Dissertations / Theses on the topic 'Machines électriques'

Determination automatique d'un pas de calcul variable et recherche directe du regime permanent. Transformation des equations d'etat par diagonalisation permettant leur resolution analytique et la reduction d'ordre. Application aux machines a pole saillant. Utilisation de la methode de gear

Toute machine électrique est source de fuites électromagnétiques externes. Ces champs, de valeurs faibles d'un point de vue électrotechnique classique, peuvent se révéler néfastes pour certaines applications, notamment dans le domaine de la détection. L'objectif de cette thèse est donc la discrétion électromagnétique des machines électriques tournantes. Un banc d'essais et un protocole de mesures ont été mis en place. Ils permettent d'étudier avec précision la signature électromagnétique des machines à différentes distances, ainsi que l'influence de certains paramètres comme la nature des flasques ou la présence du rotor. Les effets d'une excentricité sur le rayonnement ont également été évalués dans une optique de prévention et de maintenance des machines électriques. Des modèles numériques, utilisant les éléments finis, ont ensuite été développés. Le modèle 2D ne convient que pour des études qualitatives, ses hypothèses ne rendant pas suffisamment compte de la réalité. L'intérêt du modèle 3D réside dans sa capacité à représenter correctement les phénomènes physiques à l'extérieur de la machine. Un modèle analytique est également proposé dans ce mémoire. De conception simple, basée sur la représentation par moments dipolaires équivalents, il aide à la compréhension de la signature électromagnétique. Enfin, grâce à ces modèles, des solutions de compensations optimales des fuites par un blindage actif, sont envisagées après une présentation de l'état de l'art des solutions utilisées actuellement
Every electrical machine produces electromagnetic stray fields. Those fields have low values in term of classical electrotechnics, but in other applications they seem high, like for example in magnetic detection. In this way the aim of this thesis is the reduction of electromagnetic stray fields of electrical machines. An experimental set has been installed. It allows to study, with a great accuracy, the electromagnetic signature of machines and tbe influence of sorne elements as the presence of end shields, and the rotor. The effect of eccentricity has been shown in a purpose of machine safety and maintenance. Numerical models have been developed. The 2D model gives only qualitative results because of its hypothesis : end windings not taken Înto account and infinite length of the machine. The 3D model is able to represent physical phenomena outside the machine. A simple analytical model is also described in this thesis. It is based on the representation by equivalent magnetic dipoles. It helps to understand the signature of the machines. Finally, thanks to those models, solutions for stray fields reduction, as an active shielding, have been considered, after a review of the present usual solutions

Ce mémoire de thèse présente l'étude d'une structure cylindrique de machine à double entrefer, en versions asynchrone et synchrone. L'étude théorique est basée sur l'identification du schéma équivalent de la machine à partir des simulations numériques par la méthode des éléments finis. Les paramètres qui caractérisent son comportement en régime dynamique sont déterminés en simulant l'essai de la réponse fréquentielle à l'arrêt. Une maquette, dont le double stator peut fonctionner soit en mode asynchrone, avec un rotor à cage d'écureuil, soit en mode synchrone, avec un rotor à aimants permanents, a été dimensionnée et construite pour la caractérisation expérimentale de cette structure. Chaque version de la maquette est comparée avec une machine classique de même type. La version synchrone s'avère mieux adaptée à la structure à double entrefer : sa puissance massique est sensiblement améliorée et son rotor ne pose pas de problèmes particuliers de tenue mécanique. Les deux versions de cette maquette sont intéressantes par leur moment d'inertie rotorique réduit

Le but de notre etude etait de realiser l'isolation de conducteurs pour machines electriques par une methode autre que la methode classique. Nous avons selectionne deux modes d'application: le poudrage electrostatique par bain fluidise et l'electrophorese, permettant de revetir des conducteurs preformes. Seule l'electrophorese donne satisfaction quant aux qualites isolantes du revetement obtenu. Ces revetements sont constitues principalement d'un liant polyester-imide-lactame, que nous avons mis au point et synthetise, et d'une charge minerale: le mica. Une etude theorique de la repartition des champs electriques ainsi que la realisation pratique de l'isolation au niveau pilote sur conducteurs preformes, ont ete effectuees et ont donne d'excellents resultats. Des tensions de claquage tres interessantes de 11 kv/mm pendant deux mois a 200c ont pu etre obtenues, prouvant que le procede peut parfaitement se substituer a l'isolation classique

Ce memoire est dedie a une presentation des systemes de commande pour machines asynchrones triphases utilisees dans des variateurs de vitesse. Les cas de l'orientation du flux, du decouplage et de la commande adaptative sont analyses tour a tour au niveau du formalisme, de la description sous forme de schema-blocs, de la simulation et de l'implantation dans un systeme numerique de controle. Les differentes commandes proposees pour l'alimentation en courant et en tension de la machine et des criteres de choix des diffrents regulateurs sont egalement developpes avec une etude de la robustesse aux variations des parametres de la machine. Le systeme de commande numerique utilise pour l'implantation tourne autour d'un processur rapide de traitement du signal associe a des circuits d'interface

Cette thèse s’intéresse à l’analyse de structures de machines électriques non conventionnelles destinées à la production d’électricité par des groupes électrogènes. Les topologies recherchées doivent utiliser moins de matières actives et/ou simplifier la procédure de fabrication par rapport aux machines actuelles.Une des structures est dédiée au système d’excitation de la machine. Elle possède un stator à griffes avec un bobinage toroïdal. Son dimensionnement est réalisé à l’aide d’un modèle de calcul par éléments finis en 3D, qui a été validé expérimentalement. Cette structure permet d’obtenir une réduction significative de la quantité de cuivre dans le bobinage.Les deux autres structures traitées concernent l’alternateur principal. Une machine synchro-réluctante à barrières deflux et à rotor bobiné a été proposée. L’objectif est d’augmenter la densité de couple grâce au couple de saillance. Elle est dimensionnée et comparée avec la structure conventionnelle. Ce cas met en évidence les limitations des structures proches de la structure actuelle.La dernière structure est une nouvelle topologie de machine électrique. Elle combine les caractéristiques des machines à flux axial et des machines à griffes, permettant de simplifier le système d’excitation. Une approche de modélisation originale a été développée pour l’analyse de cette topologie 3D en vue de son dimensionnement par optimisation. Le système d’excitation a un rôle important dans les performances de cette machine.Cette thèse constate aussi que l’évolution future des matériaux magnétiques pourrait tirer meilleur profit des structures non-conventionnelles avec des trajets de flux tridimensionnels
The PhD project aims to analyse nonconventional structures of electric machines for electric power generation with diesel gensets. The researched topologies should use less active materials and/or simplify the manufacturing process compared to today’s machines.One of the structures is intended for the excitation system of the electric machine. It is composed of a claw-pole stator and a toroidal winding. It is designed using a 3D Finite Element model, previously validated by a prototype. This structure allows a significant reduction of the quantity of copper of the field winding.The other two structures under study are proposed for the main generator. A synchronous-reluctance machine with flux-barriers and a field winding in the rotor is analysed. The objective is to increase the torque density by increasing the reluctance torque. The designed machine is compared to the conventional structure. This case shows the limitations of structures similar to the current structure.The last structure is a new topology of electric machine. It combines the characteristics of claw-pole machines andaxial-flux machines. An original modelling approach is developed to analyse this 3D structure for its design based on an optimization algorithm. The study shows that the excitation system has a key role in its performances.This work also notes that the future evolution of magnetic materials should benefit the use of non-conventional structures with 3D flux paths

Le travail présenté dans cette thèse propose des nouvelles méthodes de diagnostic des défauts dans les machines à courant alternatif. Les procédures de diagnostic décrites sont fiables, originales, peu coûteuses et simples à mettre en œuvre. Elles présentent l’avantage d’être non invasives et viennent éliminer le principal inconvénient présenté par les autres méthodes de diagnostic déjà connues qui ont recours à la comparaison avec un état supposé sain et connu. L’analyse porte principalement sur le champ magnétique de dispersion, plus particulièrement ses composantes axiales et radiales qui présentent des sensibilités différentes aux défauts. À cet effet, les phénomènes dus aux défauts de court-circuit entre spires dans le bobinage statorique, l’excentricité et la rupture de barres rotoriques, sont étudiés. Il est abordé en particulier les effets de ces défauts dans le cas de la machine asynchrone et celui de la machine synchrone sur le champ axial et sur le champ radial. Pour chaque défaut, des signatures spécifiques sont mises en évidence et expliquées par la modélisation analytique et la modélisation numérique qui comprend les méthodes par circuits électriques couplés et méthodes par éléments finis. Des défauts ont été créés au rotor et au stator sur différentes machines, afin de valider expérimentalement les méthodes de diagnostic proposées
The work described in this thesis proposes new procedures to diagnose faults in AC machines. The diagnostic procedures described are reliable, original, inexpensive and simple to implement. They have the advantage of being noninvasive and just get rid from the main drawback presented by other diagnostic methods based on a comparison with a healthy state assumed to be known. The analysis focuses on the magnetic field dispersion in the vicinity of the machine, especially its radial an axial distribution which presents different sensitivity according to various faults. To this end, the phenomena due to inter-turn short-circuit faults in the stator winding, rotor eccentricity and broken rotor bars, are studied in the case of an induction machine and a synchronous machine. For each fault, specific signatures are identified and justified by analytical modeling and numerical method of analysis including coupled electric circuit and finite element methods. Defects have been created in the rotor and stator on different machines in order to validate experimentally the suggested diagnostic procedures

Implanter une machine électrique dans un véhicule hybride pose avant tout des problèmes d’encombrement. Sous-dimensionner la machine semble légitime compte tenu de l’usage qui en est fait sur véhicule. Par contre, cela suppose que les aspects thermiques soient pris en compte non seulement lors de l’utilisation, mais aussi lors de la conception de la machine. Le phénomène majeur limitant la densité de puissance massique des machines électriques est l’échauffement interne des bobines et des aimants. La modélisation thermique de la machine est complexe compte tenu de la diversité des sources de chaleur et de la coexistence de différents modes de transferts thermiques : conduction dans la matière, convection avec l’eau de refroidissement, conduction, convection et rayonnement dans l’entrefer. En termes de géométrie, si une première approche peut être réalisée en ne considérant que des flux de chaleur radiaux, la composante axiale doit nécessairement être prise en compte dès lors qu’on veut tenir compte aussi des extrémités de machine, et notamment de la chaleur produite par les roulements et les têtes de bobines. Ainsi pour pouvoir analyser pertinemment les transferts thermiques dans la machine, des méthodes numériques de type CFD ont été utilisées pour caractériser le transfert thermique par convection. La caractérisation des échanges thermiques par convection naturelle et forcée a été réalisée à l’intérieur d’une machine synchrone à aimants permanents internes (MAPI). Des relations empiriques ont été proposées afin de prendre en compte le couplage entre la thermique et l’aérodynamique dans les cavités des machines électriques totalement fermées. Afin de valider la pertinence des modèles numériques dans le cadre de ce travail, des mesures thermiques à l’aide des moyens d’essais de l’UTC ont été réalisées. Les résultats de cette étude sont utilisés pour construire des circuits thermiques équivalents qui prennent en compte les phénomènes thermiques complexes dans les machines électriques fermées utilisées dans les véhicules hybrides et électriques. Ces recommandations de conception permettront l’optimisation de l’effort investi pour le refroidissement de la machine électrique dans ses différentes phases de fonctionnement
The integration of an electrical machine into modern hybrid vehicles is associated with new technical constraints such as the integrability into small volume without losing certainly in performance. Therefore, the development of compacter electrical machines is a well-founded argument for car manufacturers as well as electrical machine designers. On the other hand, this finding assumes that the thermal aspects are undertaken not only during the operation of the electrical machine, but also during the design process. The internal heat generated in different areas impacts strongly the power density and the magnet health which deeply reduce the electrical machine reliability. Heat transfer modeling inside electrical machines is a tricky task because of the strong coupling between the different physics governing their operations. Indeed, the generated losses spread inside the electrical machine through three heat transfer modes which are: conduction (heat diffusion), convection(heat transport) and radiation (heat scattering). In terms of geometry, if a first approach can be carried out by considering only radial heat fluxes, the axially-transferred heat must be undertaken when it is also necessary to consider end caps effects, and particularly the heat released by the bearings. In order to carry out relevantly the thermal analysis of a permanent magnets synchronous machine, CFD based methods are used to characterize the convective heat transfer inside this machine over a large operating range. Both natural and forced convection are analyzed and the corresponding heat transfer coefficients are numerically-estimated. Empirical equations are proposed in order to take into account the coupling between thermal and fluid dynamics inside the cavities of the studied totally-enclosed machine. These correlations are integrated then into a detailed and reduced thermal network. Experimental tests are carried out using a test bench in order to measure temperature distribution in different areas of the electrical machine. Afterward, a comparison between estimated and measured temperatures shows that the results of the numerically-enhanced thermal network are in a good agreement with measurements. Thus, the proposed recommendations based on CFD modeling allow the convective heat transfer to be characterize quickly and precisely. These correlations are useful for upcoming studies dealing with convection inside automotive electrical machines as well as high speed electrical machines

Les travaux presentes dans ce memoire concernent l'association d'une machine a induction monophasee a condensateur avec des convertisseurs alternatif-alternatif comportant des interrupteurs bidirectionnels. Dans une premiere partie, la modelisation de la machine sous forme d'equations matricielles derivees des methodes du champ transversal et du champ tournant permet de mettre en uvre une technique d'identification industrielle basee sur un minimum de mesures a l'entree et a la sortie. Les lois de commande de la machine sont ensuite etablies a partir d'une simulation a l'aide du logiciel emtp (electromagnetic transient program). La seconde partie est consacree a l'etude des convertisseurs alternatif-alternatif a interrupteurs bidirectionnels et plus particulierement aux methodes de commande rapprochee. Un cycloconvertisseur mono-interrupteur permettant de faire varier la frequence de facon discrete est developpe et teste en association avec la machine. D'autre part, une structure a interrupteurs bidirectionnels a commutation dure est egalement proposee pour la reduction des harmoniques de courant et a la sortie du convertisseur

Après mes travaux de thèse effectués au Laboratoire l'Electricité, Signaux, et Robotique, (LESiR) de l'Ecole Normale Supérieure de Cachan, devenu depuis Laboratoire des Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie (SATIE), j'ai eu la chance de travailler au sein de différentes équipes de recherche en génie électrique, tout d'abord, en Grande Bretagne, à l'"Electrical Machines and Drives Group" de l'Université de Sheffield, puis à Belfort au Laboratoire d'Electronique, Electrotechnique et Systèmes (L2ES), et enfin au Havre, au sein du Groupe de Recherche en Electrotechnique et Automatique du Havre (GREAH). Ce document me permet de présenter ces travaux afin de solliciter une Habilitation à Diriger des Recherches. Ce mémoire comporte trois parties. Une première partie où sont regroupés mon CV, une présentation de mes activités d'enseignement, d'administration, d'encadrement et de recherche et enfin une énumération des publications auxquelles j'ai participé. Dans la seconde partie, qui constitue le cœur de ce mémoire, une présentation plus approfondie de mes thématiques de recherche sera abordée. Ces thématiques sont regroupées en deux catégories : l'une plus fondamentale, du point de vue des sciences de l'ingénieur, concerne la modélisation des machines électriques, et la seconde plus applicative concerne les machines synchrones à double excitation. Alors que lors de mes travaux de thèse, qui concernaient les machines synchrones à double excitation, j'ai été plus utilisateur que développeur de méthodes de modélisation, je me suis de plus en plus orienté vers le développement de modèles au cours de mon séjour à l'Université de Sheffield et maintenant au GREAH. Les modèles développés sont bien adaptés pour le dimensionnement optimal des machines électriques. Ils sont de deux natures : * modèles analytiques ; * modèles semi-numériques. Les modèles analytiques sont basés sur la résolution formelle des équations de Maxwell dans les régions à perméabilité uniforme. Par modèles semi-numériques on entend les modèles basés sur les réseaux de permeances. La thématique des machines synchrones à double excitation, bien que n'étant pas une problématique fondamentale à proprement dit, permet d'apporter des réponses à des problématiques qui ne le sont pas moins : "défluxage" des machines à aimants permanents, optimisation énergétique, et enfin augmentation du coût des aimants permanents. Cette thématique est essentiellement menée en collaboration avec des collègues de l'équipe Systèmes d'Énergies pour les Transports et l'Environnement (SETE) du SATIE. Enfin, dans la troisième partie un bilan global des activités de recherche est dressé. Ce bilan permettra de revenir sur les points que je considère essentiels de ces activités, et de dégager quelques perspectives aux court, moyen, et long termes.

Le diagnostic des machines électriques est d'une grande importance dans le domaine industriel, car une panne peut être très coûteuse, voire dangereuse. Pour cette raison, la recherche dans ce domaine est de plus en plus orientée vers la détection et la localisation des défauts naissants. Ceci implique le besoin d'un modèle de la machine, qui devrait être simple afin de rendre le diagnostic possible et rapide, tout en gardant une précision suffisante. Le travail effectué dans le cadre de cette thèse porte sur la modélisation des machines synchrones et asynchrones par réseaux de réluctances en fonctionnement sain et lors des défauts. Nous avons validé l'utilisation de cette méthode de modélisation pour le diagnostic de défauts. La comparaison des résultats donnés par les simulations avec ceux obtenus par les expérimentations est très favorable à la méthode de modélisation présentée

Les machines électriques deviennent le mode principal de propulsion des navires civils depuis quelques années car elles présentent de nombreux avantages. Cependant, l'application aux bâtiments militaires pose des problèmes de discrétion magnétique, notamment pour la lutte anti-mines. Le but de cette thèse est par conséquent de déterminer les champs magnétiques émis par une machine électrique. L'étude et la connaissance de ces champs permettent alors de les compenser de manière à rendre la machine magnétiquement discrète. La solution réside dans un système de compensation externe composé de bobines alimentées judicieusement selon les champs rotorique et statorique de la machine

La numérisation systématique des systèmes de commande des machines électriques peut apporter: stabilité, évolutivité, aptitude à la communication et à l'amélioration de la sureté de fonctionnement. Cependant, les contraintes posées par ce domaine spécifique (contraintes de temps en particulier) ont limité le recours massif aux microprocesseurs. Certains composants aujourd'hui disponibles peuvent apporter des solutions intéressantes à ces problèmes. Aussi, dans un premier chapitre, la thèse présente un catalogue comparatif de ces produits: microprocesseurs, RISC, CISC, microcontroleurs, DSP, ASIC, transputers. . . Le second chapitre est une étude bibliographique donnant quelques exemples dans le domaine des machines électriques en utilisant ces différents produits. Dans le troisième chapitre, la thèse présente un circuit ASIC conçu a l'Ensem. Ce circuit a été spécialement conçu pour la commande d'un demi-pont de thyristors. Ainsi, il a été utilisé conjointement à un microcontrôleur pur la commande d'un hacheur. Le rôle du microcontrôleur est de fournir à l'ASIC le taux de modélisation désiré, compte tenu du courant et de la vitesse. Le chapitre suivant montre l'utilisation du même microcontrôleur pour la commande d'un cyclo-convertisseur. Après avoir décrit l'électronique d'interface du système, l'algorithme de commande est décrit avec la méthode marel. L'auteur montre que la puissance du microcontrôleur est suffisante pour la commande d'un cycloconvertisseur triphasé, mais pour des raisons de sureté, il recommande plutôt l'emploi d'un microcontrôleur par phase. En conclusion, il recommande pour l'avenir de ne pas hésiter à recourir aux solutions multiprocesseurs spécialisés, chaque type pouvant apporter une solution à un problème ponctuel avec des performances optimales

Ce travail de thèse traite de la détection des défauts de bobinages au stator dans les machines électriques contenant une structure d'amortissement. Les courts-circuits entre spires d'un même enroulement sont souvent la prémisse de l'apparition d'autres défauts de bobinages dont les conséquences sont plus sévères. La précocité de détection est donc essentielle pour préserver les machines et leur environnement humain ou matériel. Dans cet ouvrage, nous proposons une solution innovante de discrimination des courts-circuits basée sur la redondance de signaux mesurés au rotor. Pour définir celle-ci, une modélisation d'ordre élevé combinant l'approche des éléments finis et celle des circuits couplés a été employée. La première est utilisée pour déterminer les paramètres (couplages magnétiques) exploités par la seconde qui n'est autre que le modèle comportemental. Comme l'inconvénient de cette combinaison d'approches est le temps utile à l'identification des couplages magnétiques et sachant que diverses configurations de bobinage doivent être modélisées, une nouvelle méthodologie d'identification a été développée. Après une première identification (éléments finis) à temps réduit, celle-ci offre la possibilité d'estimer les paramètres d'une configuration de bobinage souhaitée sans réutilisation de la résolution par éléments finis. En plus de son exploitation pour mettre en œuvre le procédé de détection présenté, cette méthodologie d'identification est un générateur de paramètres utiles pour des détections basées sur « l'estimation paramétrique ». La modélisation des circuits couplés présente un excellent rapport précision/temps de calcul et une bonne efficacité dans la représentation des phénomènes spatiotemporels. L'intégration d'un défaut de bobinage nécessite de faire évoluer les équations de circuits du modèle. À des fins d'atteindre l'objectif de cette thèse, la structure du modèle a été modifiée pour introduire les courts-circuits entre spires au stator. En dehors de l'application présentée, l'association de la méthode d'identification avec le modèle comportemental permet la reproduction rapide de forme d'onde multiple, notamment exploitable dans les approches de détection orientée « signal ». Enfin, à partir de l'outil résultant des travaux précédents, le procédé de diagnostic a pu être déterminé. La sensibilité de détection est le critère principal pour la définition de la technique instrumentale et des traitements de signaux du procédé. L'influence des conditions de fonctionnement sur la sensibilité de détection est évaluée et est considérée pour le choix des solutions retenues. Ce procédé a été validé expérimentalement sur un alternateur synchrone à rotor bobiné de 5.4KVA.
Ce travail de thèse traite de la détection des défauts de bobinages au stator dans les machines électriques contenant une structure d'amortissement. Les courts-circuits entre spires d'un même enroulement sont souvent la prémisse de l'apparition d'autres défauts de bobinages dont les conséquences sont plus sévères. La précocité de détection est donc essentielle pour préserver les machines et leur environnement humain ou matériel. Dans cet ouvrage, nous proposons une solution innovante de discrimination des courts-circuits basée sur la redondance de signaux mesurés au rotor. Pour définir celle-ci, une modélisation d'ordre élevé combinant l'approche des éléments finis et celle des circuits couplés a été employée. La première est utilisée pour déterminer les paramètres (couplages magnétiques) exploités par la seconde qui n'est autre que le modèle comportemental. Comme l'inconvénient de cette combinaison d'approches est le temps utile à l'identification des couplages magnétiques et sachant que diverses configurations de bobinage doivent être modélisées, une nouvelle méthodologie d'identification a été développée. Après une première identification (éléments finis) à temps réduit, celle-ci offre la possibilité d'estimer les paramètres d'une configuration de bobinage souhaitée sans réutilisation de la résolution par éléments finis. En plus de son exploitation pour mettre en œuvre le procédé de détection présenté, cette méthodologie d'identification est un générateur de paramètres utiles pour des détections basées sur « l'estimation paramétrique ». La modélisation des circuits couplés présente un excellent rapport précision/temps de calcul et une bonne efficacité dans la représentation des phénomènes spatiotemporels. L'intégration d'un défaut de bobinage nécessite de faire évoluer les équations de circuits du modèle. À des fins d'atteindre l'objectif de cette thèse, la structure du modèle a été modifiée pour introduire les courts-circuits entre spires au stator. En dehors de l'application présentée, l'association de la méthode d'identification avec le modèle comportemental permet la reproduction rapide de forme d'onde multiple, notamment exploitable dans les approches de détection orientée « signal ». Enfin, à partir de l'outil résultant des travaux précédents, le procédé de diagnostic a pu être déterminé. La sensibilité de détection est le critère principal pour la définition de la technique instrumentale et des traitements de signaux du procédé. L'influence des conditions de fonctionnement sur la sensibilité de détection est évaluée et est considérée pour le choix des solutions retenues. Ce procédé a été validé expérimentalement sur un alternateur synchrone à rotor bobiné de 5.4KVA.
This thesis deals with the detection of stator winding faults in electrical machines containing a damping structure. Short-circuits between turns of the same winding are often the premise for the appearance of other winding faults, the consequences of which are more severe. Early detection is therefore essential to preserve machines and their human or material environment. In this book, we propose an innovative solution to short-circuit discrimination based on the redundancy of signals measured at the rotor. To define this, high-order modelling combining the finite element approach and that of coupled circuits was used. The first is used to determine the parameters (magnetic couplings) exploited by the second which is none other than the behavioural model. As the downside of this combination of approach is the time taken to identify magnetic couplings and the knowledge that various coil configurations must be modelled, a new identification methodology was developed. After an initial identification (finite elements) at short notice, this offers the possibility of estimating the parameters of a desired winding configuration without reusing the finite element resolution. In addition to its use to implement the detection method presented, this identification methodology is a generator of useful parameters for detections based on "parametric estimation". The modelling of coupled circuits presents an excellent precision / calculation time ratio and a good efficiency in the representation of spatial-temporal phenomena. Integrating a winding fault requires changing the model's circuit equations. In order to achieve the objective of this thesis, the structure of the model has been modified to introduce the short circuits between turns at the stator. Apart from the application presented, the association of the identification method with the behavioural model allows the rapid production of multiple waveforms, particularly usable in "signal" oriented detection approaches. Finally, from the tool resulting from the previous work, the diagnostic process could be determined. The detection sensitivity is the main criterion for the definition of the instrumental technique and the signal processing of the process. The influence of the operating conditions on the detection sensitivity is evaluated and is considered for the choice of the solutions adopted. This process has been validated experimentally on a synchronous alternator with wound rotor of 5.4KVA.
This thesis deals with the detection of stator winding faults in electrical machines containing a damping structure. Short-circuits between turns of the same winding are often the premise for the appearance of other winding faults, the consequences of which are more severe. Early detection is therefore essential to preserve machines and their human or material environment. In this book, we propose an innovative solution to short-circuit discrimination based on the redundancy of signals measured at the rotor. To define this, high-order modelling combining the finite element approach and that of coupled circuits was used. The first is used to determine the parameters (magnetic couplings) exploited by the second which is none other than the behavioural model. As the downside of this combination of approach is the time taken to identify magnetic couplings and the knowledge that various coil configurations must be modelled, a new identification methodology was developed. After an initial identification (finite elements) at short notice, this offers the possibility of estimating the parameters of a desired winding configuration without reusing the finite element resolution. In addition to its use to implement the detection method presented, this identification methodology is a generator of useful parameters for detections based on "parametric estimation". The modelling of coupled circuits presents an excellent precision / calculation time ratio and a good efficiency in the representation of spatial-temporal phenomena. Integrating a winding fault requires changing the model's circuit equations. In order to achieve the objective of this thesis, the structure of the model has been modified to introduce the short circuits between turns at the stator. Apart from the application presented, the association of the identification method with the behavioural model allows the rapid production of multiple waveforms, particularly usable in "signal" oriented detection approaches. Finally, from the tool resulting from the previous work, the diagnostic process could be determined. The detection sensitivity is the main criterion for the definition of the instrumental technique and the signal processing of the process. The influence of the operating conditions on the detection sensitivity is evaluated and is considered for the choice of the solutions adopted. This process has been validated experimentally on a synchronous alternator with wound rotor of 5.4KVA.

Les stratégies de commande avancée des machines électriques nécessitent une connaissance précise de la position et/ou de la vitesse du rotor. Ces grandeurs mécaniques sont traditionnellement mesurées par des capteurs, ce qui augmente le coût et diminue la fiabilité et la robustesse du système. D’où l’importance de la commande sans capteurs mécaniques, dite commande sensorless : elle consiste à remplacer les capteurs physiques par un observateur d’état, qui estime les grandeurs mécaniques en se basant sur un modèle de la machine et à partir de ses entrées (tensions) et ses sorties (courants mesurés). Toutefois, avant d’entamer la synthèse d’un observateur, il faut examiner l’observabilité du système, c.à.d. vérifier si les grandeurs à estimer peuvent être reconstruites à partir des mesures et des entrées du système.Ce travail de thèse concerne la modélisation et l’étude d’observabilité des machines électriques en vue de la commande sensorless. Dans un premier temps, les modèles des machines électriques sont établis, et il est montré qu’une modélisation unifiée des machines à courant alternatif est possible. Ensuite, en se basant sur ces modèles, l’observabilité des machines électriques est étudiée en vue de la commande sensorless. La théorie d’observabilité instantanée locale est appliquée, ce qui permet de formuler des conditions analytiques, faciles à interpréter et à vérifier en temps-réel, et qui font le lien avec les phénomènes physiques dans les machines. La validité des conditions d’observabilité est confirmée par des simulations et sur des données expérimentales, en appliquant un observateur de type Kalman étendu.Cette thèse contribue à une nouvelle vision des machines à courant alternatif commandées sans capteurs mécaniques, et à une compréhension plus profonde de leurs propriétés. Elle contribue ainsi à la synthèse de stratégies d’observation plus performantes dans les régimes de fonctionnement critiques (à vitesse nulle et/ou à fréquence d’entrée nulle).Les nouveaux concepts proposés dans cette thèse, tels que le flux équivalent et le vecteur d’observabilité, avec les résultats obtenus, ouvrent de nouveaux horizons dans un domaine qui paraît devenir assez mature
High-performance control of electric drives requires an accurate knowledge of the rotor position and/or speed. These mechanical variables are traditionally measured using sensors, which increases the cost and reduces both the robustness and the reliability of the system. This emphasizes the importance of electric drives control without shaft sensors, often referred to as sensorless control : it consists of replacing sensors with a state observer algorithm, that estimates the desired mechanical variables from currents and voltages sensing and based on the system’s model. Nevertheless, before designing a state observer, the observability ofthe system should be examined, that is, it should be checked whether the states to be estimated can be reconstructed, unambiguously, from the input/output signalsof the system.This work addresses the modeling and the observability analysis of electric drives in the view of mechanical sensors removal. Firstly, electrical machines models areelaborated, and it is shown that a unified modeling of alternating current machines is feasible, for the purpose of designing unified control and estimation strategies.The observability of the machines’ models is next studied in the view of sensorless control. The local instantaneous observability theory is applied, which enables us to formulate physically insightful analytic conditions that can be easily interpreted and tested in real time. The validity of the observability conditions is confirmed by numerical simulations and experimental data, using an extended Kalman observer.This work contributes to novel outlooks on the sensorless alternating current drives and to a deeper understanding of its properties, in order to develop higher performance estimation techniques in the critical operating conditions (mainly at standstill and/or zero-stator-frequency).The concepts introduced throughout this thesis, such as the equivalent flux and the observability vector, with the obtained results, open new horizons in a domainthat seems to become mature enough

Ce travail traite de la modelisation des ensembles formes par des dispositifs electromagnetiques associes a des convertisseurs statiques par resolution simultanee des equations du champ dans le dispositif et des equations de type circuit du convertisseur. Un autre aspect de ce travail concerne la modelisation des phenomenes lies a l'augmentation des frequences d'alimentation de ces dispositifs. Le memoire comporte quatre chapitres: dans le premier chapitre une formulation generale du probleme du couplage entre les equations du champ dans un dispositif electromagnetique et les equations d'un circuit quelconque est presentee. Une methode generale basee sur la technique des elements finis et sur un algorithme general de mise en equation des circuits permet de mettre automatiquement l'ensemble de ces equations sous forme d'un systeme unique d'equations differentielles. Le deuxieme chapitre est consacre a la resolution, par des methodes numeriques, du systeme d'equations differentielles presente dans le chapitre precedent. Differentes methodes sont presentees et comparees. La methode utilisee pour la gestion du temps de simulation et des commutations des interrupteurs electroniques du convertisseur statique est decrite. La modelisation des effets dus a la montee en frequence des dispositifs electromagnetiques est traitee dans le troisieme chapitre. Une procedure permettant de caracteriser en fonction de la frequence les phenomenes lies aux courants induits, ainsi qu'une formulation pour modeliser les effets capacitifs dans ces dispositifs sont proposees. Enfin le quatrieme chapitre presente des exemples d'application qui concernent aussi bien la simulation des associations dispositifs electromagnetiques-convertisseurs-statiques, que la caracterisation frequentielle des dispositifs electromagnetiques

Dans le contexte de la traction électrique, l'amélioration du rendement de l'ensemble convertisseur-machine alternative est une nécessité. L'optimisation énergétique globale impose une approche système. Pour parvenir à cet objectif, nous avons opté pour une démarche algébrique s'appuyant sur les modélisations des parties constituantes des sous-ensembles. Dans une première phase, un modèle de Park de la machine synchrone prenant en compte la saturation du circuit magnétique et les pertes fer a été élaboré. Ensuite, un modèle moyen d'ondulateur a été utilisé afin d'obtenir un modèle de pertes simplifié s'intégrant dans notre approche d'optimisation. Ainsi, un modèle considérant les pertes de la machine synchrone et les pertes du convertisseur a pu être obtenu. Des résultats expérimentaux ont permis de valider nos approches. Ce travail propose une méthodologie basée sur une formulation algébrique générale des lois de consignes nécessaires à une demande de couple. Les algorithmes prennent en compte la saturation du circuit magnétique et considèrent les pertes de la machine et de son convertisseur. Des résultats expérimentaux ont permis de vérifier leurs validités en temps réel sur plusieurs bancs de tests. Le gain sur le rendement est significatif par rapport aux stratégies de commandes usuelles. La démarche proposée peut être généralisée à d'autres configurations machine-convertisseur. Ainsi, nous avons étendu cette approche à la machine asynchrone. En complément de cette étude, nous nous sommes intéressés à l'influence, dans le plan couple vitesse, des limitations naturelles des tensions et des courants. Ainsi, des formulations algébriques du plan couple vitesse et des stratégies d'optimisation sous contraintes ont été proposées
Improving the efficiency of the converter-alternating current motor system is a major task in electric traction. Global energy optimisation implies a specific approach at system scale. To reach this goal, we have chosen an algebraic method using sub-system models. To start with, a synchronous machine Park model is developed to take into account magnetic saturation and iron lasses. Then, an averaged model of the voltage inverter is used in order to obtain a simplified model of the lasses to be implemented in our optimisation method. This is how the global model is built including lasses in the synchronous machine along with the lasses of the power converter. Experimental results are there to validate our approach. This study proposes a method based on algebraic formulation of the general laws to control torque. Algorithms take into account the magnetic circuit saturation and power lasses in both the machine and its converter. Here again, experimental results validate the algorithm on several test benches. Achieved efficiency improvement is important compared to existing usual control strategies. The proposed method can be generalised to other machine-converter systems. As a matter of fact we have extended our "study to the induction machine. As a complement to this study we have looked at the effects of natural limitations of voltages and currents in the torque-speed plane. Therefore algebraic formulation of the torque-speed plane and optimisation strategies are proposed including those constraints

Il est désormais indéniable que le réseau électrique est un système complexe, fortement non linéaire et multivariable. Cependant, sa stabilité et sa performance transitoire sont assurées par 3 compensateurs linéaires qui travaillent de façon indépendante et non coordonnée. Ceci entraîne nécessairement des compromis sur la performance et une stabilité qui n'est pas toujours garantie suite à une perturbation. L'objectif de cette thèse est de proposer une approche multivariable pour la conception de régulateurs non linéaires adaptatifs de tension et de vitesse qui sont plus adaptés à la nature du réseau électrique. Pour atteindre cet objectif, nous proposons d'abord une approche de modélisation qui unifie les approches classiques. Le modèle obtenu est une équation dynamique multivariable où l'influence du réseau sur chaque générateur est une perturbation structurée. Cependant, ce modèle est à déphasage non minimal. Une nouvelle méthode de synthèse adaptée aux systèmes non linéaires à déphasage non minimal est alors proposée. Elle consiste à appliquer la linéarisation entrée - sortie puis à stabiliser le système par une combinaison de commandes linéaire et non linéaire utilisant aussi bien les variables de la dynamique externe que celles de la dynamique interne. Cette nouvelle méthode de synthèse sert de base à la conception du régulateur décentralisé multivariable robuste de tension et de vitesse. Ce dernier atténue de façon efficace les oscillations inter zones. Une version adaptative du régulateur est proposée. Un processus d'adaptation met à jour les paramètres de ce dernier après une variation de la charge du réseau et renforce ainsi la robustesse du compensateur. Les résultats de simulation attestent de l'efficacité de la méthode de conception et de la validité de l'approche de modélisation. Le réseau électrique étant un système de grande taille, une approche de conception globale où tous les compensateurs travaillent de façon plus coordonnée est une solution envisageable et intéressante mais un défi de taille.

L'auteur presente la conception et la mise au point d'un logiciel d'identification des parametres du modele de park des machines synchrones et asynchrones destinees a etre alimentees par convertisseurs statiques. Les parametres electrotechniques sont estimes a partir des essais en regime transitoire. Le logiciel est base sur la methodologie du modele de reference appliquee hors-ligne, laquelle minimise un critere, qui est fonction de l'erreur entre les sorties de la machine et du modele, par un algorithme d'optimisation du type quasi-newton. Le systeme est teste en remplacant des resultats experimentaux par des resultats de simulation obtenus avec des parametres connus. Le systeme est valide par l'estimation des parametres d'un modele multi-enroulements et un actionneur asynchrone reel. Dans le domaine des techniques d'estimation en-ligne, l'auteur presente l'estimation de la resistance rotorique d'une machine asynchrone par le filtre de kalman etendu. Ce filtre permet d'estimer les etats de la machine (courants statoriques et flux rotoriques) et la resistance rotorique

Les algorithmes de surveillance (détection et localisation des pannes) reposent sur l'analyse d'un signal, appelé résidu, qui reflète la cohérence entre le comportement du modèle du système non défaillant et le comportement du système réel. Les résidus sont créés en utilisant essentiellement deux types d'approches : les observateurs et l'espace de parité. Dans ce mémoire, nous considérons des systèmes non-linéaires et comparons les résidus générés par les deux approches. Nous appliquons ensuite les résultats sur deux types de moteurs électriques. L'approche de type observateur nécessite en général deux étapes. Dans un premier temps, un sous-système découplé des perturbations et d'un sous-ensemble de pannes est extrait du modèle. Dans un second temps, un observateur est implanté sur ce sous système. Les résidus sont générés en comparant les grandeurs mesurées aux grandeurs estimées. Trois types d'observateurs sont étudiés dans ce mémoire : les observateurs de Luenberger, à grand gain et à mode glissant. L'approche de l'espace de parité consiste à extraire du système des relations d'entrée/sortie appelées Relation de Redondance Analytique (RRA). Les résidus sont générés en évaluant ces RRA avec les signaux mesurés. Les outils mis en œuvre pour obtenir des relations robustes vis-à-vis des entrées inconnues et des pannes sont plus simples que ceux utilisés pour extraire les sous-systèmes découplés dans l'approche observateur. Toutefois, un inconvénient majeur de cette approche est la nécessité de calculer des dérivées des signaux mesurés à des ordres parfois élevés. Pour les systèmes linéaires, il a été montré que les résidus issus de ces deux méthodes sont liés par un filtre linéaire. Dans un premier temps, nous étendons ce résultat aux systèmes non linéaires linéarisables.

Le contrôle de qualité est une tache très importante dans l'industrie. Dans le cas étudie (contrôle des moteurs en fin de chaîne dans l'entreprise Valeo), les moteurs électriques sont contrôles par des opérateurs humains. Ce contrôle, effectue en cabine isolée acoustiquement, comprend trois aspects: contrôle visuel, contrôle fonctionnel sur banc et contrôle vibro-acoustique subjectif, moteur tenu a la main par l'opérateur. Le contrôle vibro-acoustique en fin de chaîne vise a séparer les bons des mauvais et a identifier certains types de défauts. Il consiste a ranger les moteurs en 5 classes. Le sujet de la thèse porte sur l'étude de la possibilité d'automatiser cette opération et remplacer le contrôle subjectif par un système de contrôle automatique a partir de mesures sur banc. L'objectif principal est ainsi de réaliser une classification supervisée a partir de mesures sur un banc-test. Un banc d'analyse vibratoire a été conçu et réalise. Les mesures vibratoires sont complétées par des mesures électriques pour déterminer les signatures des différents défauts. Dans cette thèse, nous faisons l'état de l'art dans l'analyse de l'origine du bruit des machines, l'appréciation des nuisances acoustiques associées et leur mesure. Ensuite, les sources de bruit du moto-reducteur étudie dans la thèse sont identifiées. Une description du banc d'analyse est donnée: conception, réalisation, et test. Les méthodes d'analyse des signaux et les paramètres retenus pour caractériser les machines sont, ensuite, abordes. En ce qui concerne la classification, les points suivants ont été traites: présélection des paramètres pertinents, rappel et performance des méthodes classiques, ainsi que des approches spécifiques adaptées aux données traitées. Plusieurs approches de classification ont été comparées: seuillage sur les paramètres, réseau neuronal, analyse en composantes principales et analyse discriminante. Le tri bon/mauvais est obtenu avec un excellent accord avec le classement subjectif. Pour le tri entre défauts, les résultats sont moyens. Avant même de chercher a les affiner il faut s'assurer de la reproductibilité du tri subjectif lui-même. Les perspectives paraissent satisfaisantes

Ce travail de thèse traite de la détection des défauts de bobinages au stator dans les machines électriques contenant une structure d’amortissement. Les courts-circuits entre spires d’un même enroulement sont souvent la prémisse de l’apparition d’autres défauts de bobinages dont les conséquences sont plus sévères. La précocité de détection est donc essentielle pour préserver les machines et leur environnement humain ou matériel. Dans cet ouvrage, nous proposons une solution innovante de discrimination des courts-circuits basée sur la redondance de signaux mesurés au rotor. Pour définir celle-ci, une modélisation d’ordre élevé combinant l’approche des éléments finis et celle des circuits couplés a été employée. La première est utilisée pour déterminer les paramètres (couplages magnétiques) exploités par la seconde qui n’est autre que le modèle comportemental. Comme l’inconvénient de cette combinaison d’approches est le temps utile à l’identification des couplages magnétiques et sachant que diverses configurations de bobinage doivent être modélisées, une nouvelle méthodologie d’identification a été développée. Après une première identification (éléments finis) à temps réduit, celle-ci offre la possibilité d’estimer les paramètres d’une configuration de bobinage souhaitée sans réutilisation de la résolution par éléments finis. En plus de son exploitation pour mettre en œuvre le procédé de détection présenté, cette méthodologie d’identification est un générateur de paramètres utiles pour des détections basées sur « l’estimation paramétrique ». La modélisation des circuits couplés présente un excellent rapport précision/temps de calcul et une bonne efficacité dans la représentation des phénomènes spatiotemporels. L’intégration d’un défaut de bobinage nécessite de faire évoluer les équations de circuits du modèle. À des fins d’atteindre l’objectif de cette thèse, la structure du modèle a été modifiée pour introduire les courts-circuits entre spires au stator. En dehors de l’application présentée, l’association de la méthode d’identification avec le modèle comportemental permet la reproduction rapide de forme d’onde multiple, notamment exploitable dans les approches de détection orientée « signal ». Enfin, à partir de l’outil résultant des travaux précédents, le procédé de diagnostic a pu être déterminé. La sensibilité de détection est le critère principal pour la définition de la technique instrumentale et des traitements de signaux du procédé. L’influence des conditions de fonctionnement sur la sensibilité de détection est évaluée et est considérée pour le choix des solutions retenues. Ce procédé a été validé expérimentalement sur un alternateur synchrone à rotor bobiné de 5.4KVA.
This thesis deals with the detection of stator winding faults in electrical machines containing a damping structure. Short-circuits between turns of the same winding are often the premise for the appearance of other winding faults, the consequences of which are more severe. Early detection is therefore essential to preserve machines and their human or material environment. In this book, we propose an innovative solution to short-circuit discrimination based on the redundancy of signals measured at the rotor. To define this, high-order modelling combining the finite element approach and that of coupled circuits was used. The first is used to determine the parameters (magnetic couplings) exploited by the second which is none other than the behavioural model. As the downside of this combination of approach is the time taken to identify magnetic couplings and the knowledge that various coil configurations must be modelled, a new identification methodology was developed. After an initial identification (finite elements) at short notice, this offers the possibility of estimating the parameters of adesired winding configuration without reusing the finite element resolution. In addition to its use to implement the detection method presented, this identification methodology is a generator of useful parameters for detections based on "parametric estimation". The modelling of coupled circuits presents an excellent precision/ calculation time ratio and a good efficiency in the representation of spatial-temporal phenomena. Integrating awinding fault requires changing the model's circuit equations. In order to achieve the objective of this thesis, the structure of the model has been modified to introduce the short circuits between turns at the stator. Apart from the application presented, the association of the identification method with the behavioural model allows therapid production of multiple waveforms, particularly usable in "signal" oriented detection approaches. Finally, from the tool resulting from the previous work, the diagnostic process could be determined. The detection sensitivity is the main criterion for the definition of the instrumental technique and the signal processing of the process. The influence of the operating conditions on the detection sensitivity is evaluated and is considered forthe choice of the solutions adopted. This process has been validated experimentally on a synchronous alternator with wound rotor of 5.4KVA.

Dans la concurrence accrue qui caractérise la société actuelle, la maîtrise des délais d'étude et de la qualité passe par une instrumentation de la démarche de conception. L'accélération du renouvellement des produits et de la mise en œuvre des technologies innovantes, l'introduction de nouvelles contraintes liées au développement durable et la définition des objectifs de conception non plus au niveau des actionneurs mais davantage au niveau du système remettent en cause les anciennes stratégies heuristiques de conception. Face à la complexité des nouvelles conceptions, une instrumentation de la démarche est faite par l'emploi des techniques d'optimisation et d'outils de modélisation au sein de stratégies rationnelles.
Une conception optimale résulte ainsi de la bonne adéquation entre les modèles, les algorithmes d'optimisation, les formulations mathématiques et les démarches de conception les mettant en œuvre. Ce mémoire présente chacun de ces éléments et met en exergue leurs interactions. Les formulations sont multiples et il revient au concepteur de choisir celle qui convient à son application. Des transformations permettent de passer d'un formalisme à un autre et apportent une plus grande souplesse dans la démarche de conception. Les modèles les plus utilisés pour la conception des dispositifs électrotechniques sont classés en trois catégories : les modèles analytiques, les modèles éléments finis, et les modèles semi-numériques. Leurs propriétés sont complémentaires et aucune catégorie ne domine une autre mais chacune réalise un compromis optimal entre la précision et le temps de calcul. Enfin, les caractéristiques des algorithmes sont souvent complémentaires et l'hybridation est une solution efficace pour réduire le temps d'optimisation et augmenter la précision.
Des optimisations menées avec plusieurs algorithmes et modèles confirment les fortes interactions qui existent entre les choix d'un modèle, d'un algorithme et d'une formulation. Au-delà des caractéristiques intrinsèques des algorithmes, leur mise en œuvre pour l'optimisation des dispositifs électrotechniques reste l'épreuve de vérité et apporte quelques surprises. La maîtrise d'une diversité de modèles, d'algorithmes et de formulations garantit au concepteur d'arriver de façon rationnelle à un dispositif optimal.
Les perspectives de recherche à moyen terme concernent les algorithmes d'optimisation déterministes globaux à variables mixtes et les modèles et algorithmes capables de faire des choix structurels et de matériaux. Les perspectives à long terme portent sur l'optimisation systémique multi-niveau et multi-échelle.

Construction de modeles de systemes electromecaniques sous forme de schemas equivalents magnetiques associes a des schemas equivalents thermiques. Applications aux machines synchrones magnetoelectriques

Les arrets de productions dus aux defauts dans les machines coutent cher et representent une part importante de l'investissement initial. Pour les machines asynchrones, 20% des defauts sont imputables au rotor. Il a ete decide de surveiller les defauts rotoriques par des mesures thermiques au rotor et par analyse spectrale du couple electromagnetique. Une analyse spectrale du couple electromagnetique est obtenue par mesure des courants statoriques et mesure des flux par spires de flux dans l'entrefer. Afin d'eviter les spires de flux, un observateur non lineaire sans capteur des flux rotoriques ni de la vitesse a ete developpe. Un modele multi-enroulements nous a permis d'obtenir l'expression du couple et la distribution des courants de barres en presence de defauts au rotor. Un modele thermique par schema electrique equivalent avec prise en compte d'une barre cassee est presente. En outre une methode originale de mesure des temperatures rotoriques par fibre optique est utilisee. Nous avons montre que des evolutions significatives des harmoniques de couple apparaissent avec un rotor defectueux et que des gradients thermiques sont plus importants pour un regime transitoire que pour un regime permanent

Les ruptures de l'isolation des bobinages du stator représentent une partie importante des disfonctionnements constatés sur les machines électriques. Ces défaillances, liées en grande partie à une dégradation progressive du diélectrique, peuvent s'accentuer si les machines sont alimentées par l'intermédiaire de convertisseurs statiques, opèrent dans des conditions climatiques sévères ou évoluent dans des atmosphères corrosives comme l'air salin. La méthode de surveillance de la dégradation du diélectrique proposée dans cette thèse est basée sur la mesure indirecte des variations de la capacité entre les spires des bobines au cours de leur vieillissement. L'étude expérimentale menée sur des éprouvettes torsadées ou des bobines destinées à une motorette, établit un lien entre cette capacité, la tension de claquage et la probabilité de rupture à la tension nominale. Lorsque la machine entière est considérée, les variations des capacités entre les spires provoquent un glissement de certaines résonances hautes fréquences qui sont détectables par le nouveau système de surveillance proposé. Le principe consiste à superposer une tension sinusoïdale de fréquence élevée (quelques MHz), proche de la résonance choisie, aux signaux de puissance du stator. Ce signal permet d'effectuer les mesures nécessaires au suivi des variations lentes de cette fréquence de résonance provoquées par la dégradation du diélectrique. La mesure peut être faite sur le courant HF ou sur la composante correspondante du champ magnétique relevée dans l'environnement proche de la machine. La détection synchrone mise en oeuvre permet de travailler dans un environnement fortement bruité
Stator winding insulation breakdown is at the origin of one of the major cause of AC machine failures. These defaults, linked to the slow weakening of the insulation material properties, may appear earlier when the machine is fed by an adjustable speed drive (ASD), works under severe climatic conditions or in a corrosive atmosphere such as salty air. The new monitoring system of the stator dielectric aging proposed in this PhD thesis is based on the indirect measurement of the winding turn to turn capacitance. Experiments performed on twisted pair specimens and motorette windings establish a link between the turn to turn capacitance, the insulation breakdown voltage and the probability of failure at rated voltage. Considering an entire machine, the changes in turn to turn capacitance yield a slip of several high frequency resonances of the windings which can be detected by the new monitoring system. The principle consists of adding a high low-level voltage to the winding at a frequency near the chosen resonance frequency. This signal allows to perform the measurement of the slow slip of the resonance frequency. The measurement can be made on the current or on the high frequency magnetic field in the immediate vicinity of the machine. The synchronous detection principle is used in order to be able to measure low-level signals in a noisy environment

L'utilisation des aimants Néodyme-Fer-Bore dans les machines électriques pose de nombreux problèmes. Nous nous sommes intéressés aux caractérisasses magnétiques de ces aimants en fonction de la température et du champ qui leur est appliqué. En particulier nous avons mis en évidence les rotations de la polarisation des aimants rorquals sont soumis à un champ magnétique de direction quelconque. Nous avons aussi déterminé leur champ limite de réversibilité et son évolution avec la température. La simulation, par la méthode des éléments finis, du fonctionnement de plusieurs structures classiques de machine a mis en évidence différentes contraintes magnétiques subies par les aimants. Finalement l'ensemble de cette étude nous a permis de définir les éléments d'utilisation des aimants NdFeB dans les machines électriques

Les travaux présentés dans cette thèse abordent le sujet de la génération électrique embarquée dans les avions de futur. L'objectif principal étant de trouver de nouvelles structures de machines électriques qui peuvent répondre aux nouvelles exigences avioniques. Nous nous sommes particulièrement intéressés à une Machine à Commutation de Flux à Double Excitation avec Pont Magnétique (MCFDEPM). La structure de cette machine présente plusieurs avantages comme des sources d'excitation statiques, un rotor passif et une structure particulière du stator qui permet d'avoir une faible tension rémanente respectant ainsi les contraintes de sécurité du cahier des charges. Dans le premier chapitre, nous avons présenté un état de l'art sur les machines à commutation de flux à simple et à double excitation. Nous avons donné aussi les règles qui définissent le choix du nombre de pôles statoriques et rotoriques. Le chapitre 2 a été consacré pour étudier les performances électromagnétiques de la MCFDEPM en utilisant un modèle en éléments finis. Ce modèle a été validé par des mesures expérimentales réalisées sur un prototype 3 kW. Dans un dernier chapitre, nous avons mis en place une méthodologie d'optimisation en éléments finis pour améliorer les performances en charge de la MCFDEPM et limiter sa tension rémanente. Les résultats de l'optimisation ont montré des performances bien améliorées. La MCFDEPM se présente comme une bonne candidate pour remplacer la machine à 3 étages dans l'avion du futur
This work addresses the subject of the embedded electric generation in future aircraft. The main objective is to find a new electrical machine structures that can meet the new avionic requirements. We have been particularly interested in a Hybrid Excited Flux Switching machine with a Magnetic Bridge (HEFSMMB). The structure of this machine has several advantages such as static excitation sources, a passive rotor and a unique stator structure which makes it possible to have a low residual voltage, thus respecting the safety constraints. We have presented in the first chapter a state of the art on singly and doubly excited flux switching machines. We have also given the rules which define the choice of the number of stator and rotor poles. Chapter 2 was devoted to study the electromagnetic performances of the HEFSMMB using a finite element model. This model has been validated by experimental measurements carried out on a 3 kW prototype. In the final chapter, we have put in place an optimization methodology in order to improve the overall performances of the HEFSMMB and to limit its residual voltage. The optimization results showed much improved performances. It can be concluded that the MCFDEPM is a good candidate to replace the three-stage machine in future aircraft

Ce travail de thèse a pour objectifs l'observation et la commande des convertisseurs multi-niveaux et la commande des machines synchrones. Pour satisfaire le besoin des clients de l’entreprise GS Maintenance et pour des raisons de maintenance, une commande en courant de la machine synchrone est implémentée expérimentalement. L'accent est mis sur le démarrage de ce type de machines car durant ces phases de fonctionnement (basses vitesses), les forces électromotrices sont faibles pour assurer la commutation des thyristors de l'onduleur. Ensuite, l'entreprise a proposé à ses clients un convertisseur statique en moyenne tension afin de garder sa place dans la variation de vitesse. Dans ce cadre, une commande en tension moderne de la machine synchrone alimentée par un onduleur de tension est proposée et validée par des résultats de simulation. Compte tenu du fonctionnement en moyenne tension, les convertisseurs multi-niveaux ont été retenus par l’entreprise. Dans ce cadre, le convertisseur multicellulaire série est proposé dans ce travail et une commande directe basée sur la théorie des modes glissants et le principe de priorité est conçue pour assurer l'équilibrage des tensions flottantes du convertisseur. Cette commande a été généralisée pour un nombre quelconque de cellules du convertisseur et validée par des résultats de simulation pour un nombre de cellules égal à 7. Pour réduire le coût et l'encombrement du convertisseur, un observateur adaptatif des tensions flottantes est proposé en prenant en compte les états de commutation du convertisseur. Cet observateur est ensuite associé à la commande directe en boucle fermée. Un banc d'essai du convertisseur à 3 cellules est réalisé au sein de l’entreprise et l’ensemble « observateur + commande directe » est testé expérimentalement sur ce banc
This PhD thesis aims to the observation and control of multilevel converters and the synchronous machines control. To satisfy the needs of GS Maintenance's customers and for maintenance reasons, a control strategy for a current fed self controlled synchronous machine is validated by experiments tests. The proposed strategy focus on a very low speed because the machine counter electromotive force is insufficient for inverter thyristors switching. Recently, the company proposed for its customers a power converter with medium voltage to keep its place in the speed variation. So, a modern voltage control of the synchronous machine fed by a voltage inverter is proposed and validated by simulation results. Medium voltage operation encouraged the company to choose the multi-level converter. Then, the flying capacitor converter is proposed in this work and a direct control based on the sliding mode theory and the priority principle is designed to guarantee the voltage balance. This control strategy has been generalized for any number of cells of the converter and validated by simulation results for a 7 cells converter. To reduce the cost and complexity of the converter, an adaptive observer floating voltages is proposed by taking into account the switching states of the converter. This observer is then associated with the direct control in closed loop. A test bench of a 3 cells converter is set up in the company. Experimental tests of « observer based direct control » are then conducted on this test bench

Ce travail de recherche est consacré à l'élaboration d'une méthode de compensation active des vibrations d'une machine tournante électrique. Son originalité tient au fait que les enroulements statoriques sont alimentés par des courants de commande additionnels afin d'engendrer des forces radiales sur le stator. Celui-ci répond alors par des vibrations additionnelles qui interagissent avec les vibrations naturelles de la machine. Le but de ce système de contrôle actif est donc de calculer la valeur ”optimale” de ces courants, permettant de minimiser la puissance des signaux vibratoires au niveau de capteurs accéléromètriques fixés à la périphérie du stator. Dans un premier temps, la modélisation du transfert situé entre les commandes et les contre-vibrations engendrées conduit à un système linéaire et variant périodiquement dans le temps (LVPT). La fréquence fondamentale de ses variations est alors proportionnelle à la fréquence de rotation de la machine. Après avoir montré l'insuffisance des méthodes classiques de contrôle actif pour cette application, une étude théorique détaillée des systèmes LVPT est réalisée. Elle conduit à la définition d'une matrice de transfert, jouant le même rôle que la fonction de transfert classique employée pour les systèmes linéaires et invariants dans le temps. Cette matrice permet d'écrire simplement la relation entre les entrées et les sorties du système considéré dans le domaine fréquentiel. Finalement, les résultats précédents sont utilisés afin de déterminer l'expression optimale des courants de commande minimisant la puissance des signaux de vibrations mesurés. Un algorithme récursif permet également de converger vers cet optimum, et de prendre en compte d'éventuelles variations des perturbations vibratoires à éliminer. Divers résultats, obtenus sur des signaux synthétiques puis sur des signaux vibratoires réels, illustrent les performances obtenues par ce système de contrôle actif. Il permet une réduction significative des vibrations synchrones au phénomène de rotation, sans pour autant modifier les caractéristiques des autres. Enfin, son implantation en temps-réel dans un processeur numérique de traitement de signal est discutée et réalisée
This work is devoted to elaborate an active control system of rotating machine vibrations. It is based on additional currents supplying the stator coils of the machine. They generate radial forces on the stator frame, and finally create additional vibrations which interact with the machine ones. Therefore, the aim of this system is to process the optimal value of the input currents, in order to minimize the vibration signals power measured on the stator frame by several accelerometers. First, the transfer function between the input currrents and the engendered vibrations is modelized by a linear and periodically time-varying (LPTV) system. Moreover, its fondamental frequency is shown proportional to the machine rotating frequency. Applied to the present problem, classical active control methods reach middling performance, a theoritical study of LPTV systems is thus realized. It leads to the definition of a transfer matrix, having the same properties than the classical transfer function used for linear and time-invariant systems. By using this matrix, a simple frequency relation can be obtained linking inputs and outputs of a LPTV system. Then, previous results are used to determine the optimal value of the input currents minimizing the power of the measured vibration signals. Moreover, an adaptive algorithm permits to reach this optimum and to take into account some potential variations of the vibratory disturbances. The performance obtained by this processing are illustrated thanks to simulations on synthetic and real data. The synchronous vibrations with the machine rotation are significantly reduced, unlike the asynchronous ones, which are left unchanged. The real-time implementation of this algorithm is finally described and realized thanks to a digital signal processor

L'évolution des technologies et des problématiques environnementales a encouragé le développement de nouvelles structures de machines électriques. Nous vous proposons dans cette thèse d'étudier deux structures de machines discoïdes à double entrefer et aimants permanents enterrés. Une réflexion sera menée sur le potentiel industriel de chacune à l'aide d'outils de modélisation récents (modélisation tridimensionnelle par éléments finis sous FLUX), de méthodes d'optimisation nouvelles (méthodes des plans d'expériences numériques) et de matériaux ferromagnétiques peu utilisés à l'heure actuelle (poudre de fer). A l'issu de cette recherche, nous pourrons proposer de nouveaux moteurs performants dans la gamme de petite et moyenne puissance. Ces machines, combinées à une alimentation appropriée, pourront être utilisées comme entraînement à vitesse variable dans tous les secteurs de l'industrie
The evolution of technology and environmental problems has encouraged the development of new structures of electrical machines. Ln this thesis, we propose to study two structures: dual gap discoid machines and permanent magnets buried. Using current modelling tools (three-dimensional finite element modelling with FLUX) with new optimization methods (digital design of experiments methods) and ferromagnetic materials rarely used at present (iron powder), a study will be conducted on the industrial potential of each structure. At the end of this research, we propose new efficient machines within the small and medium power range. These machines, combined with proper supply, can be used as variable speed drives in ail sectors of industry

Ce travail de recherche est consacré à l'élaboration d'une méthode de compensation active des vibrations d'une machine tournante électrique. Son originalité tient au fait que les enroulements statoriques sont alimentés par
des courants de commande additionnels afin d'engendrer des forces radiales sur le stator. Celui-ci répond alors par des vibrations additionnelles qui interagissent avec les vibrations naturelles de la machine. Le but de ce
système de contrôle actif est donc de calculer la valeur ”optimale” de ces courants, permettant de minimiser la puissance des signaux vibratoires au niveau de capteurs accéléromètriques fixés à la périphérie du stator.
Dans un premier temps, la modélisation du transfert situé entre les commandes et les contre-vibrations engendrées conduit à un système linéaire et variant périodiquement dans le temps (LVPT). La fréquence fondamentale de ses variations est alors proportionnelle à la fréquence de rotation de la machine.
Après avoir montré l'insuffisance des méthodes classiques de contrôle actif pour cette application, une étude théorique détaillée des systèmes LVPT est réalisée. Elle conduit à la définition d'une matrice de transfert, jouant le même rôle que la fonction de transfert classique employée pour les systèmes linéaires et invariants dans le temps. Cette matrice permet d'écrire simplement la relation entre les entrées et les sorties du système
considéré dans le domaine fréquentiel.
Finalement, les résultats précédents sont utilisés afin de déterminer l'expression optimale des courants de commande minimisant la puissance des signaux de vibrations mesurés. Un algorithme récursif permet également de converger vers cet optimum, et de prendre en compte d'éventuelles variations des perturbations vibratoires à éliminer. Divers résultats, obtenus sur des signaux synthétiques puis sur des signaux vibratoires réels, illustrent les performances obtenues par ce système de contrôle actif. Il permet une réduction significative des vibrations
synchrones au phénomène de rotation, sans pour autant modifier les caractéristiques des autres. Enfin, son implantation en temps-réel dans un processeur numérique de traitement de signal est discutée et réalisée.

L’interaction des harmoniques de courants avec les f. E. M. De la machine est la cause principale de l'existence des composantes pulsatoires dans le couple électromagnétique. Dans le domaine des fortes puissances, il est difficile de faire appel à des techniques de modulation sans avoir recours à des solutions couteuses. À partir du rappel des caractéristiques des principales associations convertisseur-machine de fortes puissances, on a montré qu'il était difficile d'obtenir des ondulations inferieures en valeur relative à 10 %. Pour cela, on a proposé de considérer séparément le problème de l'alimentation de celui de la pollution harmonique à l'entrée de la machine. On associe pour cela avec le convertisseur d'alimentation un filtre actif, dont le rôle est de supprimer les imperfections de l'alimentation et d'assurer la qualité du couple. Une étude de principe des différentes possibilités d'associations convertisseur d'alimentation-filtre actif a été d'abord présentée. De cette étude les notions importantes quant aux possibilités de filtrage actif des ondulations de couple ont été établies et ont montré l'intérêt du filtrage en tension du courant issu d'un commutateur de courant. La machine double étoile alimentée en courant possède l'avantage d'éliminer les harmoniques de couple de rang 6k avec k impair et offre des possibilités intéressantes de redondance. Ceci a permis d'optimiser le dimensionnement et l'utilisation du filtre actif. Enfin, la subdivision des harmoniques de courant en termes actifs et réactifs a conduit à un gain important au niveau du dimensionnement du filtre actif.

L'objectif de ce travail de thèse est de définir et de présenter une nouvelle approche de la conception sous contraintes de machines électriques. Celle-ci permet aux électrotechniciens d'utiliser l'ordinateur non pas seulement comme un outil d'analyse mais aussi comme un outil ayant de réelles facultés de dimensionnement automatique. Cette approche offre de grands avantages comme: -la gestion des contraintes d'un cahier des charges, -la gestion de l'interdépendance des phénomènes physiques intervenant dans une machine, -ou encore l'optimisation des solutions trouvées. Cependant sa grande originalité est qu'elle assure automatiquement la génération du logiciel de conception. Pour cela elle utilise comme connaissance de base, un modèle analytique de la machine à laquelle on s'intéresse, et comme moyen, des techniques de calcul symbolique et de programmation automatique. Afin de guider le processus de conception, elle emploie des algorithmes génériques d'optimisation numérique sous contraintes. Cette approche est notamment appliquée, dans ce mémoire, au dimensionnement de machines asynchrones
The aim of this work is to define and to present a new approach to the design with constraints of electrical devices. It gives to electrical engineers and searchers the opportunity to use computers not only as analysis tools but also as tools that have real capabilities to make automatic designs. This approach offers great advantages like the ability: -to take into account constraints on the specifications of the device, -to take into account the interdependence of all the physical phenomenon that occur, - to find optimal solutions. However its main originality is that it automatically generates the design software by using techniques of symbolic calculation and automatic programming. For this an analytical model of the device is used as basic knowledge. For the design process, constrained optimisation algorithms are used. In this work, the approach is particularly used for the design of induction machines

La commande des convertisseurs statiques, associes eventuellement a des moteurs, remplit plusieurs fonctions dont l'amorcage des semi-conducteurs et la regulation de courant, ou la rapidite est un facteur determinant. Dans ce memoire, un procede de modulation d'impulsions et de regulation de courant, est etudie. Nous presentons les modulations de largeur d'impulsions habituellement employees et en degageons les avantages et les inconvenients. Nous definissons les caracteristiques d'un nouveau modulateur. En reponse, la structure d'un oscillateur est superposee a celle d'un amplificateur ideal de tension asservi en courant. Il est montre que la frequence d'oscillation est peu sensible aux parametres electriques de la charge. L'amplificateur est ensuite non-lineaire, a savoir un hacheur ideal. Une analyse theorique du procede, remplissant les fonctions de regulation du courant et de controle de la frequence maximale de hachage du convertisseur de puissance, permet de deduire les courants et de calculer leurs spectres. Les simulations et experimentations confirment les resultats theoriques. Enfin, le principe applique aux courants monophases est etendu aux courants triphases. Les resultats montrent le comportement stable de la structure, confirme par les essais utilisant plusieurs convertisseurs et charges de puissance. Les cartes electroniques realisees emploient des composants rapides de l'electronique analogique petits signaux. Finalement, la fonction etudiee pourrait donner lieu a un composant specifique integre dans le futur.

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.

Le travail présenté dans ce mémoire traite de la problématique du dimensionnement de structures innovantes de génératrices, à savoir les machines à flux axial ou encore discoïdes, destinées aux éoliennes de grande puissance allant jusqu'à deux dizaines de mégawatts. Les machines synchrones à aimants permanents à flux axial étant intrinsèquement tridimensionnelles, l'optimisation de leur dimensionnement nécessite un modèle dimensionnant tridimensionnel et multiphysique qui peut être, de par sa nature 3D, très consommateur en mémoire et en temps de calcul. On se propose donc, dans ce mémoire, de développer une approche de modélisation par constantes localisées offrant un très bon rapport entre vitesse de calcul et précision afin d'accélérer de façon significative les premières phases de la procédure de dimensionnement. L'approche par constantes localisées peut par ailleurs s'appliquer de manière similaire aux principales physiques concernées (magnétique, thermique et mécanique). Plus particulièrement pour la partie magnétique, l'approche par constantes localisées est mise en œuvre par le biais de réseaux réluctants magnétiques génériques. Le principe de la méthode développée repose sur le découpage de la géométrie de la machine en volumes élémentaires finis parallélépipédiques à l'instar de qui est fait avec la méthode des éléments finis. En effet, chaque volume élémentaire étant modélisé par un réseau réluctant local, le découpage de la géométrie conduit à la génération automatique du système algébrique magnétique de la structure et dont la solution fournit la distribution locale du potentiel scalaire magnétique aux nœuds des volumes élémentaires. Cette approche de modélisation a été implémentée dans un code de calcul interne au GREAH. La modélisation de la génératrice à flux axial par réseaux réluctants a été validée par des simulations 2D et 3D par éléments finis. Le code de calcul développé intègrera les travaux en cours sur les modèles thermique et mécanique au GREAH afin d'aboutir à un code de calcul multi-physique par constantes localisées
The aim of this PhD thesis is to propose a design approach of the axial flux permanent magnet synchronous generator for multi megawatts wind converter application. The axial flux permanent magnet synchronous machine being intrinsically three dimensional, a 3D multiphysics sizing model is needed in order to conduct an efficient optimal design of this type of machines. Unfortunately, 3D multiphysic models are generally issued from finite element method. So, they are very heavy to be handled in a reduced time from an engineer point of view and especially at the first stages of the design procedure. In order to address the faster axial flux machine design, this PhD thesis develops a lumped parameters approach modelling offering a good computation time to precision ratio and thus helping to reduce considerably the spent time in the first stages design procedure. The lumped parameters modelling approach is also well suited for the modelling of the three main physics to be considered in an electrical generator (magnetic model, thermal model and mechanical model). For the magnetic model, the lumped parameters approach consists, in this thesis, in the development of a generic magnetic reluctance network linked to the machine geometry. In fact, the latter is divided into parallelepipedic elementary volumes, each of them is modelled by a local reluctance network. The reluctance network of the hole machine geometry results then automatically in an algebraic magnetic system, the solution of which provides the distribution of the scalar magnetic potential at the elementary volume nodes. The described lumped parameters modelling was implemented in a computational code developed at the GREAH Lab. The effectiveness of the reluctance network axial flux machine modelling was validated by 2D and 3D finite element simulations. The lumped parameters computational code will regroup the ongoing developments of thermal and mechanical models at the GREAH Lab in order to reach the completion of a mutliphysics lumped parameters computational code

Après avoir rappelé le principe de fonctionnement d'une machine à reluctance variable à structure cylindrique a double saillance, nous avons défini les principaux paramètres géométriques de la machine permettant son dimensionnement. L'optimisation de ces paramètres nécessite la mise en oeuvre de modèles spécifiques de la machine afin de prédéterminer ses caractéristiques electromagnetiques. Dans un premier temps, nous présentons un modèle de calcul par éléments finis utilisant un processus de maillage auto adaptatif. Ensuite, nous avons étudie des modèles analytiques permettant des calculs rapides et dont le principe repose sur un découpage sommaire de la machine en éléments simples. Le calcul de l'état magnétique de la machine est effectue en évaluant les reluctances de chaque élément et en tenant compte de la saturation magnétique. Ensuite, nous avons valide ces modèles analytiques sur une structure de capteur a reluctance variable. Nous avons présente son principe de fonctionnement puis nous avons montre la grande influence de la perméabilité du fer et des couplages entre phases. Enfin, nous avons étudie une structure de machine a reluctance variable et montre que la predetermination des caractéristiques de couple de ces machines a l'aide de ces outils de calcul donnait des résultats satisfaisants

Étude de machines cryoélectriques synchrones homopolaires saturées. Étude expérimentale et modélisation tridimensionnelle du champ d'excitation. Application au calcul des portes dans l'écran et des caractéristiques électromécaniques, ainsi qu’à l'optimisation. Application aux entrainements linéaires

L'énergie dissipée dans les machines électrique se situe, pour une grande partie, dans les tôles électriques utilisées pour la composition de leur circuit magnétique. Une analyse complète du comportement dynamique des ces tôles est menée, elle met en évidence sa sensibilité à la vitesse de variation de l'induction. Cette analyse conduit, grâce à une séparation des aspects statiques et dynamiques, à la définition d'un modèle d'hystérésis dynamique qui permet une représentation précise des tôles électriques. Le modèle d'hystérésis est ensuite combiné à une méthode d'analyse numérique par éléments finis pour évaluer localement la puissance dissipée par le circuit magnétique de la machine. La méthode est validée dans le cas de machines asynchrones de faible puissance. Une analyse complémentaire dans ce cas précis permet de déterminer d'autres phénomènes dissipatifs responsables de pertes supplémentaires. Ils ont pour origine soit des propriétés intrinsèques des matériaux, comme l'anisotropie, soit des opérations du processus de fabrication, comme les courts-circuits en surface du rotor. La prise en compte de l'ensemble de ces phénomènes a conduit à un modèle qui permet de prédire avec précision le rendement des machines électriques

Les conséquences importantes sur l'environnement d'une consommation grandissante d'énergie rendent indispensable une maîtrise du rendement des dispositifs électriques. Il est nécessaire pour améliorer les performances de ces dispositifs de posséder non seulement d'une connaissance fine des phénomènes dissipatifs mais aussi d'outils permettant une simulation- efficace. Parmi tous ces dispositifs, les machines électriques représentent une part très importante. L'énergie dissipée s'y situe, pour une grande partie, dans les tôles électriques utilisées pour la composition de leur circuit magnétique. Une analyse complète du comportement dynamique des ces tôles est menée, elle met en évidence sa sensibilité à la vitesse de variation de l'induction. Cette analyse conduit, grâce à une séparation des aspects statiques et dynamiques, à la définition d'un modèle d'hystérésis dynamique qui permet une représentation précise des tôles électriques. Le modèle d'hystérésis est ensuite combiné à une méthode d'analyse numérique par éléments finis pour évaluer localement la puissance dissipée par le circuit magnétique de la machine. La méthode est validée dans le cas de machines asynchrones de faible puissance. Une analyse complémentaire dans ce cas précis permet de déterminer d'autres phénomènes dissipatifs responsables de pertes supplémentaires. Ils ont pour origine soit des propriétés intrinsèques des matériaux, comme l'anisotropie, soit des opérations du processus de fabrication, comme les courts-circuits en surface du rotor. La prise en compte de l'ensemble de ces phénomènes a conduit à un modèle qui permet de prédire avec précision le rendement des machines électriques.

Ce travail de thèse porte sur l'étude et l'expérimentation d'une machine synchrone rapide a reluctance variable. Apres une synthèse bibliographique des machines électriques rapides, nous présentons une modélisation de notre machine dans le repère de park. Cette dernière a permis de mettre en évidence les paramètres nécessaires a la caractérisation de la machine étudiée et a sa commande. Grâce a un dispositif expérimental, nous avons pu mesurer les paramètres de la machine. Par la suite, une identification des performances a été réalisée. De plus, une simulation 2d, comparée aux résultats expérimentaux, a montre une bonne concordance

Ce travail est consacre a la definition et a la conception d'electroniques d'alimentation et de commande adaptees aux moteurs piezo-electriques, a partir d'une analyse et d'une caracterisation globale de la conversion electromecanique de l'energie realisee dans ces nouveaux actionneurs. Apres quelques brefs rappels sur l'effet piezo-electrique, les mecanismes de la conversion electromecanique de l'energie exploitee dans les principales structures de moteurs piezo-electriques sont precises et caracterises experimentalement. La synthese de modeles electriques equivalents a ces moteurs, et plus particulierement au moteur a onde progressive, est alors proposee afin de representer globalement le comportement electrique vu des bornes de l'actionneur. En partant du schema equivalent au moteur a onde progressive, une methodologie generique et rationnelle est ensuite elaboree en vue de definir des architectures de convertisseurs d'alimentation et des strategies de commande appropriees. La synthese des connaissances relatives au comportement electromecanique du moteur et des principes generaux d'alimentation et de commande, permet finalement de concevoir, de realiser et d'experimenter une structure d'alimentation particulierement simple et originale

Le travail de thèse porte sur l'intégration d'algorithmes de commande des machines électriques à courant alternatif. Deux types de commande : une de type scalaire et une de type vectoriel ont été particulièrement étudiés et implantés avec deux stratégies différentes. D'abord, une commande vectorielle a été complètement câblée dans un circuit ASIC, puis une implantation mixte employant un circuit ASIC d'un côté et un processeur numérique (un DSP) de l'autre a été réalisée. Les architectures à structure modulaire qui ont été mis en œuvre comportent deo; unités fonctionnelles réutilisables. La mise en place de ces architectures a été rendue possible à l'aide de l'emploi d'une méthodologie de conception dite mixte. Une interface de simulation numérique/analogique de l'ensemble du système de commande et de la chaîne d'entraînement a, par ailleurs. été mise en place et testée sous l'environnement SPW. Enfin, pour introduire l'intégration du système de commande ainsi réalisée à l'aspect système proprement dit où la puissance doit cohabiter avec les circuits de contrôle, une ouverture vers cet approche environnementale a été développée à travers des mesure CEM.

L'objectif de ce travail est le diagnostic des défauts diélectriques et électriques des machines tournantes, plus précisément le diagnostic des changements ou des anomalies dans les signaux mesurés. Par ses propriétés de localisation temps-fréquence, l'Analyse Multirésolution est une méthode adaptable au diagnostic. Les choix de l'ondelette mère et du nombre de niveaux de décomposition sont les degrés de liberté qui lui permettent d'extraire des informations pertinentes des signaux analysés. Son implantation par des filtres numériques réduit le coût des calculs engendrés. La méthode de détection des défauts réalise en-ligne le calcul des coefficients d'ondelettes. Un taux d'alarme graduel est obtenu en fonction du type et de la persistance du défaut. Les méthodes de localisation et d'identification du défaut tiennent compte du contenu spectral des vecteurs de coefficients à chaque niveau de décomposition pour déterminer l'appartenance du défaut à une classe de types de défauts connus et pour estimer ensuite l'amplitude du défaut. Des nouvelles classes de défauts peuvent être constituées. La méthode de détection a été initialement conçue pour détecter le vieillissement rapide des isolants et a été ensuite validée pour la détection des défauts paramétriques de la machine asynchrone. Les méthodes de localisation et d'identification ont été élaborées et vérifiées uniquement pour l'application de la machine asynchrone. Les degrés de liberté de l'Analyse Multirésolution confèrent aux méthodes développées la flexibilité par rapport à différentes applications
The purpose of this work is the diagnosis of dielectric and electric faults of electrical drives, more precisely, the diagnosis of changes or anomalies in the measured signals. By its time-frequency localization, the Multiresolution Analysis is adaptable to fault diagnosis. He choices of the mother wavelet and of the number of decomposition levels are the freedom degrees, which allow this method to extract relevant information from the analyzed signals. Its implementation by numerical filters reduces the computations cost. The fault detection method computes on-line the wavelet coefficients. A gradual alarm rate is delivered function of the fault type and persistency. The fault isolation and identification methods take into account the spectral contents of the coefficients vector at each decomposition level to determine the fault membership of a class of known fault types and further to estimate the fault amplitude. New classes of faults may be created. The fault detection method has been initially conceived to detect the insulation quick aging and has been further validated for the asynchronous motor parameter fault detection. The fault isolation and identification methods have been developed and verified only for the asynchronous motor application. The Multiresolution Analysis freedom degrees confer flexibility to the developed methods with regard to different applications

Les machines électriques synchrones à aimants permanents sont susceptibles de rencontrer un disfonctionnement suite à un échauffement non maîtrisé. L’objectif de cette étude est de développer un modèle thermique générique et prédictif pouvant simuler diverses situations d’intérêts: régime permanent, régime transitoire, mode dégradé, entrefer immergé, haute vitesse. Pour cela, la méthode nodale est utilisée pour développer le modèle thermique générique. En parallèle, un banc d’essai et un prototype sont conçus pour valider le modèle. L’étude de sensibilité des résultats du modèle à certains paramètres montrent que certains coefficients de convection, certaines conductances de contact et la conductivité thermique radiale du bobinage ont une influence considérable sur les résultats du modèle. Cependant ces paramètres sont mal connus, car ils sont issus des formules empiriques ou des abaques. Grâce au prototype et au modèle développé, ces paramètres sont identifiés. Trois méthodes d’identification sont testées pour aboutir à une stratégie d’identification: les algorithmes génétiques, la méthode de Gauss-Newton et la méthode de Levenberg-Marquardt. Plusieurs essais sont effectués sur le prototype instrumenté. La mesure des températures à des lieux précis du prototype permet d’identifier les paramètres mal connus et de valider le modèle
Permanent magnet synchronous machines are likely to break down due to poorly controlled heating. The goal of this study was to develop a generic and predictive thermal model to calculate the temperature of machines during the design phase simulating temperatures at various states. These states include: steady state, transient state, fault mode, axial circulating of a cooling fluid in the air-gap and high speed. The lumped parameter method was used to develop this generic thermal model. Meanwhile, a test bench and a prototype instrumented with thermocouples were manufactured to validate the model at the same time. Sensitivity studies of the results of the model to some parameters demonstrated that some convective coefficients, contact conductances and the thermal conductivity of the winding in the radial direction influenced the model. However, these parameters are poorly known, because empirical formulas or abacus are used to calculate them. Using, the prototype and the developed model, these parameters were identified. Three methods of identification were tested in order to find a strategy for the identification: the genetic algorithms method, the Gauss-Newton method and the Levenberg-Marquardt method. Many tests were done on the prototype. The measure of the temperatures on the specific place allows to identify these parameters and to validate the model

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.

Les systèmes comportant plusieurs machines électriques et/ou plusieurs convertisseurs statiques occupent une place de plus en plus importante parmi les systèmes électromécaniques. Ces systèmes sont appelés Systèmes Multimachines Multiconvertisseurs (SMM). Les SMM se caractérisent par la mise en commun de ressources physiques entre plusieurs éléments de la chaîne de conversion d'énergie; d'où des couplages dont la gestion pose problème. La complexité de tels systèmes nécessite une répresentation synthétique que l'utilisation d'outils classiques de modélisation ne permet pas toujours d'obtenir. Un formalisme spécifique de modélisation de systèmes électromécaniques est alors présenté : basé sur une représentation causale des échanges énergétiques entre les différents éléments de conversion, appelé Représentation Énergétique Macroscopique (REM). Une extension de ce formalisme à la caractérisation et la commande des SMM est ensuite proposée. Le SMM faisant l'objet de cette thèse est un véhicule électrique. Ce système possède deux couplages (électrique et mécanique) induits par l'utilisation d'une structure de puissance particulière : la traction des deux roues motrices est assurée par deux machines asynchrones triphasées alimentées par un onduleur possédant quatre bras. Les problèmes posés par le couplage mécanique sont liés au caractère non-linéaire du contact roue-route; une solution à ces problèmes est obtenue en utilisant une structure de commande à modèle bien adaptée aux systèmes non-linéaires : la commande à modèle de comportement. Une commande vectorielle dans le repère naturel de la machine asynchrone est ensuite proposée pour résoudre le couplage électrique : appliquée expérimentalement d'abord à un système monomachine, puis son extension à l'ensemble onduleur quatre bras - machines asynchrones est envisagée dans un second temps.

Les systèmes à plusieurs machines électriques et convertisseurs statiques occupent une part importante dans le domaine des entraînements, que ce soit dans les transports, les processus industriels ou même les services. Ces systèmes qui partagent une ressource électrique, mécanique ou d'une autre nature, sont désignés systèmes multimachines multiconvertisseurs (SMM). Outre le problème classique de robustesse inhérent à la commande des actionneurs électriques, les SMM posent des problèmes de gestion énergétique, problèmes induits par les divers couplages qui les caractérisent. L'objectif de cette thèse est une étude de la commande à modèle de comportement (CMC) en vue de son application aux SMM, dans l'objectif d'apporter une solution aux problèmes de robustesse et de couplage. Dans un premier temps, l'analyse de la CMC est présentée. Cette commande exploite l'écart entre un processus et son modèle considéré linéaire stationnaire, afin de modifier les actions du processus réel et le " forcer " ainsi à suivre un comportement défini. Les performances de robustesse sont mises en évidence en simulation (machine à courant continu et machine asynchrone) et expérimentalement (machine à courant continu). De plus, une extension de la CMC pour gérer deux boucles imbriquées est proposée, ainsi qu'une stratégie spécifique de limitation. Dans un deuxième temps, la CMC est appliquée aux SMM. L'étude porte sur un couplage aval de type mécanique. Trois nouvelles structures de commande, basées sur la CMC sont analysées en plus de deux structures classiques (commande moyenne et maître-esclave). Une de ces nouvelles structures est enfin appliquée à la commande d'un métro automatique pour résoudre des problèmes de répartition énergétique mécanique et de patinage.

Les déformations induites par les champs magnétiques dans des matériaux ferromagnétiques constituent l'une des sources du bruit émis par les machines électriques. L'identification quantitative de ces déformations représente un problème inverse délicat: elles correspondent a deux mécanismes différents viz. , des déformations dues a des efforts d'origine electromagnetique et des déformations dites de magnétostriction. Une première analyse bibliographique de plusieurs formulations des efforts d'origine electromagnetique tente de justifier le choix de celle d'eringen & maugin. La deuxième partie de ce travail est consacrée a l'étude magneto-elastique expérimentale et analytique ou numérique de deux structures de géométries différentes (tore sous champ magnétique circonférentiel et plaque sous champ quasi uniaxial) mais constituées du même matériau (fer pur armco). Cette analyse constitue une tentative de validation expérimentale, d'une part de la formulation des efforts d'origine electromagnetique choisie, et d'autre part, de l'hypothèse de partition faite dans cette étude entre déformations induites par ces efforts et déformations de magnétostriction pure. Dans un troisième temps, le formalisme thermodynamique, une formulation variationnelle et les analogies entre les problèmes magnétique et thermique stationnaires sont utilises pour faire une classification des couplages entre phénomènes mécaniques, thermiques et electromagnetiques, et pour développer dans le programme de calcul industriel par éléments finis castem 2000 un outil d'analyse magneto-mecanique couplee de structures planes ou axisymétriques en matériaux aux comportements mécanique élastique linéaire et magnétique réversible non linéaire. L'application a une structure de moteur électrique a courant continu a aimants est menée et les résultats sont compares a des mesures faites sur une maquette instrumentée