Cette thèse porte sur la définition d'une stratégie robuste pour le diagnostic des processus industriels à modèle non linéaire. La stratégie définie repose sur l'utilisation d'observateurs non linéaires non seulement pour le diagnostic mais aussi pour la commande de ces systèmes. L'objectif est triple. L'observateur synthétisé devra reconstruire les variables d'état, être sensible aux défauts pour le diagnostic tout en étant robuste aux perturbations et autres incertitudes paramétriques pour la commande. Deux observateurs ont été étudiés à cet effet. Le premier observateur est un observateur de type Kalman. Cet observateur a été appliqué au diagnostic de défauts multiplicatifs pour un moteur à courant continu série. La stabilité de l'observateur pour la commande et le diagnostic a été prouvée pour deux cas de défauts paramètres multiplicatifs. Le second observateur étudié est un observateur Grand Gain. Il a été appliqué au diagnostic de défauts de courts-circuits statoriques pour une machine asynchrone. L'observateur Grand Gain synthétisé a servi au diagnostic de la machine asynchrone avec puis sans capteur mécanique. La performance des algorithmes de détection de défauts pour la machine asynchrone a été évaluée sur un benchmark spécifique " Observateur pour le Diagnostic " défini dans le cadre du groupe de travail Inter GDR CE2. Ce benchmark est implanté à l'IRCCyN.

L'optimisation topologique est une méthode de conception qui permet de définir de manière autonome la topologie, les formes et les dimensions d'un dispositif en vue de répondre de manière optimale à des critères de design. Initialement réservée au dimensionnement de pièces mécaniques, elle s'oriente aujourd'hui vers la conception de dispositifs plus complexes comme ceux rencontrés dans le domaine de l'électromécanique. C'est dans ce cadre que se situe notre travail. Un outil d'optimisation topologique étant formé de l'association d'un algorithme d'optimisation et d'un formalisme de distribution de matière, nous avons dans une première étape comparé différents couplages d'algorithmes métaheuristiques et de formalismes de distribution de matière en vue de choisir le couple qui semble le mieux adapté au problème traité. Cette comparaison nous a conduits à choisir comme outil d'optimisation l'association d'un algorithme génétique et d'une distribution de matière par cellules de Voronoï. Nous avons ensuite examiné comment améliorer les capacités d'exploration et d'exploitation de cet outil. Nous avons, à cet effet, étudié les aspects liés à la gestion de la taille de la population et à l'adaptation des mécanismes de reproduction au caractère graphique du problème. A l'issue de cette deuxième étape, nous avons finalisé un outil d'optimisation que nous avons testé sur des cas d'étude dont la complexité se rapproche de celle rencontrée au niveau industriel. Nous avons ainsi montré le potentiel de notre outil d'optimisation au niveau de la conception dans le cadre de l'électromécanique.

Cette thèse vise à développer une méthode alternative à la méthode des éléments finis pour pré-dimensionner des machines électriques tournantes. Le pré-dimensionnement consiste en un calcul rapide du champ magnétique à l’intérieur d’une machine électrique pour en extraire des caractéristiques physiques. Les caractéristiques physiques recherchées sont le couple appliqué sur le rotor ainsi que les flux à travers les bobines du moteur électrique. Après une revue des différentes méthodes existantes dans le domaine de la modélisation des moteurs électriques, on retiendra pour ces travaux les méthodes intégrales qui sont développées au laboratoire de génie électrique de Grenoble pour résoudre la problématique du calcul du champ magnétique à l’intérieur du moteur. Ces méthodes permettent un calcul précis du champ magnétique à l’intérieur de tout dispositif électromagnétique dans un temps de calcul relativement réduit par rapport à la méthode des éléments finis grâce à une meilleure évaluation des interactions entre les éléments du maillage. La formulation intégrale utilisée dans ces travaux est une formulation intégrale de volume dont l’inconnue est le potentiel vecteur interpolé sur les arêtes des éléments du maillage utilisé pour discrétiser la machine tournante. Cette formulation a été adaptée aux spécificités des moteurs électriques et optimisée dans le cadre de résolutions paramétriques. Enfin, des méthodes originales sont présentées pour calculer les caractéristiques physiques du moteur : deux méthodes de calcul de couple ont été mises au point, une première se basant sur le tenseur de Maxwell adapté aux méthodes intégrales de volume et une seconde basée sur la dérivée de la co-énergie magnétique dont une nouvelle formule ne nécessitant que la connaissance de l’induction dans les matériaux actifs est présentée. Une méthode semi-analytique de calcul de flux dans les bobines maillées du moteur est présentée.Il ressort de cette étude que le couplage entre la méthode intégrale de volume en potentiel vecteur et les trois méthodes évoquées ci-dessus fournit dans des temps inférieurs à la méthode des éléments finis certaines des caractéristiques recherchées. / This PhD thesis aims to develop an alternative method to the finite elements method for an efficient electrical rotating machines pre-design.Electrical engine pre-design involve of a quick calculation of the magnetic field within the rotating machine and be able to extract of this field the main physical characteristics of the machine. The physical characteristics searched for are the magnetic torque applied on the rotor and the magnetic flux through the coils of the engine.After a quick review of the existing methods for electrical engine pre-design, integral methods developed in Grenoble electrical laboratory will be took on to carry out the calculation of the magnetic field in the engine. Those methods allow a fast and precise calculation of the magnetic field thanks to an excellent evaluation of the interaction between the elements of the mesh.The integral formulation used in this thesis is a vector potential volume integral formulation where the vector potential is interpolated over the edges of the mesh. This formulation has been adapted to the specificities of the electrical engine simulation and optimized for the case of multi-static computations. Finally, original post functions have been developed to compute the physical characteristics of the electrical engine from the magnetic field solution provided by the volume integral formulation. Two methods of torque computation are presented along with one semi-analytical method for the computation of the flux through the coils of the engine.This study brings out that the coupling between the vector potential volume integral method and the post functions described above provides good results faster than the finite elements method for several physical characteristics of the electrical machine.

Le travail proposé est le résultat d’une collaboration entre le Laboratoire Laplace et l’IRT SaintExupéry. Il s’inscrit dans un projet visant à améliorer l’intégration des systèmes électriques afin d’électrifier les aéronefs. Le développement de l’énergie électrique à bord des aéronefs a de nombreux avantages : gain de masse, optimisation facilitée, … Plus précisément, c’est l’utilisation des machines électriques qui est ici étudiée. Actionneur, compresseur, beaucoup de système utilisant des énergies non-électriques peuvent être remplacés par des machines électriques. Comme dans tout système de conversion d’énergie, des pertes sont présentes et ce sont les pertes magnétiques, appelées perte fer, qui sont au cœur de cette thèse. Le réseau électrique avion, ainsi que les dispositifs de commande de ces machines, induisent une large augmentation de la proportion des pertes fer par rapport aux autres pertes. Les rendements diminuent et c’est surtout leur prédiction qui pose problème : les machines électriques sont surdimensionnées par sécurité, elles deviennent moins efficaces et le gain en masse est réduit. C’est pourquoi il est indispensable d’une part de comprendre le comportement des matériaux magnétiques utilisés dans les machines électriques dans des conditions non-idéales : il s’agit de la caractérisation des matériaux magnétiques. D’autre part, il est nécessaire d’améliorer les modèles de pertes fer afin de rendre leur prédiction efficace et optimiser le dimensionnement des machines électriques. Plus leur prédiction sera précise, plus les facteurs d’influence sur les pertes seront déterminés. Il sera alors possible d’envisager une optimisation plus globale de la chaîne électromécanique. Cette thèse est une première étape vers cette intégration globale. La caractérisation des matériaux fut faite sous diverses conditions. Tout d’abord, des champs magnétiques B unidimensionnels ont été étudiés. L’influence de leur spectre sur les pertes fer était au cœur de cette caractérisation : influence de l’amplitude ou de la fréquence dans le cas de champs sinusoïdaux, puis de la fréquence et de la phase d’harmoniques dans le cas de spectre plus complexes. Les pertes fer sont très sensibles à ces paramètres, ils sont donc à prendre en compte dans le dimensionnement des machines électriques. La modélisation des pertes proposée ensuite passe par une reconstitution du cycle d’hystérésis. Il s’agit donc de prédire le champ B à partir du champ H. Basée sur le modèle Play, la modélisation quasi-statique scalaire développée a montré sa précision et sa prédictibilité. Cependant, étant scalaire et quasi-statique, ce modèle ne fonctionne pas en fréquence. Un modèle analytique de courants de Foucault ainsi que des propositions de dynamisation ont été développés. Le modèle de courants de Foucault permettrait de tenir compte des effets de fréquence et donc de compléter le modèle quasi-statique. / The work proposed here took place in IRT Saint-Exupéry in collaboration with Laplace Laboratory. It is part of a project aiming for the integration of electrical systems improvement in order to electrify aircraft. The development of electrical energy aboard aircraft has many advantages: mass gain, optimization facilitated... More precisely, the using of electrical machines is studied here. Actuator, compressor, a lot of system using non-electric energies can be changed for electrical machines. As in any energy conversion system, losses cannot be avoided and especially iron losses, which are the main topic of this thesis. The airplane electrical networks, as well as electrical machine control devices, induce a large increase in iron loss proportion compared to other losses. Yields are diminishing but iron loss prediction is the main issue: electrical machines are oversized for safety, become less efficient and the mass gain is reduced. That is why the understanding of the behavior, or characterization, of magnetic materials used in electrical machines under non-ideal conditions is essential. On the other hand, it is necessary to improve the iron loss models in order to make their prediction efficient and to optimize the electrical machine modeling. The more precise their prediction, the more the factors influencing the losses will be determined. It will then be possible to envisage a more global optimization of the electromechanical chain. This thesis is a first step towards this global integration. The magnetic material characterization was done under various conditions. First, one-dimensional flux density B have been studied. The influence of their spectrum on iron losses was the major purpose of this characterization: amplitude or frequency influence in the case of sinusoidal fields and then harmonic frequency or harmonic phase influence for more complex spectrum. Iron losses are very sensitive to these parameters. Then, the proposed loss modelling goes through a reconstruction of the hysteresis cycle. Therefore, it consists in predicting B from the H field. Based on Play model, this scalar quasi-static modelling has shown its accuracy and predictability. However, being scalar and quasi-static prevent the model from any time-dependence. An analytical model of eddy currents and a dynamization proposal has been developed. With an eddy current model, frequency effects would be taken into account and thus would complete the quasi-static model.

Les Stations de Transfert d’Energie par Pompage (STEP) sont des structures importantes pour stabiliser le réseau électrique.Les technologies à vitesse variable peuvent améliorer l'efficacité et la souplesse d’utilisation des STEPs. Les technologies actuelles telles que les machines alimentées en fréquence variable, ou les Machines Asynchrone à Double Alimentations (MADA) présentent des inconvénients. Dans ce travail, nous nous concentrons sur une structure non conventionnelle de machine à vitesse variable : la Machine à Induction à Double Alimentation sans Balais (BDFM). Les objectifs sont de mieux comprendre le fonctionnement de cette machine pour la dimensionner, l’optimiser et finalement la comparer aux structures existantes.Après un examen des techniques de dimensionnement et d'optimisation des machines classiques, des approches similaires sont étudiées pour les BDFM. Deux méthodes différentes pour des simulations éléments finis plus rapides de la BDFM sont présentées : une première, la plus rapide mais qui ne considère pas le phénomène de saturation et une seconde basée sur le principe des simulations magnétoharmoniques. Une analyse harmonique minutieuse combinée à une comparaison de cas en charges (couplage-croisés) entre des simulations FE et les résultats obtenus avec des schémas équivalents obtenus dans la littérature conduit à une modification du circuit équivalent de la BDFM. Une nouvelle méthode pour déterminer les paramètres de ce circuit grâce à des essais électriques est ensuite présentée. La détermination des paramètres à partir de la géométrie est également abordée pour aboutir à un modèle semi-analytique dérivable. Un tel modèle, couplé à un algorithme d'optimisation du 1er ordre pourrait être extrêmement puissant lors du dimensionnement d'une BDFM. Le potentiel d'une telle approche est montré dans ce travail grâce à l'optimisation d'une machine à induction. / Pumped-hydro storage plants (PSP) are important assets to stabilize electric grids.Variable speed technologies can improve the cycle efficiency and the power adjustability of PSPs. Current technologies such as fully-fed machines or Doubly-Fed Induction Machines (DFIM) have drawbacks. In this work, the focus will be on an unconventional design of variable speed machine: the Brushless Doubly-Fed Induction Machine (BDFM). The objectives are to better understand the working principles of this machine so as to size it, optimize it, and compare it to other types of variable speed machines.Following a review of sizing and optimization techniques for conventional machines, similar approaches are investigated for BDFMs. Two different methods for faster Finite-Element (FE) simulations of the BDFM are presented: a fast one without saturation considerations and another one based on the principle of magneto-harmonic simulations. A careful harmonic analysis combined with a comparison of cross-coupling tests between FE simulations and results of equivalent circuit found in the literature will lead to a modification of the BDFM equivalent circuit. A new method to determine the parameters of thisequivalent circuit from electrical tests is presented. The parameters determination from the geometry will also be considered for the elaboration of a derivable semi-analytical model. Such a model, paired with a 1st order optimization algorithm could be extremely powerful during the sizing of a BDFM. The potential of such an approach is shown in this work with the optimization of an Induction Machine.

La prise en compte des pertes fer dans les machines électriques est une étape cruciale lors du processus de conception. L'objectif de ce travail a donc été de valider l'implémentation d'un modèle de pertes fer tout en effectuant une modélisation précise des machines électriques étudiées. Le choix s'est porté sur l'utilisation de modèles de calcul des pertes en post-traitement d'un code par éléments finis. Ainsi, différents modèles analytiques ont été comparés en régime sinusoïdal et non sinusoïdal (sans cycles mineurs) en termes de précision, afin de choisir le plus adapté pour une implantation dans code_Carmel. Par ailleurs, nous avons montré que la prise en compte des cycles mineurs peut être améliorée en remplaçant le terme classique de Steinmetz par un modèle d'hystérésis ou par un modèle analytique adapté. L'implémentation et la précision du modèle analytique ont été évaluées d'abord sur des systèmes simples puis sur plusieurs machines tournantes. La comparaison des résultats simulés avec les mesures issues des essais à vide montre une bonne concordance et démontre la capacité du modèle à estimer les pertes fer avec une bonne précision pour une large gamme de machines électriques et pour les deux types d'alimentations utilisés (sinusoïdale et MLI).

Le travail réalisé dans ce mémoire s’inscrit dans le cadre très large des études en compatibilité électromagnétique (CEM) de l’association convertisseur statique actionneur électrique. Il aborde la problématique de la CEM des machines électriques au travers de la modélisation prédictive des impédances de mode commun des moteurs électriques triphasés sur une large bande de fréquence, ainsi que certains aspects liés à l’apparition de tensions de roulements. Ce travail débute avec une identification par la méthode des éléments finis (EF) des paramètres qui régissent les chemins de propagation des courants de mode commun dans les parties métalliques des machines électriques : les tôles, la culasse, les flasques et l’arbre. Par la suite, un modèle circuit est élaboré pour la prédiction et la quantification de l’impédance de ces chemins. Cette première analyse a mis en évidence la prédominance des couplages capacitifs entre les enroulements statoriques et le stator. À cet effet, on propose dans une seconde partie un programme Matlab basé sur des formulations analytiques de capacitances qui permet de calculer automatiquement les différents couplages capacitifs ainsi que l’énergie électrostatique présente dans les encoches des machines à faible et moyenne puissance. Les prédictions analytiques obtenues présentent une bonne concordance avec les modèles numériques obtenus par EF et la mesure. Les conséquences de l’existence des capacités parasites de la machine sont illustrées au travers d’une étude sur l’apparition de la tension de palier dans un moteur synchrone à rotor bobiné de véhicule électrique. Le modèle simplifié, déduit de l’analyse électrostatique, permet de quantifier de façon satisfaisante les tensions observées qui induisent notamment la dégradation des chemins de roulement des paliers à billes. Dans les derniers chapitres, nous proposons une méthodologie de modélisation prédictive de l’impédance de mode commun des enroulements statoriques en prenant en considération l’ensemble des phénomènes inductifs et capacitifs. Un modèle électrique à paramètres discrets RLC, implantable dans un logiciel « circuit » de type Spice est généré - les paramètres géométriques et les propriétés des matériaux sont renseignés dans le modèle. Il permet de prédéterminer sans a priori l’impédance de mode commun d’une section d’enroulement expérimentale placée au stator d’une machine asynchrone sur une bande de fréquence de [10kHz -100 MHz]. Les résultats obtenus sont en concordance satisfaisante avec les résultats de mesure - d’autre part la méthodologie de modélisation développée, associée à des routines d’optimisation, permet d’envisager de contrôler les impédances de mode commun d’une machine électrique dès la phase de conception. / The research presented in this report addresses the problem of electromagnetic compatibility (EMC) in AC motors, which are supplied by PWM inverters, through the predictive modeling of the common mode impedance as well as aspect related to bearing voltage. We begin with identification of the parameters that govern the propagation path of common mode currents in the metallic parts of induction machines using finite element (FE) method. From analysis of the results, a circuit model was proposed to predict these propagation paths. The next chapter deals with the relationship between the existing parasitic capacitances and the development of the bearing voltage, which is responsible for premature failure of bearings. The study is realized on a wound-rotor synchronous motor with of an electric car. These approaches bring out the predominance of the capacitive coupling between the winding and the stator. For this reason, in the third chapter we developed a program based on analytical formulations, to automatically calculate the capacitive coupling as well as electrostatic energy within the slots of low and middle power machines. We find that the obtained results are in good agreement with FE calculation and the measurement. Finally, we propose a methodology for predictive modeling of common mode impedance of the stator windings taking into consideration all the inductive and capacitive phenomena. An electric model with lumped parameters RLC is then generated, which is implantable in SPICE type software. The prediction results are in good agreement with the measurement results on frequency band [10kHz - 100 MHz].

La pile à combustible se présente comme l'une des sources sûres du temps post pétrole ; cependant elle a du mal à s'imposer du fait de la non-maîtrise de nombreux aspects, notamment du système auxiliaire tel que le groupe moto-compresseur assurant l'alimentation en air de la pile, et qui consomme près de 20% de son énergie. Une meilleure maîtrise du système groupe moto-compresseur permettra d'accroître le rendement énergétique. La thèse présentée a été mené dans la continuité du projet du laboratoire SET de l'UTBM de mise en place d'une plate-forme Hardware-in-The-Loop (HIL) de conception de moto-compresseurs pour l'alimentation en air de pile à combustible PEMFC dédiée aux véhicules. La thèse a donc porté sur la modélisation d'un compresseur volumétrique de type Roots tri-lobes et du développement d'un modèle et du contrôle d'un système assurant l'alimentation en air d'une pile à combustible. Dans la première phase du travail, des études sont menées sur les différentes technologies de compresseurs (turbocompresseurs, compresseurs volumétriques) afin de voir leurs possibles intégrations dans un système d'alimentation en air d'une pile à combustible. Ces études montrent que même si le compresseur centrifuge et le compresseur scroll semblent être plus adaptés, le compresseur Roots-tri-lobes reste un candidat potentiel du fait de ces nombreux avantages : efficacité volumétrique, rendement, compacité, peu d'émission sonore, etc. La seconde phase porte sur le développement d'un modèle du compresseur Roots tri-lobes basé sur la détermination analytique des volumes de contrôle et de toutes les sections de fuite en fonction de l'angle de rotation avec un minimum d'hypothèses simplificatrices. Un modèle thermodynamique est associé au modèle géométrique afin de déterminer les autres grandeurs tels que la pression (P), la température (T) et les débits massiques (q). Le modèle est implémenté en VHDL-AMS pour la simulation. La troisième phase permet de valider le modèle, en mettant en place un banc d'essais dimensionné, automatisé, équipé de capteurs et un système d'acquisition et de commande dSPACE. Les résultats simulés comparés à l'expérimentation montrent des résultats très satisfaisant. La dernière phase de ces travaux consiste à la modélisation d'un système d'alimentation en air à partir d'éléments constitutifs de base c'est-à-dire : le compresseur Roots tri-lobes, le collecteur, et une vanne. Le modèle ainsi conçu est validé à partir du même banc d'essais, mais cette fois avec l'ajout d'une vanne papillon pour le contrôle de la pression. Deux dispositifs de contrôle à savoir : proportionnel intégral et la logique floue sont proposés pour le contrôle du système. L'implémentation des contrôleurs sur le banc d'essais permet de valider les travaux de modélisation et de simulation.

Dans un contexte ou la question de la préservation de l'environnement est devenue un sujet sociétal majeur, la recherche de nouvelles technologies pour remplacer la voiture à essence constitue un véritable enjeu industriel. Les véhicules hybrides et électriques sont une alternative prometteuse aux véhicules conventionnels. Ce travail de thèse porte sur la conception et l'optimisation des machines électriques pour la motorisation de ces voitures. Au cours de ces travaux, nous avons développé une nouvelle méthodologie de dimensionnement et d'optimisation des machines synchrones à double excitation. L'intérêt de cette méthode est son bon compromis entre la précision et le temps de calcul et sa capacité d'adaptation à plusieurs types de machines. Le second volet de la thèse est consacré à la proposition d'une nouvelle structure de machine synchrone à rotor bobiné. Une technique originale de compensation de la réaction magnétique d'induit est mise en place, elle consiste en l'insertion d'aimants secondaires permettant de créer un flux dans l'axe q de la machine. Ce dernier a pour rôle d'affaiblir le flux de la réaction magnétique d'induit.

Les modèles numériques, de plus en plus utilisés en tant que prototypes virtuels, requièrent la connaissance de paramètres d'entrée comme les dimensions géométriques, les caractéristiques physiques des matériaux et les sollicitations externes. Les modèles numériques disponibles actuellement sont très proches de la physique qu'il représente et les écarts que l'on constate avec la réalité peuvent maintenant incomber en partie à une méconnaissance des paramètres d'entrée. L'approche probabiliste qui consiste à modéliser les quantités incertaines par des variables ou champs aléatoires est la solution qui a été retenue dans cette thèse pour prendre en compte les incertitudes d'origine géométrique. Pour résoudre le problème, la méthode de transformation, permettant de ramener un problème aux incertitudes portées par la géométrie à un problème aux incertitudes portées par les lois de comportement, a été choisie. Comme il existe une infinité de transformations possibles, différentes méthodes de détermination de la transformation ont été mises en œuvre et comparées. En particulier, un estimateur d'erreur a-priori a été proposé de manière à dégager des critères de choix. Il a été aussi montré que la méthode de transformation peut prendre en compte naturellement des discontinuités au niveau stochastique des grandeurs locales. Enfin, la méthode étudiée a été employée pour étudier l'influence des incertitudes géométriques d'un stator sur les performances d'une machine électrique. Cette étude s'appuie sur un ensemble de mesures faites sur un lot de stators.