluctuations. For both faults, the reduction of the harmonic of tangential vibrations at twice the supply frequency was demonstrated by injection of an inverse current component. A good agreement between theory and experimentation in terms of the amplitude of the inverse component was obtained.

Dans ce mémoire, je présente essentiellement des travaux de recherche sur les machines à commutation de flux, à simple et à double excitation. A l'origine de ces travaux, il y a eu l'étude des pertes magnétiques dans les machines à réluctance variable à double saillance. Et en parallèle de ces travaux, il y a eu l'étude des limites thermiques et électroniques dans la conversion d'énergie d'une machine synchrone associée à son convertisseur et l'étude de l'optimisation sur cycles de fonctionnement des machines synchrones à encochage fractionnaire.

Ce travail a pour objectif de développer des techniques de surveillance non-invasives sur des machines électriques tournantes de sorte que leurs mises en place soient aisées en environnement industriel. A cet effet, deux méthodes indépendantes sont décrites dans ce mémoire : un diagnostic de défaillances électriques dans des alternateurs connectés au réseau et une étude exploratoire afin d'évaluer la température interne de machines électriques industrielles.La première méthode repose sur l'analyse de deux grandeurs physiques : le champ magnétique rayonné à l'extérieur de la carcasse et les vibrations de la machine tournante. Des modèles mathématiques ont été développés afin de corréler des phénomènes magnétiques et mécaniques qui interviennent dans trois états de la machine : sain et en deux défauts de courts-circuits au stator et au rotor. Ces résultats ont ensuite été validés expérimentalement en laboratoire ainsi que sur des machines de grande puissance en environnement industriel. Un prototype de diagnostic capable de réaliser un examen de défaillance de courts-circuits sur des machines à fort courant a été proposé.Dans un deuxième temps, la méthode d'estimation de la température s'appuie sur des constats relatifs à la variation des caractéristiques des matériaux qui composent un enroulement lorsque la température augmente. Ainsi, la localisation des fréquences de résonances de l'impédance sont impactées. Ce dernier constat a été vérifié expérimentalement.Ce travail de thèse a permis de vérifier la faisabilité des méthodes de diagnostic et de surveillance en ligne dans des machines tournantes avec un minimum d'intrusivité, ceci dans un environnement industriel. / This work aims to develop non-invasive monitoring techniques on AC rotating machines so that their implementation is easy in an industrial environment. For this purpose, two independent methods are described: a fault diagnosis in alternators connected to the local power gird and an exploratory study to evaluate the internal temperature of AC rotating machines.The first method relies on the analysis of two physical magnitudes: the stray magnetic field radiated outside from the external frame and the vibrations content of machine structure. Mathematical models have been developed in order to correlate magnetic and mechanical phenomena which occur in three different machine states: healthy and in two winding short-circuit faults both in the stator and in the rotor. These results were then validated experimentally in laboratory as well as on large machines in industrial environment. A first diagnostic prototype is presented capable to be implemented in industrial environment in order to detect short-circuit faults in larges alternators.In a second time, a temperature estimation method is proposed based on observations concerning variations in material characteristics of windings as temperature increases. Thus, the localizations of impedance resonant frequencies are impacted, which was verified experimentally as well.This thesis work allowed to verify diagnostic feasibility and on-line monitoring methods in rotating machines in a non-invasive way in industrial environments.

La machine synchrone à aimants permanents, comparée aux autres machines électriques, est très présente dans les applications industrielles de type contrôle de mouvement, et ceci en raison de sa compacité, sa faible inertie, son rendement, sa robustesse, sa puissance massique élevée et sa simplicité de commande avec capteur mécanique. Cependant, la commande sans capteur de cette machine est toujours un problème difficile à cause des problèmes de perte d'observabilité. Le but de cette thèse est de proposer des lois de commande sans capteur mécanique pour la machine synchrone à aimants permanents. Plusieurs observateurs dont deux à modes glissants d'ordre un (un basé sur la F.E.M. et l'autre basé sur le modèle complet), un observateur super twisting et un observateur adaptatif interconnecté ont été élaborés. Plusieurs lois de commande non linéaire ont été conçues : de type modes glissants d'ordre supérieur à trajectoire pré-calculée, de type backstepping et de type mode glissant d'ordre supérieur quasi-continue. La stabilité globale de l'ensemble " Commande+Observateur " de chaque cas a été montrée. Chaque cas a été validé sur le benchmark "Commande sans capteur mécanique" du groupe de travail inter-GDR " Commande des Systèmes Électriques ".

Un modèle fréquentiel non linéaire, précis et compact du générateur synchrone a été présenté dans cette thèse. Contrairement aux modèles classiques comportant plusieurs cellules R-L, il intègre des impédances d'ordre un demi qui permettent de bien caractériser les phénomènes d'induction électromagnétique sur la grande plage de fréquences, tout en réduisant l'ordre et le nombre des paramètres du modèle. Le modèle proposé tient compte de l'effet de peau dans les barres de la cage d'amortisseurs, des courants induits dans les pièces massives du rotor et de la saturation des circuits magnétiques de la machine. Les impédances d'ordre non entier qui modélisent les phénomènes mentionnés ont été validées par rapport aux mesures effectuées sur une tôle ferromagnétique bobinée, ainsi qu'en les comparant aux simulations par éléments finis. L'identification des paramètres de la machine étudiée a été faite grâce aux caractéristiques SSFR (ang. StandStill Frequency Response) mesurées sur la machine synchrone saturée. Ensuite, une méthodologie pour le calcul de la réponse temporelle d'une machine modélisée par des systèmes d'ordre non entier a été présentée. A cet effet, le système d'état généralisé du générateur synchrone a été construit à partir des équations différentielles d'ordre non entier de la machine synchrone. Finalement, une possibilité d'exploitation du modèle non linéaire d'ordre non entier du générateur synchrone, notamment pour la synthèse de la commande robuste CRONE, a été brièvement présentée.

Cette étude porte sur la modélisation des machines électriques par réseaux de reluctances en vue du diagnostic. Une méthode de modélisation des machines électriques a été établie, en tenant compte de la simplicité du modèle, qui est défini directement à partir des données géométriques de la machine. Cette méthode a été appliquée à la machine synchrone et à la machine asynchrone. Le modèle de la machine synchrone est utilisé pour simuler les différents défauts sur la machine : excentricité statique et dynamique, courts-circuits au stator et au rotor. Le comportement de différents grandeurs caractéristiques de la machine (tension d'arbre, courant entre les voies d'enroulement, tension entre les neutres) est étudié. Le modèle est validé en comparant les résultats des simulations avec les résultats des mesures expérimentales et les résultats obtenus par la méthode des éléments finis. Il est possible d'utiliser le modèle présenté pour localiser les défauts dans la machine. Le modèle de la machine asynchrone a été testé pour les défauts suivants : excentricités, rupture des barres rotoriques, courts-circuits au stator en utilisant l'analyse spectrale des courants statoriques comme moyen de diagnostic. Le modèle est validé par les résultats d'essais. Le comportement dynamique de la machine asynchrone est simulé par ce modèle.

Le travail présenté dans cette thèse est une contribution à la commande de la Machine Synchrone à Double Excitation (MSDE) pour des applications embarquées. La MSDE allie les avantages de la machine synchrone à aimants permanents et la machine synchrone à rotor bobiné. Le flux d'excitation dans cette machine est généré par deux sources : les aimants permanents et un enroulement qui est placé au stator afin d'éviter les contacts glissants. Cette dernière source permet de régler le flux dans l'entrefer. Le modèle de la machine est basé sur un modèle de Park et prend en considération les pertes fer et la saturation des circuits magnétiques. Les paramètres du prototype existant au laboratoire ont été identifiés. La commande de la MSDE est effectuée en deux modes : générateur et moteur. En génératrice, l'application visée est la génération électrique en avionique. Deux réseaux de distribution sont traités : Réseau à haute tension et à fréquence variable et réseau haute tension DC. Dans ce dernier cas, la MSDE est associée à un pont redresseur à diodes. Dans les deux cas, la commande est élaborée dans le but de maintenir l'amplitude de la tension constante via le control du courant d'excitation uniquement. Le control est scalaire. L'approche est validée par simulation avec Matlab/Simulink et par expérimentation. Pour le mode moteur, l'application visée est la propulsion dans un véhicule électrique. Une commande optimale des courants est étudiée en vue de minimiser les pertes. Les pertes joules sont considérées premièrement. Ensuite, les pertes fer sont ajoutées. Finalement, le problème de minimisation est étendu pour inclure les pertes dues à l'onduleur et au hacheur. L'optimisation par la méthode des multiplicateurs de Lagrange (Kuhn-Tucker conditions) est utilisée pour trouver des expressions analytiques des courants statoriques et inducteur optimaux. Des simulations avec Matlab/Simulink prouvent que la solution obtenue est celle qui assure les pertes minimales tout au long du nouveau cycle de conduite européen.

Ce travail s'intéresse à l'étude des machines synchrones à double excitation (MSDE) et au dimensionnement de machines synchrones à aimants permanents (MSAP) dans le cadre des applications de type véhicule hybride. Celle ci se place dans le cadre général de la réduction des rejets de substances polluantes des véhicules. Le véhicule hybride, associé aux MSAP et aux MSDE constitue de ce point de vue une solution intéressante pour résoudre ces problèmes. Nous avons mis au point plusieurs modèles électromagnétiques analytiques (linéaires ou non) de MSAP basés sur la transformation de Park et sur l'utilisation de réseaux réluctants destinés à être intégré dans des structures à double excitation. Ceux ci permettent de concilier précision, rapidité et simplicité. Nous avons dimensionné et réalisé une MSDE au laboratoire SATIE répondant à un cahier des charges de véhicule hybride fourni par le groupe PSA. Celle ci a pu répondre aux contraintes des spécifications à la fois en terme d'encombrement et de performances.