Cette thèse présente l’étude d’une machine électrique à stator à flux transverse à griffes. Après une étude du SMC et des structures à flux transverse, une structure associant un stator à griffes à un rotor à aimants permanents est choisie. Un modèle de la machine par réseau de réluctances est développé, en s’appuyant sur des simulations éléments finis. Il est ensuite amendé par l’introduction d’hypothèses d’inclinaison de flux dans l’entrefer, puis il est validé par le test d’un prototype. L’architecture est alors optimisée après une analyse détaillée de la circulation des flux, qui permet d’identifier le problème de la saturation du pied de dents. Après des simulations éléments finis de la machine améliorée, un prototype est ensuite testé qui confirme l’apport de la nouvelle architecture.Une version alternative de la machine, avec un bobinage d’excitation au stator et un rotor massif est ensuite proposée. Cette machine promet une fabrication économique et une bonne robustesse. Un modèle analytique est proposé, accompagné d’une étude éléments finis, puis pour finir un prototype est testé. Une version améliorée de cette machine avec un rotor à dents isolés est ensuite proposée : un modèle analytique et des études éléments finis permettent de valider l’intérêt de cette évolution. / This thesis presents the study of a claw-pole transverse flux electric machine. At first, SMC material properties and transverse flux structures are studied, leading to the choice of a structure combining a claw-pole stator and a permanent magnet rotor. The machine is modelled by the means of a magnetic equivalent circuit, with a reluctance network, developed with the help of finite elements simulation. The model is then changed with the introduction of the hypothesis that the flux is bent inside the airgap; it is then validated by the test of a prototype.The architecture of the machine is optimized after a detailed analysis of the flux circulation, leading to the identification of the tooth-tip saturation issue. After finite element simulation of the improved machine, a prototype is later tested, which confirms the gain brought by the new architecture.An alternative version of the machine, with a field winding attached to the stator and a massive rotor is then proposed. This machine promises to be cost-effective to build and robust thanks to its massive rotor. An analytical model of the machine is introduced, along with a finite element simulation, to end with the test of a prototype which confirms the possibilities of this new concept. An improved version of the machine with a rotor with isolated teeth is finally studied, with an analytical model and a finite element leading to the validation of the interest of this evolution.

L'intérêt pour les véhicules électriques ne cesse de croitre au sein de la société contemporaine compte tenu de ses nombreuses interrogations sur l’environnement et la dépendance énergétique. Dans ce travail de thèse, nous essayons d’améliorer l’acceptabtabilité sociétale du véhicule électrique en essayant de faire avancer la recherche sur le diagnostique des défauts d’une chaine de traction électrique. Les résultats escomptés devraient permettre à terme d’améliorer la fiabilité et la durabilité de ces systèmes.Nous commençons par une revue des problèmes des défauts déjà apparus dans les véhicules hybrides séries qui disposent de l’architecture la plus proche du véhicule électrique. Une étude approfondie sur le diagnostic des défauts d’un convertisseur de puissance statique (AC-DC) ainsi que celle du moteur synchrone à aimants permanents est menée. Quatre types de défauts majeurs ont été répertoriés concernant le moteur (court-circuit au stator, démagnétisation, excentricité du rotor et défaut des roulements). Au niveau du convertisseur, nous avons considéré le défaut d’ouverture des interrupteurs. Afin d’être dans les mêmes conditions d’utilisation réelle, nous avons effectué des tests expérimentaux à vitesse et charge variables. Ce travail est basé aussi bien sur l’expérimentation que sur la modélisation. Comme par exemple, la méthode des éléments finis pour l’étude de la démagnétisation de la machine. De même, l’essai en court-circuit du stator du moteur en présence d’un contrôle vectoriel.Afin de réaliser un diagnostic en ligne des défauts, nous avons développé un modèle basé sur les réseaux de neurones. L’apprentissage de ce réseau de neurone a été effectué sur la base des résultats expérimentaux et de simulations, que nous avons réalisées. Le réseau de neurones est capable d'assimiler beaucoup de données. Ceci nous permet de classifier les défauts en termes de sévérité et de les localiser. Il permet ainsi d'évaluer le degré de performance de la chaine de traction électrique en ligne en présence des défauts et nous renseigner ainsi sur l'état de santé du système. Ces résultats devraient aboutir à l’élaboration d’une stratégie de contrôle tolérant aux défauts auto-reconfigurable pour prendre en compte les modes dégradés permettant une continuité de service du véhicule ce qui améliorera sa disponibilité. / The interest in the electric vehicles rose recently due both to environmental questions and to energetic dependence of the contemporary society. Accordingly, it is necessary to study and implement in these vehicle fault diagnosis systems which enable them to be more reliable and safe enhancing its sustainability. In this work after a review on problem of faults in the drivetrain of series hybrid electric vehicles (SHEV), a deep investigation on fault diagnosis of AC-DC power converter and permanent magnet synchronous motor (PMSM) have been done as two important parts of traction chains in SHEVs. In other major part of this work, four types of faults (stator winding inter turn short circuit, demagnetization, eccentricity ant bearing faults) of a PMSM have been studied. Inter turn short circuit of stator winding of PMSM in different speeds and loads has been considered to identify fault feature in all operation aspects, as it is expected by electric vehicle application. Experimental results aiming short circuits, bearing and eccentricity fault detection has been presented. Analytical and finite element method (FEM) aiming demagnetization fault investigation has been developed. The AC-DC converter switches are generally exposed to the possibility of outbreak open phase faults because of troubles of the switching devices. This work proposes a robust and efficient identification method for data acquisition selection aiming fault analysis and detection. Two new patterns under AC-DC converter failure are identified and presented. To achieve this goal, four different level of switches fault are considered on the basis of both simulation and experimental results. For accuracy needs of the identified pattern for SHEV application, several parameters have been considered namely: capacitor size changes, load and speed variations. On the basis of the developed fault sensitive models above, an ANN based fault detection, diagnosis strategy and the related algorithm have been developed to show the way of using the identified patterns in the supervision and the diagnosis of the PMSM drivetrain of SHEVs. ANN method have been used to develop three diagnosis based models for : the vector controlled PMSM under inter turn short circuit, the AC/DC power converter under an open phase fault and also the PMSM under unbalanced voltage caused by open phase DC/AC inverter. These models allow supervising the main components of the PMSM drivetrains used to propel the SHEV. The ANN advantages of ability to include a lot of data mad possible to classify the faults in terms of their type and severity. This allows estimating the performance degree of that drivetrains during faulty conditions through the parameter state of health (SOH). The latter can be used in a global control strategy of PMSM control in degraded mode in which the control is auto-adjusted when a defect occurs on the system. The goal is to ensure a continuity of service of the SHEV in faulty conditions to improve its reliability.

This thesis deals with a system for operation of directly driven offshore wave energy converters. The work that has been carried out includes laboratory testing of a permanent magnet linear generator, wave energy converter mechanical design and offshore testing, and finally design, implementation, and offshore testing of an underwater collector substation. Long-term testing of a single point absorber, which was installed in March 2006, has been performed in real ocean waves in linear and in non-linear damping mode. The two different damping modes were realized by, first, a resistive load, and second, a rectifier with voltage smoothing capacitors and a resistive load in the DC-link. The loads are placed on land about 2 km east of the Lysekil wave energy research site, where the offshore experiments have been conducted. In the spring of 2009, another two wave energy converter prototypes were installed. Records of array operation were taken with two and three devices in the array. With two units, non-linear damping was used, and with three units, linear damping was employed. The point absorbers in the array are connected to the underwater substation, which is based on a 3 m3 pressure vessel standing on the seabed. In the substation, rectification of the frequency and amplitude modulated voltages from the linear generators is made. The DC voltage is smoothened by capacitors and inverted to 50 Hz electrical frequency, transformed and finally transmitted to the on-shore measuring station. Results show that the absorption is heavily dependent on the damping. It has also been shown that by increasing the damping, the standard deviation of electrical power can be reduced. The standard deviation of electrical power is reduced by array operation compared to single unit operation. Ongoing and future work include the construction and installation of a second underwater substation, which will connect the first substation and seven new WECs.

This work presents the direct torque control (DTC) techniques, implemented in four- and six-switch inverter, for brushless dc (BLDC) motors with non-sinusoidal back- EMF using two and three-phase conduction modes. First of all, the classical direct torque control of permanent magnet synchronous motor (PMSM) with sinusoidal back-EMF is discussed in detail. Secondly, the proposed two-phase conduction mode for DTC of BLDC motors is introduced in the constant torque region. In this control scheme, only two phases conduct at any instant of time using a six-switch inverter. By properly selecting the inverter voltage space vectors of the two-phase conduction mode from a simple look-up table the desired quasi-square wave current is obtained. Therefore, it is possible to achieve DTC of a BLDC motor drive with faster torque response while the stator flux linkage amplitude is deliberately kept almost constant by ignoring the flux control in the constant torque region. Third, the avarege current controlled boost power factor correction (PFC) method is applied to the previously discussed proposed DTC of BLDC motor drive in the constant torque region. The test results verify that the proposed PFC for DTC of BLDC motor drive improves the power factor from 0.77 to about 0.9997 irrespective of the load. Fourth, the DTC technique for BLDC motor using four-switch inverter in the constant torque region is studied. For effective torque control in two phase conduction mode, a novel switching pattern incorporating the voltage vector look-up table is designed and implemented for four-switch inverter to produce the desired torque characteristics. As a result, it is possible to achieve two-phase conduction DTC of a BLDC motor drive using four-switch inverter with faster torque response due to the fact that the voltage space vectors are directly controlled.. Finally, the position sensorless direct torque and indirect flux control (DTIFC) of BLDC motor with non-sinusoidal back-EMF has been extensively investigated using three-phase conduction scheme with six-switch inverter. In this work, a novel and simple approach to achieve a low-frequency torque ripple-free direct torque control with maximum efficiency based on dq reference frame similar to permanent magnet synchronous motor (PMSM) drives is presented.

Im Rahmen der Dissertation wurde das Phänomen der Wechselwirkungsdomänen sowohl experimentell als auch unter Zuhilfenahme mikromagnetischer Simulationen untersucht. Gegenstand der Untersuchungen waren einphasige NdFeB-Magnete, die durch Heißpressen und anschließender Warmumformung hergestellt wurden. Zusätzlich wurden über den gleichen Herstellungsweg Kompositproben aus NdFeB und Fe mit unterschiedlichen Partikelausgangsgrößen erhalten und studiert. Korrelationsuntersuchungen verschiedener Messmethoden haben gezeigt, dass im thermisch entmagnetisierten Zustand die Grenzen der Wechselwirkungsdomänen an der Oberfläche größtenteils entlang von Korngrenzen verlaufen. Mittels in-situ MFM wurden erstmalig Untersuchungen von Wechselwirkungsdomänen an massiven NdFeB-Magneten im Magnetfeld durchgeführt. Die Ummagnetisierung erfolgt dabei über die Bewegung der Domänengrenze durch schrittweises Wandern von einer Korngrenze zur benachbarten. Die Beweglichkeit der Domänengrenzen ist durch das Haften an den Korngrenzen gehemmt, was sich in der geringeren Suszeptibilität der warmumgeformten Magnete im Vergleich zu Sintermagneten bemerkbar macht. Aufgrund der eingestellten Mikrostruktur in den warmumgeformten Magneten kann folglich gesagt werden, dass die Ummagnetisierungsprozesse sowohl Merkmale von klassischen Nukleations-, als auch von klassischen Pinningmagneten aufweisen. Mit Hilfe von mikromagnetischen Simulationen konnte eine Eindomänenteilchengröße prismatischer Partikel mit quadratischer Grundfläche ermittelt werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der Winkel des Streufeldvektors eine entscheidende Rolle bei Ummagnetisiserungsprozessen in solchen Partikeln spielt. Die Superposition des Streufeldvektors mit dem Vektor des angelegten Feldes führt zu einem Gesamtfeldvektor, dessen Winkelabhängigkeit ein Stoner-Wohlfarth ähnliches Verhalten zeigt.

Οι συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις σε ηλεκτρική ενέργεια από τη μια, και η ραγδαία κλιματική αλλαγή από την άλλη οδηγούν στην ανάγκη για παραγωγή ενέργειας χαμηλού κόστους, περιβαλλοντικά φιλική και υψηλής ποιότητας, η οποία μπορεί να επιτευχτεί με κατανεμημένα συστήματα παραγωγής. Έτσι οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας αποκτούν μεγάλο ενδιαφέρον για τον στόχο αυτό, αλλάζοντας τόσο ευρωπαϊκό όσο και τον παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη. Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας μας δίνει πολλές επιλογές για μας επιτρέπει την αντικατάσταση των κλασικών επαγωγικών μηχανών, σύγχρονων και ασύγχρονων, με μηχανές νέας τεχνολογίας. Μια τέτοια μηχανή είναι η σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη. Τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν, όπως υψηλή πυκνότητα ισχύος, υψηλή ροπή, ευκολία στον έλεγχο, με σχετικά χαμηλό κόστος, μικρότερο μέγεθος και αρκετά άλλα, τις έκαναν να χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές προσελκύοντας πολύ το ενδιαφέρον των ερευνητών και της βιομηχανίας. Έτσι στη συγκεκριμένη εργασία ασχολούμαστε με τη μη γραμμική ανάλυση και τη δυναμική συμπεριφορά σύγχρονης μηχανής μόνιμου μαγνήτη. Ξεκινώντας από λεπτομερή, μη γραμμικά μοντέλα για την ΣΜΜΜ, και με τη χρήση του μετασχηματισμού Παρκ, την αναλύσαμε στο στρεφόμενο σύστημα κάθετων αξόνων d-q. Στη συνέχεια, εφαρμόζοντας την κατάλληλη μέθοδο ελέγχου, ελέγξαμε ρεύματα, ροπή, ταχύτητα. Τέλος, από τις προσομοιώσεις του μοντέλου που σχεδιάσαμε στο Simulink του Matlab, εξάγαμε συμπεράσματα. / The ongoing increase in electric power demand from one, and the rapid climate change on the other, lead to the need for low-cost energy production, environmentally friendly and high quality, which can attain with distributed generation systems. So, Renewable Energy Sources acquire great interest for this objective, changing both the European and the global energy map. The rapid evolution of technology gives us many options allows us to replace the classical induction machines, synchronous and asynchronous, with new technology engines. Such a machine is the permanent magnet synchronous machine. The advantages that afford, such as high power density, high torque, easy control, with relatively low cost, smaller size and several others, made them used in many applications attracting much interest among researchers and industry. So, at this thesis we deal with the non-linear analysis and dynamics permanent magnet synchronous machine. Starting from detailed, non-linear models for PMSM, and using the Park transformation, we analyse it at a rotating system with vertical axes dq. Then, applying the appropriate control method, we tested currents, torque, speed. Finally, from the simulations of the model that was built at Simulink of Matlab, we draw conclusions.

Στις μέρες μας το ενεργειακό πρόβλημα αποτελεί ένα από τα σπουδαιότερα προβλήματα του πλανήτη, το οποίο μαζί με την ραγδαία κλιματική αλλαγή οδηγούν στην ανάγκη για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με όσο πιο οικονομικό αλλά και φιλικό με το περιβάλλον τρόπο. Συνεπώς οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και κυρίως η αιολική ενέργεια αποκτούν σπουδαίο ρόλο στο στόχο αυτό και αλλάζουν άρδην τόσο τον Ευρωπαϊκό όσο και τον Παγκόσμιο ενεργειακό χάρτη. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε μια διάταξη ανεμογεννήτριας, η οποία αποτελείται από μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG), από έναν μετατροπέα συχνότητας (back-to-back converter) και από ένα R-L φίλτρο στην πλευρά του δικτύου. Επιπλέον, η απουσία μηχανικών εξαρτημάτων στην σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG), όπως δακτυλίων ολισθήσεως και ψηκτρών, την κάνει, ελαφρότερη, με υψηλότερο λόγο ισχύος προς βάρος γεγονός που της προσδίδει μεγαλύτερη αποδοτικότητα και αξιοπιστία. Λόγω των προαναφερθέντων πλεονεκτημάτων, η σύγχρονη μηχανή με μόνιμο μαγνήτη (PMSG) αποτελεί μια ελκυστική λύση για τα αιολικά συστήματα. Σκοπός λοιπόν αυτής της εργασίας είναι να μελετήσουμε το πλήρες σύστημα της ανεμογεννήτριας στο d-q στρεφόμενο σύστημα κάθετων αξόνων μέσω του μετασχηματισμού Park και να εφαρμόσουμε την κατάλληλη μεθοδολογία ελέγχου ούτως ώστε να επιτύχουμε μέγιστη απομάστευση ισχύος από τον άνεμο με ταυτόχρονη ρύθμιση της τάσης της dc διασύνδεσης αλλά υπό μοναδιαίο συντελεστή ισχύος για την πλευρά του δικτύου. Τέλος, προσομοιώνουμε το πλήρες σύστημα με το Simulink του Matlab και στη συνέχεια παρουσιάζουμε τις αποκρίσεις των προσομοιώσεων και εξάγουμε συμπεράσματα. / Nowadays the energy problem is one of the most important global problems, which together with the rapid climate change lead to the need for power generation as more economical and environmentally friendly way. Therefore, the Renewable Energy Sources and especially wind power have a great role in this objective and radically change both the European and the global energy map. In this thesis we consider a wind turbine device, which comprises a permanent magnet synchronous machine (PMSG), a frequency converter (back-to-back converter) and an R-L filter on the grid side. Thus, the absence of mechanical parts in permanent magnet synchronous machine (PMSG), as sliding rings and brushes, to make, lighter, with a higher power to weight ratio which gives greater efficiency and reliability. Due to the above advantages, the permanent magnet synchronous machine (PMSG) is an attractive solution for the wind. Aim of this thesis is to study the complete wind turbine system in the d-q rotating vertical axes system through the Park transformation and to apply the appropriate control methodology in order to achieve maximum energy harvesting from the wind, with a simultaneous control of the dc link voltage under unit power factor for the grid side. Finally, we simulate the complete system with the Matlab Simulink and then we present simulations of the responses and draw conclusions.

Η αυξανόμενη ανάγκη για ηλεκτρική ενέργεια στον 21ο αιώνα καθώς και η δραματική μείωση των αποθεμάτων ορυκτού πλούτου στον πλανήτη, οδηγούν στην διαρκώς αυξανόμενη χρήση των λεγόμενων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, μεταξύ αυτών και η αιολική ενέργεια. Τα αιολικά συστήματα είναι ευρέως χρησιμοποιούμενα στην εποχή μας, και η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται ένα αιολικό σύστημα το οποίο χρησιμοποιεί σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (Σ.Μ.Μ.Μ.) , σύστημα το οποίο μοντελοποιείται στο περιβάλλον του Matlab/Simulink και παρουσιάζονται αποτελέσματά της μοντελοποίησης για δυο περιπτώσεις, μία χωρίς προστασία του συστήματος και μία με προστασία. / Τhe increasing electrical power needs in the 21st sentury and the dramaticaly decreasing mineral sources on the planet lead people to take advantage of the renewable power sources, one of which is the wind energy. Wind systems are highly used today, and the current diploma thesis discusses a wind system which uses a synchronous machine with permanent magnet (SMPM), and using the program Matlab/Simulink we produce some results for this system with and without a protection system for it.

Στη παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται ανάλυση και μοντελοποίηση ενός φωτοβολταϊκού συστήματος συνδεδεμένο στο δίκτυο, που αποτελείται από μια φωτοβολταϊκή συστοιχία, έναν μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή που ανυψώνει την τάση και παράλληλα είναι ανιχνευτής του σημείου μέγιστης ισχύος, ώστε να είναι μέγιστη η παραγόμενη ισχύς του συστήματος και έναν αντιστροφέα. Στην συνέχεια γίνεται ανάλυση και μοντελοποίηση ενός αιολικού συστήματος μεταβλητών στροφών που χρησιμοποιεί μια σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (PMSG) και ένα σύστημα δύο μετατροπέων, πλήρους κλίμακας, πλάτη με πλάτη και συνδέεται επίσης στο δίκτυο. Μετά από αυτά θα αναλυθεί και θα μοντελοποιηθεί η σύνδεση αυτών των δυο συστημάτων μαζί στο δίκτυο κατανεμημένης παραγωγής σε κοινό κόμβο εναλλασσόμενης τάσης και σε κοινό κόμβο συνεχούς τάσης αντίστοιχα. Σε όλα αυτά θα προσπαθήσουμε να εφαρμόσουμε μια στρατηγική ελέγχου, ώστε να ελέγξουμε κατάλληλα τα συστήματα με σκοπό να επιτύχουμε την μέγιστη παραγωγή ισχύος. Τέλος, θα υλοποιήσουμε τα παραπάνω συστήματα σε περιβάλλον Matlab/Simulink και θα τα προσομοιώσουμε για διάφορες μεταβολές στην ακτινοβολία και την ταχύτητα του ανέμου. Ούτως ώστε να δούμε πως συμπεριφέρεται η δεδομένη στρατηγική ελέγχου που εφαρμόσαμε και να μπορέσουμε να εξάγουμε κάποια συμπεράσματα. Στο πρώτο Κεφάλαιο θα γίνει αναφορά στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που αυτές εμφανίζουν. Πιο συγκεκριμένα θα δοθεί έμφαση στην ηλιακή και την αιολική ενέργεια, στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών καθώς και κάποια σύντομα ιστορικά στοιχεία σχετικά με αυτές. Ακόμη, θα αναλυθούν τα βασικά χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών συστοιχιών και των ανεμογεννητριών στα οποία στηρίζεται η λειτουργία των συστημάτων που μελετώνται. Στο δεύτερο Κεφάλαιο θα γίνει η ανάλυση των φωτοβολταϊκών συστημάτων και των δομικών μονάδων τους. Αρχικά θα γίνει αναφορά στα αυτόνομα και διασυνδεδεμένα φωτοβολταϊκά συστήματα. Στην συνέχεια θα δοθεί το ισοδύναμο μοντέλο του φωτοβολταϊκού κυττάρου με σκοπό να αναλυθεί η I-V χαρακτηριστική του και να οριστεί ο συντελεστής πληρώσεως και η απόδοση του φωτοβολταϊκού κυττάρου. Έπειτα θα ασχοληθούμε με τον μετατροπέα συνεχούς τάσης σε συνεχή, θα αναλυθεί εν συντομία η λειτουργία του και θα εξαχθεί το μοντέλο του. Αυτός ο μετατροπέας παράλληλα επιτελεί και την λειτουργία ανίχνευσης του σημείου μέγιστης ισχύος, οπότε θα αναλυθούν και οι μέθοδοι εύρεσης αυτού. Ακόμη, θα ασχοληθούμε με τους αντιστροφείς και τις τεχνολογίες αυτών στα φωτοβολταϊκά συστήματα και θα αναφερθεί ο τρόπος ελέγχου τους. Θα μεταφερθούμε στο στρεφόμενο σύστημα d–q δύο καθέτων αξόνων, μέσω του μετασχηματισμού Park, που μας προσφέρει απλούστευση των εξισώσεων και ευκολία στον έλεγχο. Έτσι τελικά θα μοντελοποιηθεί το φωτοβολταϊκό σύστημα και θα ελεγχθεί. Στο τρίτο Κεφάλαιο θα γίνει αντίστοιχα ανάλυση των αιολικών συστημάτων και των δομικών μονάδων τους. Θα παρουσιαστεί η σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη, τα βασικά στοιχεία για αυτήν και το μαθηματικό της μοντέλο. Έπειτα, θα ασχοληθούμε με την αναλυτική μαθηματική περιγραφή της μετατροπής της κινητικής ενέργειας σε μηχανική. Θα γίνει ανάλυση των μεθόδων μηχανικού ελέγχου ώστε να είναι μέγιστη η παραγόμενη ισχύς. Ακόμη θα εξαχθεί το συνολικό μαθηματικό μοντέλο για το αιολικό σύστημα και ο έλεγχός του. Στο τέταρτο Κεφάλαιο, θα αναφερθούμε στην κεντρικοποιημένη και την αποκεντρωμένη παραγωγή, θα αναλυθούν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτών και θα εισαχθεί η έννοια του μικροδικτύου και κατηγοριοποιήσεις αυτού. Έπειτα θα εξαχθούν τα μαθηματικά μοντέλα για τις αντίστοιχες τοπολογίες της διασύνδεσης των συστημάτων στο δίκτυο, για την πρώτη σε κοινό κόμβο εναλλασσόμενης τάσης και για τη δεύτερη σε κοινό κόμβο συνεχούς τάσης. Τέλος θα γίνει έλεγχος αυτών. Στο πέμπτο και τελευταίο Κεφάλαιο θα παραθέσουμε τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συστήματος που χρησιμοποιήσαμε στην προσομοίωση, καθώς και τα αριθμητικά κέρδη των ελεγκτών. Τέλος, ακολουθούν τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μαζί με ένα σύντομο σχολιασμό και μερικά συμπεράσματα. / The thesis that follows concerns the analysis and modeling of a photovoltaic system that is constituted by a PV array, a DC voltage converter that raises the voltage and simultaneously detect the maximum power point (MPP), so the power output of the system be maximum, and an inverter. Subsequently, the analysis and modeling of a variable speed wind system that uses a permanent magnet synchronous machine (PMSG) and a network of two converters, full scale, back to back that is also connected to the network. After these, will be analyzed and modeled the connection of these two systems together in a network of distributed generation common AC voltage node and common DC voltage node respectively. It will be attempted the implement of a control strategy to control the appropriate systems in order to achieve maximum power production. Finally, we will implement these systems in a Matlab/Simulink environment and simulate them for different changes in radiation and wind speed in order to see how the applied control strategy behaves and extract some conclusions. In chapter 1, becomes a more general report in the renewable sources of energy, to the advantages and disadvantages of them. Specifically, we will focus on the solar and wind energy, advantages and disadvantages and some brief historical information about them. Also, will analyze the main characteristics of the photovoltaic array and wind turbines. In chapter 2 will be analyzed the photovoltaic systems and their structural units. Firstly we will refer to the autonomous and grid-connected PV systems. Then will be given the equivalent model of the photovoltaic cell in order to analyze their characteristics and to determine the fill factor and the efficiency of the photovoltaic cell. Then we will deal with the dc/dc converter we briefly analyze the operation and will extract the model. This converter also performs the function of detecting the MPP so will also be analyzed the methods of finding it. We will refer to the inverters and their technologies in photovoltaic systems and it will be described their control. We will be transferred to the rotating system d-q of two perpendicular axes through the transformation Park which offers simplified equations and ease of control. So eventually the solar system will be modeled and controlled. In chapter 3 will be relevant analysis of the wind systems and their structural units. It will be presented a permanent magnet synchronous machine, its basics and its mathematical model. Then we will deal with the detailed mathematical description of the conversion of kinetic energy into mechanical. We analyze the mechanical control methods to be maximal power output. Also, the overall mathematical model of the wind system and its control will be extracted. In chapter 4, we will refer to the centralized and decentralized production, we will analyze the advantages and disadvantages and introduce the concept of microgrid and its categorizations. Then we will draw the mathematical models for the respective topologies of interconnection systems to the network, the first case is that of common AC voltage node and the second common DC voltage node. Finally they will be controlled. In chapter 5 will be described the technical characteristics of the system used in the simulation and numerical gains of controllers. Finally, the simulation results along with a brief commentary and a few conclusions are given.

Dans le milieu automobile, les règlementations visant à limiter l’émission de particules fines et de gaz à effet de serre sont devenues de plus en plus sévères au cours des dernières années. Cette tendance ne va pas s’inverser et des solutions doivent être trouvées pour améliorer le rendement des moteurs à combustion interne (ICE) qui propulsent la majorité des véhicules de tourisme dans le monde.Une des solutions permettant d’améliorer le rendement thermodynamique de l’ICE est d’utiliser un turbocompresseur. Cet organe de suralimentation permet d’accroître le couple du moteur en augmentant la pression d’air dans les cylindres et par conséquent la quantité de comburant. Le turbocompresseur présente cependant un inconvénient pour l’agrément de conduite. Selon la technologie employée, un temps de latence (turbo lag) plus ou moins important apparait entre le moment ou le conducteur appui sur la pédale d’accélérateur et le moment ou le couple est disponible sur les roues.Pour pallier ce problème, on peut utiliser une machine électrique venant assister le turbocompresseur durant la phase de montée en vitesse. Cette machine peut faire partie d’un système indépendant de compression d’air et placée en amont du turbocompresseur, on parlera alors de turbo assisté électriquement. Cette machine peut aussi être intégrée directement au turbocompresseur, on parlera alors de turbo électrique. Dans les deux cas, le temps de réponse du turbocompresseur est amélioré ce qui impacte directement la dynamique du véhicule et le plaisir de conduite. Dans le cas du turbo électrique, l’intégration de la machine électrique directement sur le turbocompresseur permet son fonctionnement en génératrice en offrant ainsi une amélioration du rendement global de l’ICE.Le sujet de la thèse est la modélisation et la conception des machines électriques haute vitesse pour ces applications. Les principales qualités recherchées pour ces machines seront :-leurs capacités à pouvoir fonctionner à haute vitesse : les vitesses recherchées se situe typiquement entre 70 000 et 150 000 tr/min pour des vitesses périphériques de l’ordre de 150 m/s ;-leurs densités de puissance : on recherche des puissances de 3 à 15 kW pour des machines compactes qui devront être intégrées sous le capot du véhicule ;-des rendements élevés de l’ordre de 95 % ;-une conception adaptée à la production en grande série pour l’automobile.Pour répondre à cette problématique, les travaux suivants ont été entrepris :Dans un premier temps, nous avons modélisé finement les phénomènes électromagnétiques et mécaniques liées aux machines électriques haute vitesse à encoches et aimants permanents positionnés en surface. Pour cela, nous avons développé un modèle de calcul en sous-domaines pour la partie électromagnétique et un modèle multicouches de résistance des matériaux pour le calcul de la tenue du rotor à haute vitesse.Dans un deuxième temps, pour pouvoir explorer des topologies de machines très différentes, nous avons eu recourt aux méthodes de calcul par éléments finis. Nous avons pu identifier et de comparer plusieurs topologies de machines à encoches, sans encoches, à bobinage dentaire ou toroïdal. Cette étude paramétrique a permis de comparer la densité de couple et le rendement de ces machines.Enfin, dans une dernière partie, nous avons traité le cas du prototypage et des mesures de ces machines. Pour cela, sur la base des études réalisées, nous avons prototypé trois machines aux performances prometteuses. La conception mécanique des différentes machines est abordée ainsi que les méthodes de mesures et les difficultés liées aux caractérisations à haute vitesse.Au cours de ce travail de thèse, d’autres aspects ont aussi été abordés tel que la modélisation des pertes du système machine électrique et convertisseur de puissance, la dynamique des rotors ou encore les émissions acoustiques. / In the automotive industry, regulations to limit the emission of greenhouse gases have become more and more severe. This trend is not going to change and solutions must be found to improve the efficiency of internal combustion engines (ICE) that drive the majority of passenger cars in the world.Turbochargers are a clever solution to improve the thermodynamic efficiency of the ICE. This forced induction device increases the air pressure in the cylinders and therefore the engine torque. However, turbochargers have a major disadvantage for the driver experience: a lag time (turbo lag) between the moment when the driver steps on the accelerator and the moment when torque is available.To overcome this problem, an electric machine can be used to assist the turbocharger during the speed up phase. This machine can be a part of an independent system of air compression and placed upstream of the turbocharger or it can be integrated directly into the turbocharger. In both cases, the response time of the turbocharger is greatly reduced which directly impacts the dynamic of the vehicle and the driving pleasure. The integration of the electric machine directly on the turbocharger allows its operation as a generator to improve the overall efficiency of the ICE.The subject of this thesis is the modeling and design of high speed electric machines for these applications. The main requirements are:-High-speed operation: between 70,000 and 150,000 rpm and peripheral speeds around 150 m/s.-Power density: from 3 to 15 kW for compact machines that will have to be integrated under the hood of the vehicle.-High efficiency: around 95 % and above.-A design adapted to mass production for the automotive industry.To cope with this requirements, the following tasks were undertaken:Firstly, we modeled the electromagnetic and mechanical behaviors of high-speed slotted electric machines with surface-mounted permanent magnets. For the electromagnetic part, we developed a subdomain calculation model. For the mechanical part, we worked on a multilayer model to evaluate the rotor strength at high speed.Secondly, we used finite element analysis methods to explore different machine structures. We compared several topologies of slotted and slotless machines, with tooth-coil winding and toroidal winding. This parametric study allowed us to compare the torque density and efficiency of these machines.Finally, we dealt with the case of prototyping and measurements of these machines. Based on the previous studies, we prototyped three machines with promising performances. The mechanical design of the different machines is discussed as well as the measurement methods and the difficulties associated with high speed characterization.During this thesis work, other aspects were also discussed such as the losses in power converters driving high-speed electric machines, rotor dynamics and acoustic emissions.