Le rétablissement d’un couple constant dans une machine polyphasée synchrone à aimants est décrit quand son alimentation statorique est dégradée par l’ouverture d’une ou plusieurs phases. Le chapitre un dresse un état de l’art des modélisations et des commandes des machines polyphasées dans un entraînement électromécanique, en mode normal et dégradé. Les outils de modélisation polyphasés du L2EP permettent une décomposition en machines fictives qui aboutit à une commande pour les deux modes de fonctionnement utilisant la Représentation Énergétique Macroscopique (REM). Il est enfin établi que ces méthodes de correction du couple sont inadaptées pour un grand nombre de phases. Le chapitre deux établit une modélisation causale de l’entraînement utilisable en fonctionnement normal et dégradé. La dégradation engendre des perturbations fréquentielles des courants dans les machines fictives. La correction du couple consiste alors à adapter les nombres de degrés de liberté de la commande et de l’entraînement dégradé, puis d’éliminer ces perturbations. À basse vitesse, les correcteurs PI réglés pour le fonctionnement normal sont suffisants, mais de meilleures performances à vitesse élevée utilisent des correcteurs résonants supplémentaires. Les courants perturbés non corrigés sont rejetés dans une machine fictive qui ne produit aucun couple grâce à un profil de f.e.m. approprié. La validation du modèle de la dégradation et de la méthode sur une machine heptaphasée répondant aux hypothèses sont satisfaisantes. Le bilan de la méthode de rétablissement du couple est enfin dressé pour une machine conçue pour un fonctionnement en dégradé et évoque le cas de machines moins spécifiques. / This work describes a constant torque control method in a multiphase permanent magnet synchronous machine under open-circuited fault supply conditions. The chapter one draws up a state of the art of the modellings and the controls of the multiphase machines used in electromechanical drive, in normal mode as degraded supply mode. The multiphase modelling methodologies of the L2EP laboratory applied to multiphase machines reveals the decomposition in several fictitious machines and their control are deduced from the Energetic Macroscopic Representation (EMR) for the two supply modes. It is finally established that these methods of torque correction are unsuited for a large number of phases. The chapter two establishes a causal modelling of the drive usable in normal and fault mode. Degradation generates frequency disturbances of the currents in the fictitious machines. The torque correction then consists in adapting the numbers of degrees of freedom of the command and the degraded drive, then to eliminate these disturbances. At low speed, pi-controllers tuned for the normal operating are sufficient, but better performances at high speed use additional resonant controllers. The not corrected disturbed currents are rejected into a fictitious machine that does not produce any torque thanks to a suitable emf profile. The validation of the degradation model and the methodology on a seven-phase machine answering the assumptions are satisfactory. The method assessment of torque re-establishment is finally drawn up for a machine designed for fault-mode operating and evokes the less specific case of machines.

Dans les avions et lanceurs, des systèmes entraînés par l’énergie hydraulique, mécanique ou pneumatique sont progressivement remplacés par des systèmes électriques pour des raisons techniques et industrielles. Cependant, ces nouveaux systèmes doivent répondre aux contraintes économiques et de poids concernant ces domaines tout en garantissant une certaine fiabilité. Dans ce contexte industriel, des topologies innovantes multi-machines multi-convertisseurs à haut niveau de fiabilité sont comparées ici à des structures plus standards toujours tolérantes aux défaillances. Ainsi, des topologies avec des machines polyphasées couplées électriquement en série ont été choisies pour ce travail de thèse. La mise en série permet la mutualisation des bras d’onduleurs, réduisant ainsi leur nombre, et augmente la résistance totale du système. La valeur crête du courant est alors réduite lors de l’apparition de certains défauts avec, comme contrepartie, une augmentation inéluctables des pertes Joule globales. Pour que le contrôle de ces machines couplées électriquement en série soit indépendant, il est mis en évidence pourquoi le nombre de phase de ces machines doit être supérieur à 3 et avec de plus une connexion électrique spéciale permutant les phases. Une nouvelle topologie brevetée est tout particulièrement étudiée et testée expérimentalement. Apres validation du concept, des stratégies de contrôle plus complexes et des reconfigurations de la commande après le défaut sont appliquées afin de juger des potentialités d’amélioration des systèmes Pour les comparaisons, des simulations et des essais expérimentaux ont été réalisés. Les critères choisis pour cette comparaison ont été la puissance de dimensionnement de l’onduleur, servant d’image de son coût et de son poids, les pertes Joule et le couple pulsatoire, tous les trois pour un fonctionnement en mode dégradé. / In airplanes and launch vehicles, hydraulics, mechanical and pneumatic systems are progressively being replaced by electric systems for technical and industrial reasons. However, these new electric systems have to take into account the economical and weight reliability constraints of the aeronautics industry, ensuring the required reliability. Therefore, novel high reliability multi-machine and multi-converter topologies are compared to standard structures looking forward to find solutions that can be industrially implemented. Then, series-coupled machine topologies were chosen for this work. The series-coupling mutualizes the inverter legs, reducing their number, and increases the total electrical resistance of the system. As a consequence, the peak-current after the occurrence of certain faults is reduced, but the total copper losses are higher. In order to independently control the series-coupled machines, it is highlighted the reason why the number of phases must be higher than 3 and with a special electric coupling that permutes the machine’s phases. A new patented topology is deeply analyzed with experimental tests. After a validation of the studied system, more complex control strategies and control reconfiguration after a fault are also implemented in order to evaluate the potential improvements on the system performance in degraded mode. Simulation and experimental results were used on this study. For this analysis the dimensioning power of the inverter, the copper losses and the torque ripple, all of them in degraded mode, are the compared criterions.

Cette thèse est un travail de modélisation, commande, observation et simulation des systèmes électriques multimachines. L'aspect nouveau est constaté au niveau de l'utilisation de l'observation d'état pour la commande en vue d'améliorer l'amortissement des systèmes électriques multimachines. Ce sujet est un sujet actuel et intéressant surtout avec le développement des réseaux de distribution. Des nouvelles sources, surtout les éoliennes, se trouvent en cogénération avec d'autre sources traditionnelles dans le même réseau ce qui met en question sa stabilité transitoire et dynamique. Cette thèse focalise sur l'impact de l'éolienne à vitesse variable sur le la stabilité du réseau électrique multimachine. L'éolienne, comme une source fluctuante, sera présentée, dans cette thèse, comme une source de perturbation qui influence la stabilité dynamique du réseau. Cette perturbation est liée directement à la commande de l'éolienne. L'éolienne est à machine asynchrone à vitesse variable commandée par orientation du flux statorique ou rotorique. Pour une telle commande la mesure du couple total est indispensable alors qu'il est difficilement mesurable. Dans ce contexte, un nouvel estimateur du couple total est discuté afin d'élaborer la commande. Nous comparerons entre trois types d'éolienne ; à MAS à vitesse fixe, variable et à MADA. Dans cette thèse, le modèle linéaire du système électrique multimachine sera obtenu en vue de la commande. Le modèle de l'éolienne ne sera pas inclus dans le modèle du réseau et l'éolienne sera considérée comme une charge passive. L'objectif final est d'améliorer les comportements dynamiques du système avec une commande par retour d'état statique. La commande et l'observateur d'état seront conçus par plusieurs méthodes très intéressantes parmi lesquelles la méthode LMI.

Modern power systems operate much closer to their stability limits than before. With the introduction of highly sensitive industrial and residential loads, the loss of system stability becomes increasingly costly. Reinforcing the power grid by installing additional transmission lines, creating more complicated meshed networks and increasing the voltage level are among the effective, yet expensive solutions. An alternative approach is to improve the performance of the existing power system components by incorporating more intelligent control techniques. This can be achieved in two ways: introducing intelligent local controllers for the existing components in the power network in order to employ their utmost capabilities, and implementing global intelligent schemes for optimizing the performance of multiple local controllers based on an objective function associated with the overall performance of the power system. Both these aspects are investigated in this thesis. In the first section, artificial neural networks are adopted for designing an optimal nonlinear controller for a static compensator (STATCOM) connected to a multimachine power system. The neurocontroller implementation is based on the adaptive critic designs (ACD) technique and provides an optimal control policy over the infinite horizon time of the problem. The ACD based neurocontroller outperforms a conventional controller both in terms of improving the power system dynamic stability and reducing the control effort required. The second section investigates the further improvement of the power system behavior by introducing an ACD based neurocontroller for hierarchical control of a multimachine power system. The proposed wide area controller improves the power system dynamic stability by generating optimal control signals as auxiliary reference signals for the synchronous generators automatic voltage regulators and the STATCOM line voltage controller. This multilevel hierarchical control scheme forces the different controllers throughout the power system to optimally respond to any fault or disturbance by reducing a predefined cost function associated with the power system performance.

Durant ces dernières décennies, le moteur synchrone à aimants permanents (MSAP) est devenu un actionneur essentiel pour les applications militaires, industrielles et civilesgrâce à ses avantages de haute densité de puissance, de rendement élevé, de grande fiabilité avec une structure simple, un faible volume et un poids réduit. Parfois, plusieurs MSAP sont utilisés pour effectuer des tâches coopératives. Par exemple le boggie d'une locomotive ou encore les surfacesde vol d'un avion. Ces MSAP fonctionnent généralement à la même vitesse. Pour réduire le volume et le poids, une idée de mutualisation des dispositifs de conversion statique, appelée système Multi-MSAP Mono-Convertisseur (MIMSAPMC), est proposée. Bien que de nombreux chercheurs aient déjà proposé différentes solutions de contrôle pour le système MIMSAPMC, la plupart d'entre eux ne garantissent pas la stabilité et l'efficacité énergétique du système. Ceci estdevenu le plus grand obstacle à l'utilisation pratique du MIMSAPMC. A cet effet et en commençant par un système MIMSAPMC avec 2 moteurs nous avons testé expérimentalement quelques stratégies de commande pour en vérifier la faisabilité et les performances. Sur la base des données mesurées, nous avons constaté que le problème de sur-contraintes existe dans certaines stratégies de contrôle. Ensuite, la synthèse d’une commande basée sur un modèle en régime permanent d'un système MIMSAPMC est réalisée. En étudiant le problème d'existence du régime permanent, nous formulons une procédure de conception de la structure de la loi de commande. En combinant la stabilité en boucle ouverte et la solution en régime permanent, nous définissons alors la région de contrôlabilité et de stabilité. La méthode des multiplieurs de Lagrange est ensuite utilisée pour formuler l'expression de l'état d'équilibre optimal en fonction ducouple et de la vitesse. L'expérience a montré que l'efficacité avec cette nouvelle loi de commande s’est considérablement améliorée. Dans le même temps, nous avons exploré l'influence de la variation des paramètres pour la stabilité du système et pour l'optimisation de l'efficacité. Ainsi, nous montrons que la variation paramétrique influence la zone de stabilité. Mais son influence peut être éliminée en utilisant la stratégie Maitre-Esclave. Par ailleurs, en ce qui concerne l'optimisation de l'efficacité énergétique, les résultats de simulation ont montré que la non-concordance des paramètres, en particulier le flux de l’aimant, peut entraîner une perte d'efficacité élevée. Dans la dernière étape, ce contrôleur est également adapté à un système MIMSAPMC avec un nombre de moteurs supérieurs à 2. Les résultats de la simulation démontrent alors l'efficacité de la proposition. / During these decades, Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) has become a vital part of military, industry and civil applications due to the advantages of high power density, high efficiency, high reliability and simple structure, small volume and light weight. Sometimes, multiple PMSMs are used to carry out cooperative functions. For example, the bogie of a locomotive, the flight control surface of an airplane. These PMSMs usually operates at the same speed. To reduce the volume and weight, an idea of sharing the static power conversion devices, which is called Mono-Inverter Multi-PMSM system (MIMPMSM), is raised. Although many researchers have given different controller solutions for the MIMPMSM system, most of them are not clear in the aspects of system stability and efficiency issues. This has become the biggest obstacle to the practical use of MIMPMSM. Oriented with these problems, starting with a MIMPMSM system with 2 motors, in the first step, we have tested some control strategies by an experiment to verify the feasibility and performance of them. In final, based on the experiment data, we have figured that the overconstraint problem exists in some control strategies. Then, an analysis and controller design based on steady-state model of a Mono-Inverter Dual-PMSM (MIDPMSM) system is carried out.By studying the solution existence problem of the steady-state model, we give out the design guideline to the controller structure. Combining the open-loop stability and steady-state solution, the region of controllability and stability is obtained. Lagrange Multiplier is used develop theexpression of efficiency-optimal steady-staterelated to torque and speed. The experiment has shown that the efficiency of the new controller has improved significantly. Meanwhile, we have explored the influence of parameter variation in system stability and efficiency-optimization. The variation will influence the stability region. But its influence can be eliminated by using Master- Slave strategy. On the other hand, in the aspect of efficiency optimization, the simulation results have shown that parameter mismatch, especially the permeant flux, can cause high efficiency loss. In the last step, this controller is also adapted to a MIMPMSM system with more than two motors. The simulation results demonstrate the effectiveness.

Cette thèse a pour objet le développement d'outils de conception de machines polyphasées à pôles lisses alimentées par onduleur de tension à modulation de largeur d'impulsion. Basée sur la décomposition multimachine de la machine polyphasée en une somme de machines fictives magnétiquement découplées et mécaniquement couplées, l'approche adoptée consiste à étudier le problème de l'adaptation convertisseur-machine en reportant les objectifs sur les machines fictives. Une représentation matricielle du bobinage polyphasé, le développement d'un modèle de calcul analytique du champ et l'introduction de la Transformée de Fourier Discrète permettent d'associer aux machines fictives un bobinage et une couche d'aimants. Les objectifs et contraintes liés à la réduction des courants arasites et à l'amélioration de la qualité du couple peuvent alors être formulés directement sur des grandeurs fictives, ce qui permet de déduire des démarches de conception optimale.

Afin de rendre les machines synchrones à aimants permanents plus attractives pour l'aéronautique (actionneurs de commande de vol, systèmes de freinage, train d'atterrissage ...), il peut être intéressant de réduire le nombre de modules d'électronique de puissance utilisés en les mutualisant. De nombreuses études ont été réalisées pour des systèmes composés de plusieurs machines asynchrones et principalement en traction ferroviaire, mais peu concernent les machines synchrones. Après avoir étudié différentes structures envisageables, les travaux développés lors de cette thèse présentent une étude originale d'un système composé de deux machines synchrones à aimants permanents connectées en parallèle sur un onduleur unique mutualisé. Ces machines ont des caractéristiques identiques ou proches et doivent être pilotées à la même vitesse. La structure de commande retenue lors de cette thèse est de type maître-esclave: seule une des deux machines est autopilotée (la machine maître), l'autre (la machine esclave) fonctionnant en boucle ouverte. Afin d'assurer la stabilité d'un tel système, le synchronisme des deux moteurs doit toujours être respecté. Une stratégie de commande, qui choisit quel est le moteur maître, en prenant en compte la variation des paramètres internes et externes du système, est alors instaurée. Dans ces conditions, les évolutions théoriques des différentes variables sont déterminées. Pour valider ces résultats, un processus expérimental est mis en place. Les nombreux résultats obtenus en simulation et expérimentalement permettent alors de confirmer les résultats théoriques: que ce soient les paramètres mécaniques ou électriques qui varient, la stabilité du système est toujours garantie. Le cas supplémentaire où les deux machines déplacent une charge mécanique commune avec une liaison mécanique rigide entre les deux machines, est finalement développé. Une autre stratégie de commande, dont la structure et les résultats sont également présentés dans cette thèse, est alors nécessaire. / To make permanent magnet synchronous machines more attractive for aerospace (flight control actuators, braking systems, landing gear ...), it may be advantageous to reduce the number of power electronic modules used in the pooling. Many studies have been performed for systems composed of several machines and asynchronous traction primarily, but little concern synchronous machines. After considering various possible structures, this Ph.D. thesis presents an original study of a system consisting of two permanent magnet synchronous machines connected in parallel on a single shared inverter. These machines have characteristics identical or similar and must be driven at the same speed. The control structure chosen in this Ph.D. thesis is a master-slave : only one machine, called master machine is self-piloted, the other (the slave machine) operating in open loop. To ensure the stability of such a system, the timing of the two engines should always be respected. A control strategy, which selects which is the master motor, taking into account the variation of internal and external parameters of the system is then introduced. Under these conditions, the theoretical developments of the different variables are determined. To validate these results, an experimental process is established. The numerous results obtained in simulation and experiments are then used to confirm the theoretical results : whatever the mechanical or electrical parameters variation, system stability is always guaranteed. The additional case, when both machines move a mechanical load with a common rigid mechanical connection between two machines, is finally developed. Another required control strategy, the structure and the results are also presented in this Ph.D. thesis.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work aims to analyze the dynamic performance of a synchronous generator and its controls in a distributed generation system, as well as evaluate the impacts of its operation when connected to the distribution grid, using for this task the ATPDraw interface/tool of software ATP. Within this context, it is firstly necessary to obtain suitable models to represent the synchronous machine control systems (voltage regulator, speed governor and stabilizer system) in ATPDraw. Furthermore, for stability analysis, it is developed a mathematical technique to calculate the machine power angle which is represented in ATPDraw by a device (icon). The adjustments of voltage and speed control system parameters are performed by some adopted procedures which are verified using two electric systems: the first one with a synchronous generator connected to the distribution grid; and the second with three distinct generators forming a multimachine system. In these systems some disturbances are applied such as load shedding and short-circuit to accomplish the studies. Finally, with the previous results, it is carried out some dynamic performance studies of a synchronous generator of an independent producer connected to a distribution grid so as to assess aspects of power quality (voltage magnitude), stability and to evaluate the influence of machine controls during the system response for a given load shedding. / Este trabalho tem como objetivo analisar o desempenho dinâmico de um gerador síncrono e seus controles, num sistema de geração distribuída, assim como avaliar os impactos causados por este quando da sua operação conectado às redes de distribuição, utilizando a interface ATPDraw do software ATP. Neste contexto, é primeiramente necessário obter modelos adequados para representar os sistemas de controle da máquina síncrona (regulador de tensão e regulador de velocidade e estabilizador do sistema) no ATPDraw. Além disso, para análise de estabilidade é desenvolvido uma técnica matemática para o cálculo do ângulo de potência da máquina a qual é representada no ATPDraw por um dispositivo (ícone). Para ajustar os parâmetros dos sistemas de controle de tensão e de velocidade são apresentados alguns procedimentos adotados, sendo estes verificados por meio de dois sistemas elétricos: o primeiro com um gerador síncrono conectado a uma rede de distribuição; e o segundo composto por três geradores distintos formando um sistema multimáquinas. Nesses sistemas são aplicados distúrbios do tipo rejeição de carga e curto-circuito para realização dos estudos. Finalmente, com os resultados obtidos anteriormente, são realizados estudos do desempenho dinâmico de um gerador síncrono de um produtor independente, conectado a rede de distribuição, para avaliar aspectos de qualidade de energia (magnitude de tensão), de estabilidade e verificar as influências dos controles da máquina durante a resposta do sistema para uma dada rejeição de carga. / Mestre em Ciências