Ce travail s’inscrit dans l’optique de prédimensionnement par optimisation déterministe en électronique de puissance. Nous nous focalisons principalement sur la problématique de la Compatibilité ElectroMagnétique que nous désirons inclure dans la démarche. Pour cela, nous considérons l’exemple d’un redresseur triphasé comportant des filtres CEM à la fois du côté triphasé et du côté continu. Un couplage de mode commun a lieu entre les deux filtres, ils doivent donc être conçus simultanément. Des modéles de dimensionnement du convertisseur et de ses différents composants (passifs, interrupteurs, refroidisseur) ont été élaborés. Dans la procédure d’optimisation, l’ensemble des variables de cette modélisation globale du convertisseur (valeur des éléments fonctionnels, stratégie de commande MLI et fréquence de découpage) impacte les émissions CEM conduites. Ainsi, le modèle de calcul CEM est intégré dans le déroulement du processus, qui vise à minimiser la masse du convertisseur. Grâce à cela nous obtenons une approche globale où les filtres CEM sont dimensionnés en parallèle avec le convertisseur, et non une fois que la conception de ce dernier soit terminée, comme c’est classiquement le cas.La variation de la fréquence de découpage durant l’optimisation a constitué le problème majeur. Nous avons dû développer des stratégies concernant la surveillance des spectres CEM pour arriver à diminuer drastiquement les temps de calcul. Nous avons aussi développé une formulation de la contrainte CEM et une stratégie de lancement automatique d’optimisations déterministes avec paramétrage initial aléatoire qui a permis aux dimensionnements d’aboutir. Tout au long de la thèse, l’accent a été mis sur la généricité des modèles, qu’ils touchent à la CEM ou aux autres points du dimensionnement, en vue de leur adaptabilité à d’autres cas d’application. / This thesis deals with the sizing of power electronics using deterministic optimization. In this way, methods to integrate the ElectroMagnetic Compatibility constraints in such process were studied. The case of a three-phase rectifier with EMC filters on both AC and DC sides was considered. A common-mode path creates an interaction between the two filters, thus they have to be sized together. Models of the converter and its components were developed for their sizing by deterministic optimizations. In such conception problem, all the parameters used for describing the system configuration (functional elements values, PWM command strategy and the switching frequency) influence the conducted EMC emissions. Therefore, the modeling of the EMC constraints was integrated in the optimization procedure, which aims the overall weight reduction. Thanks to that, a global approach where EMC filters are sized along with the converter was achieved, whereas it is usually done after the converter conception.The main challenge was the variation of the switching frequency in optimization. Strategies were developed regarding the automatic surveillance of the EMC spectrums in order to drastically reduce their computation times. An innovative formulation of the EMC constraints enabled the optimizations to converge. An automatic procedure for launching multiple deterministic optimizations with random initial parameters allowed us to obtain good optimization results, regarding the constraints and the global weight of the system. In this work, genericity of the modelling approach was a main concern, regarding EMC and the different sizing models. Therefore, the adaptation of the developed methods to other applications should be convenient.

Les torches à arcs plasma sont actuellement utilisées dans de nombreuses applications industrielles. Une technologie plasma triphasée à électrodes en graphite est en cours de développement au Centre PERSEE MINES ParisTech. Cette technologie diffère sensiblement des technologies à courant continu traditionnelles et vise à dépasser certaines limites des systèmes actuels en termes de robustesse, de coûts d'équipement et d'exploitation pour des applications liées à conversion et la valorisation de biomasse et déchets. Dans le but d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques instationnaires intervenant dans les décharges triphasées, une étude menée en parallèle sur les plans théorique et expérimental a été conduite en conditions non réactives (azote et gaz de synthèse). Sur un plan expérimental cette étude s'est appuyée sur des analyses réalisées avec une caméra ultra rapide (100 000 images par seconde) et l'analyse des signaux électriques. Sur un plan théorique cette étude a consisté à développer un modèle Magnéto-Hydro-Dynamique (MHD) 3D instationnaire de la zone d'arc dans l'environnement du logiciel Code Saturne® et à effectuer une étude paramétrique basée sur le courant, la fréquence et le débit de gaz plasma. Deux configurations : électrodes coplanaires et parallèles ont été étudiées. Cette étude a permis de mettre en avant l'influence des phénomènes électromagnétiques et hydrodynamiques sur le déplacement de l'arc. Dans le cas coplanaire les jets aux électrodes semblent jouer un rôle prépondérant sur le mouvement des arcs, les transferts de chaleur dans l'espace inter électrode et l'amorçage des arcs. Dans le cas parallèle le mouvement des canaux chauds semble être le paramètre dominant. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux a montré un très bon accord à la fois au niveau du mouvement des arcs et des signaux électriques.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne l'élaboration d'une stratégie complète d'identification et de commande neuronale d'un filtre actif parallèle (FAP). L'objectif visé est l'amélioration des performances par rapport aux systèmes classiques de dépollution des installations électriques basse tension. Basée sur l'utilisation des techniques neuromimétiques, notre approche de compensation des harmoniques se fait en trois étapes. Les deux premières étapes identifient respectivement les composantes de la tension et les courants harmoniques à l'aide de réseaux de neurones du type Adaline. La troisième étape injecte les courants harmoniques dans le réseau électrique par un module de commande à base de réseaux de neurones multicouches. Plusieurs architectures neuronales ont été développées et comparées pour chacune des étapes. La structure proposée s'adapte automatiquement aux variations de la charge du réseau et donc aux fluctuations du contenu harmonique des perturbations. Elle permet également la compensation sélective des harmoniques et la correction du facteur de charge. Finalement, ces stratégies ont été validées sur un banc expérimental et leur aptitude à l'intégration matérielle a été testée en simulation.

Cette thèse concerne la synthèse de lois de commandes et d'observateurs pour l'onduleur de tension triphasé sans neutre raccordé. Celle-ci comporte 4 volets. Le premier volet donne les éléments de modélisation de l'onduleur ainsi que sa représentation dans des différents repères de coordonnées, puis les applications auxquelles on s'intéresse, à savoir la compensation d'énergie réactive et le filtrage actif. La deuxième partie est dédiée à la synthèse d'une loi de commande dite directe à structure variable basée sur le simplexe minimal. Nous y avons surmonté certains des problèmes d'ambiguïté rencontrés dans des approches classiques quand vient le moment de choisir les vecteurs de commande à appliquer. Des comparaisons avec une méthode classique de commande à hystérésis sont présentées afin de mettre en évidence ses principales propriétés. Dans la troisième partie nous présentons une amélioration à la commande directe basée sur le simplexe minimal, qui nous permettra de maîtriser parfaitement la fréquence de commutation et de confiner ainsi le spectre de découpage des courants côté alternatif. Les résultats obtenus ont été encore améliorés par l'introduction d'une compensation des retards induits par l'échantillonnage de la mesure. L'implémentation des algorithmes proposés sur un banc expérimental a confirmé la justesse de résultats théoriques et autres simulations. La dernière partie porte sur l'étude de deux types d'observateurs non linéaires (un observateur de type Kalman et un observateur de type modes glissants) appliqués à l'onduleur de tension, et ce, à des fins de diagnostique (redondance analytique) ou d'économie de capteurs. Des analyses sont présentées pour deux cas en particulier, à savoir l'estimation de la tension du bus continu à partir des mesures des courants du côté alternatif, puis l'observation des courants du côté alternatif à partir de la mesure de la tension continue.

En aéronautique civile, les systèmes électriques qui composent l'avion sont de plus en plus nombreux, de par l'accroissement des fonctionnalités, des besoins des usagers (confort), mais aussi par le besoin d'améliorer les performances des actionneurs électromécaniques et hydrauliques, voire de les remplacer par du tout électrique. Ainsi, les systèmes d'électroniques de puissance sont les premiers dispositifs électriques que voient les actionneurs. Ces dispositifs sont interfacés avec les interfaces de pilotage par des systèmes de contrôles-commandes.<br />Les normes aéronautiques imposent que tous les dispositifs utilisés dans un avion répondent à des contraintes sévères quant à leur fiabilité et leur sécurité de fonctionnement. Dans le cas précis des convertisseurs statiques qui pilotent les actionneurs, on est confronté aux normes de fonctionnement des réseaux électriques, aux normes C.E.M., aux normes environnementales (au sens du contexte du dispositif), et aux normes liés aux systèmes de contrôle.<br />Le marché de l'aéronautique, bien que très spécifique, est très concurrentiel au niveau mondial. Les multiples objectifs de matériels très performants, très fiables, très sûrs, mais les moins chers possibles sont donc de véritables problématiques.<br />Dans le cadre des convertisseurs statiques, un moyen pour réduire les coûts est l'utilisation de DSP (Digital Signal Processors) pour maximiser l'intégration de la commande et pour réduire les coûts, mais ce composant n'est pas conçu pour le milieu aéronautique.<br />L'ensemble de cette étude porte sur la conception d'un nouveau type de radar marqué par plusieurs ruptures technologiques. Le prototype réalisé comporte un convertisseur statique piloté par un DSP, mais ayant des fonctionnalités qui vont largement au-delà du convertisseur basique d'électronique de puissance. L'aspect « système » est largement pris en compte. Le convertisseur mis en oeuvre est un dispositif autonome de pilotage de moteurs.

Les torches à arcs plasma sont actuellement utilisées dans de nombreuses applications industrielles. Une technologie plasma triphasée à électrodes en graphite est en cours de développement au Centre PERSEE MINES ParisTech. Cette technologie diffère sensiblement des technologies à courant continu traditionnelles et vise à dépasser certaines limites des systèmes actuels en termes de robustesse, de coûts d'équipement et d'exploitation pour des applications liées à conversion et la valorisation de biomasse et déchets. Dans le but d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques instationnaires intervenant dans les décharges triphasées, une étude menée en parallèle sur les plans théorique et expérimental a été conduite en conditions non réactives (azote et gaz de synthèse). Sur un plan expérimental cette étude s'est appuyée sur des analyses réalisées avec une caméra ultra rapide (100 000 images par seconde) et l'analyse des signaux électriques. Sur un plan théorique cette étude a consisté à développer un modèle Magnéto-Hydro-Dynamique (MHD) 3D instationnaire de la zone d'arc dans l'environnement du logiciel Code Saturne® et à effectuer une étude paramétrique basée sur le courant, la fréquence et le débit de gaz plasma. Deux configurations : électrodes coplanaires et parallèles ont été étudiées. Cette étude a permis de mettre en avant l'influence des phénomènes électromagnétiques et hydrodynamiques sur le déplacement de l'arc. Dans le cas coplanaire les jets aux électrodes semblent jouer un rôle prépondérant sur le mouvement des arcs, les transferts de chaleur dans l'espace inter électrode et l'amorçage des arcs. Dans le cas parallèle le mouvement des canaux chauds semble être le paramètre dominant. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux a montré un très bon accord à la fois au niveau du mouvement des arcs et des signaux électriques. / Arc plasma torches are widely used in industrial applications. A 3-phase AC plasma technology with consumable graphite electrodes is under development at PERSEE MINES - ParisTech. This technology noticeably differs from the classical DC plasma torches and aims at overcoming a number of limits of plasma systems in terms of reliability, equipment and operating costs. In order to improve the understanding of the unsteady physical phenomena in such plasma systems, a theoretical and experimental study is conducted under non reactive condition (nitrogen, syngas). Experimental study is based on high speed video camera (100 000 frames per second) and electrical signal analyses. Theoretical analysis is based on 3D unsteady Magneto-Hydro-Dynamic (MHD) model of the arc zone using CFD software Code_Saturne®, by a parametric study based on current, frequency and plasma gas flow rate influence. Two configurations: coplanar and parallel electrodes are studied. These studies highlight the influence of electromagnetic and hydrodynamic phenomena on the arc motion. In coplanar electrode configuration, electrode jets appear to be the dominant parameter on the arc motion, heat transfer and arc ignition. In the parallel electrodes configuration, the motion of the hot channel seems to be the key parameter. Comparison between MHD modeling and experimental results shows a fair correlation, both in accordance with the arc behavior and the electrical waveform.

Les travaux développés durant cette thèse concernent la détection et l'identification des défauts simples et multiples d'ouverture des transistors dans un convertisseur statique associé à une machine asynchrone. Pour aborder cette problématique, nous avons commencé par l'analyse des potentialités, des faiblesses et des incertitudes des techniques qui ont initiés notre démarche. Ensuite, nous avons présenté deux méthodologies permettant d'analyser les performances du moteur asynchrone en présence des défauts dans une ou plusieurs cellules de commutation. Cette étude préliminaire nous a permis ainsi de proposer deux nouvelles stratégies de diagnostic sans référence basées sur l'approche signal. Les signaux électriques (courants ou tensions) disponibles à la sortie du convertisseur statique sont utilisés pour alimenter le processus de diagnostic. La première stratégie retenue est basée sur l'analyse qualitative des tensions de sortie entre phases du convertisseur et des signaux de commande appliqués aux transistors pendant les instants de commutation. Grâce à une représentation instantanée de ces grandeurs, à l'échelle de la période de découpage, nous avons pu mettre en évidence des caractéristiques favorables à la détection des défauts simples et multiples d'ouverture des transistors. L'implémentation pratique de cette première approche a été réalisée au moyen d'une technologie analogique permettant ainsi de minimiser le temps de retard à la détection jusqu'à quelques dizaines de microsecondes. / The main goal of this thesis concerns the detection and identification of simple and multiple open-circuit faults in voltage source inverters (VSIs)-fed induction motor drives. In first step, the potentialities, the weaknesses as well as the uncertainties of the previously published works have been discussed. The second step was dedicated to the study of the inverter faults impact on the induction motor. For this purpose, we have proposed two methodologies permitting the characterization of the electromagnetic torque behaviour as well as the electric variables of the induction motor under the open- and short-circuit faults. These preliminary studies allowed to propose two novel signal-based approaches for open-circuit fault diagnosis in voltage source inverter. The measured outputs inverter voltages and currents have been used as the input quantities for the fault detection and identification (FDI) process. The first approach consists in analyzing the pulse-width modulation (PWM) switching signals and the line-to-line voltage levels during the switching times, under both healthy and faulty operating conditions. For this purpose, we have adopted an instantaneous representation of these variables, which permits their analysis over one switching period. The fault diagnosis scheme is achieved using simple analog device. This circuit allows an accurate single and multiple faults diagnosis, and a minimization of the fault detection time which becomes about a few tens of microseconds.

Depuis le début des années 2000, les composants en carbure de silicium (SiC) sont présents sur le marché principalement sous la forme de diodes Schottky et de transistors FET. Ces nouveaux semi-conducteurs offrent des performances en commutation bien supérieures à celles des composants en silicium (Si) ce qui se traduit par une diminution des pertes et une réduction de la température de fonctionnement à système de refroidissement identique. L’utilisation de composants SiC ouvre donc la possibilité de concevoir des convertisseurs plus compacts ou à une fréquence de commutation élevée pour une même compacité. C’est avec cet objectif d’augmentation de la fréquence de commutation qu’a été menée cette étude axée sur l’utilisation de composants SiC au sein d’un onduleur triphasé. Le convertisseur sur lequel se base l’étude accepte une tension d’entrée de 450V et fournit en régime nominal un courant de sortie efficace par phase de 40 A. Le choix des composants SiC s’est porté sur des transistors JFET Normally-Off et des diodes Schottky SiC car ces composants étaient disponibles à la vente au début de ces travaux et offrent des pertes en commutation et en conduction inférieures aux autres structures en SiC. Les transistors FET possèdent une structure et des propriétés bien différentes des IGBT habituellement utilisés pour des convertisseurs de la gamme considérée notamment par leur capacité à conduire un courant inverse avec ou sans diode externe. De ce fait, il est nécessaire de développer de nouveaux outils d’aide au dimensionnement dédiés à ces composants SiC. Ces outils de calculs sont basés principalement sur les paramètres électriques et thermiques du système et sur les caractéristiques des composants SiC. Les premiers résultats montrent qu’en autorisant la conduction d’un courant inverse au sein des transistors, il est possible de diminuer le nombre de composants. Basées sur ces estimations, une maquette de bras d’onduleur a été développée et testée. Les premiers thermiques montrent que pour une puissance de 12kW, il est possible d’augmenter la fréquence de commutation de 12 kHz à 100 kHz. / Since 2000, Silicon Carbide (SiC) components are available on the market mainly as Schottky diodes and FET transistor. These new devices provide better switching performance than Silicon (Si) components that leads to a reduction of losses and operating temperatures at equivalent cooling system. Using SiC components allows to a better converter integration. It is in this context that ECA-EN has started this thesis dedicated to using SiC devices in a three-phase inverter at high switching frequency. The converter object of this study is supply by a input voltage of 450V and provides a current of 40A per phase. The components used for these study are SiC Normally-Off JFET and Schottky Diodes because these devices were commercialized at the begining of this thesis and offer better switching performance than others SiC components. FET transistors have a different structure compared to traditionnal IGBT especially their capability to conduct a reverse current with or without body diode. So it is necessary to develop new tools dedicated to the design of converters built with SiC components. These tools are based on the electrical properties of the converters and the statics and dynamics characteristics of the transistor and the diode. The results show that when the transistors conduct a reverse current, the number of components/dies can be reduced. According to data, a PCB board of an inverter leg has been built and tested at ECA-EN. The thermal measurement based on the heatsink shows that the switching frequency of an inverter leg can be increased from 12 to 100 kHz for an ouput power of 12kW.

Les torches à arcs plasma sont actuellement utilisées dans de nombreuses applications industrielles pour atteindre des températures nettement supérieures (> 5 000 K) à celle obtenues par la combustion (3 000 K max). Une technologie plasma triphasée avec des électrodes en graphite est en cours de développement au Centre PERSEE MINES ParisTech. Cette technologie diffère sensiblement des technologies à courant continu traditionnelles et vise à dépasser certaines limites des systèmes actuels en termes de robustesse, de coûts d'équipement et d'exploitation pour des applications liées à la conversion et la valorisation de biomasse et déchets. Dans le but d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques instationnaires intervenant dans les décharges triphasées, une étude menée en parallèle sur le plan théorique et sur le plan expérimental a été conduite en conditions non réactives (azote et gaz de synthèse). Sur un plan expérimental, cette étude s'est appuyée sur des analyses réalisées avec une caméra ultra rapide (100 000 images par seconde) et l'analyse des signaux électriques. Sur un plan théorique, cette étude a consisté à développer un modèle Magnéto-Hydro-Dynamique (MHD) 3D instationnaire de la zone d'arc dans l'environnement du logiciel Code Saturne® et à effectuer une étude paramétrique basée sur le courant, la fréquence et le débit de gaz plasma. Deux configurations : électrodes coplanaires et électrodes parallèles ont été étudiées. Cette étude a permis de mettre en évidence l'influence des phénomènes électromagnétiques et hydrodynamiques sur le déplacement de l'arc. Dans la configuration coplanaire, les jets aux électrodes semblent jouer un rôle prépondérant sur le mouvement des arcs, les transferts de chaleur dans l'espace inter-électrodes et l'amorçage des arcs. Dans la configuration parallèle, le mouvement des canaux chauds semble être le paramètre dominant. La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux a montré un très bon accord à la fois au niveau du mouvement des arcs et des signaux électriques.

Les actionneurs électromécaniques supplantent les solutions d’actionnement hydrauliques concurrentes dans un nombre croissant d’applications industrielles, particulièrement en aéronautique. Ils le doivent à leurs rendements élevés et à une relative simplicité de commande. Fort de ces avantages, cette technologie a été mise en place dans le cadre du projet ELEXC, en vue de remplacer les vérins hydrauliques sur une mini-excavatrice tout-électrique et s’attaquant pour la première fois au secteur du bâtiment et des travaux publics. Cependant, cette intégration s’accompagne de doutes sur la performance et la durabilité de ces actionneurs dans ce cas précis d’utilisation. Pour répondre à ces interrogations, ce manuscrit se focalisera dans un premier volet sur la caractérisation des performances d’une structure spécifique, permise par la mise en place d’un banc de test multi-énergies instrumenté. Cette étude aboutira à la mise en place d’un modèle par lois physiques dont les paramètres auront été identifiés expérimentalement.Deux solutions innovantes vont ensuite être proposées, visant respectivement à réduire les répercussions, notamment énergétiques, de la caractéristique discrète du convertisseur à découpage, et à parer au manque de compliance de l’actionneur tout en conservant ses capacités de creusage. Elles seront toutes deux associées au concept de commande prédictive, mais offriront chacune une spécificité par rapport à l’implémentation standard de ce type de commande tout en conservant ses avantages. La première prendra la forme d’un modulateur fondé sur le principe d’une modulation de largeur d’impulsion vectorielle, dont la séquence sera sélectionnée par un contrôleur prédictif en rapport avec une fonction de coût alliant les ondulations de courant, les pertes par commutation et la tension de mode commun spécifiques aux séquences. La seconde consistera en un contrôleur d’impédance à boucle de position interne, dont les paramètres d’impédance seront variables et définis par un contrôleur prédictif afin de permettre une bonne pénétration dans l’environnement tout en limitant la dynamique et la valeur maximale de l’effort de compression sur la transmission. / Nowadays, the electro-mechanical actuators (EMA) are seen as an alternative to the conventional hydraulic cylinders in a growing number of industrial applications, including the aeronautic sector, thanks to their high efficiency and relatively simple commandability. According to this features, this actuator technology was selected to replace the hydraulic cylinders of the actuation system of a full-electric compact excavator in the ELEXC project. However, some concerns arose from the lack of existing examples with EMA functioning in relatively severe working conditions implying collisions of the actuators with stiff environments. Therefore, this manuscript will first focus on the characterization of the electro-mechanical actuator and of its performances in this specific case of application, enabled by the development of a multi-energy test-rig. Beside the validation of the EMA capacities, a physic law model will be developed, and its parameters tuned according to the experimental results. In a second part of this manuscript, two novel control laws will be proposed, aiming respectively to reduce the negative repercussions of the discrete characteristic of the electrical converter, and to counterpart the lack of natural compliance of the mechanical actuator. They will be both based on the concept of predictive control, but will differ from the conventional implementation of this type of controller. The first proposed topology is a modulator based on a vector Pulse Width Modulation, in which the PWM sequence to be used is defined online by a predictive controller according to a cost function that takes into account the current ripples, the switching losses and the common mode voltages specific to the sequences. Next, a position-based impedance controller, whose impedance parameters are defined online by a predictive controller, is introduced, in order to enable the EMA to penetrate a stiff environment with a relatively low dynamic increase of compression force on the mechanical transmission.